Corrado, Cirginia
(2009)
EFFETTI DINAMICI SU CONDOTTE
INTERRATE IN ZONA SISMICA.
[Tesi di dottorato]
(Inedito)
Abstract
La progettazione antisismica delle opere idrauliche (quali dighe, serbatoi per acquedotti, reti idriche di distribuzione, reti di drenaggio, ecc.) riveste, per un territorio ad elevato rischio sismico quale l’Italia, notevole importanza ai fini della difesa dalle calamità naturali.
In realtà solo in epoca relativamente recente tale tematica è stata affrontata in modo organico da parte degli operatori responsabili e degli specialisti, nell’ambito di una visione unitaria dei problemi.
Se, infatti, è in genere ben più rilevante il danno che può essere inflitto da un sisma al patrimonio edilizio ed industriale - sia per quanto concerne la perdita di vite umane che per i costi di ripristino e ricostruzione - il danneggiamento delle infrastrutture idrauliche può dar luogo, oltre a danni comunque rilevanti (e talvolta devastanti, come nei casi, per fortuna rari, di cedimento di opere di sbarramento), ad effetti indiretti di notevole gravità, quali, ad esempio, l’impossibilità di spegnere incendi provocati dal terremoto o di far fronte ad epidemie favorite da carenza idrica.
Con particolare riferimento alla risposta dinamica delle tubazioni interrate, i danni subiti dalle reti idrauliche (e, più in generale, dalle lifelines) in conseguenza di eventi sismici, pur se non di frequente di tipo strutturale, possono essere tali da ridurne - talvolta in maniera anche significativa - la funzionalità, ostacolando così la ripresa economica e sociale delle aree colpite nel dopo sisma. Il danneggiamento strutturale delle tubazioni può avere, ovviamente, effetti devastanti: si pensi, ad esempio, ai danni provocati da esplosioni o dal mancato spegnimento di incendi, ai problemi conseguenti ad una ridotta disponibilità per la distribuzione idrica o ai pericoli conseguenti al rilascio di sostanze chimiche e di inquinanti nel sottosuolo. Non minore preoccupazione, però, debbono destare i danni funzionali delle condotte, in genere più frequenti, un tipico esempio dei quali è costituito dalla rottura o dal dissesto delle giunzioni, con conseguenti perdite che, oltre a ridurre la potenzialità della rete di distribuzione, possono dar luogo ad effetti indiretti di notevole gravità (riduzione delle pressioni, con conseguenti disservizi e pericoli di ritorni in rete; rischi di allagamenti; rischi di frane, cedimenti, sprofondamenti).
La frequente localizzazione in ambito urbano delle reti di adduzione e distribuzione di acqua e di gas rende, inoltre, maggiormente temibili i suddetti effetti.
Nelle zone soggette ad eventi sismici è, quindi, essenziale studiare tutti gli accorgimenti atti ad evitare che i servizi principali vengano interrotti o, quanto meno, utili a ridurre i danni.
La matrice comune agli studi sinora sviluppati è rappresentata dalla ricerca di un modello idoneo alla soluzione di un problema di dinamica strutturale alquanto complesso e per il quale le osservazioni sperimentali sono ancora carenti. Ne deriva necessariamente che la definizione di un modello del tipo suddetto risulta fondata su una serie di ipotesi e di formulazioni tuttora in parte da vagliare ed in attesa di verifica sperimentale. A tal proposito soccorre tuttavia in parte un principio di base, largamente accettato dai diversi organismi che elaborano raccomandazioni in tema di progettazione antisismica, che afferma non esservi, oltre certi limiti, un legame diretto fra livello di sicurezza e grado di sofisticazione del modello, per l’elevata aleatorietà dell’azione sismica che vanifica, nei fatti, la ricerca di particolare rigore nel modello di calcolo.
Se si prescinde da problemi locali particolari (di carattere soprattutto geotecnico), i quali richiedono una valutazione specifica volta per volta, e si concentra l’attenzione sugli effetti della propagazione del movimento sismico per condizioni geotecniche non anomale ed uniformi rispetto alla coordinata lineare, occorre sostanzialmente individuare un modello che consenta di simulare da un lato la partecipazione delle strutture lineari interrate alle diverse caratteristiche del movimento del terreno da punto a punto e, dall’altro, l’interazione tra la struttura e il terreno stesso.
Tale modello è stato individuato, negli studi suddetti, in una trave immersa in un mezzo elastico vibrante (BDWF approach: Beam on Dynamic Winkler Foundation) e dotata di modesta rigidezza (tale cioè da non condizionare il moto sismico del terreno).
La determinazione delle caratteristiche del moto del terreno è riferita all’immagine della propagazione delle onde in un mezzo elastico omogeneo (lo strato di terreno superficiale) posto al di sopra di un letto rigido (il bed-rock o gli strati inferiori più compatti) al quale è applicata l’eccitazione dinamica.
Sulla base di tali considerazioni, diversi modelli di interazione terreno-tubazione sono stati presentati in letteratura: in essi, tuttavia, si ammette, in generale, che la condotta abbia lunghezza infinita, prescindendo, quindi, non solo dalla sua effettiva lunghezza, ma anche dalla presenza di eventuali manufatti (ad esempio opere d’arte, blocchi d’ancoraggio, diramazioni) che inevitabilmente ne modificano il comportamento. Tali differenze risultano molto evidenti nel caso di una rete di distribuzione idrica o di drenaggio, in cui le diramazioni o i pozzetti si susseguono di solito a poche decine di metri; d’altra parte, anche per un acquedotto esterno, per il quale si può ipotizzare la presenza di opere d’arte ricorrenti a distanze generalmente maggiori, ci si trova di solito ben lontani dall’ipotesi di condotta infinitamente lunga.
Di conseguenza, nel presente lavoro di tesi, dopo un’attenta e accurata analisi del vigente quadro normativo sulla progettazione antisismica delle infrastrutture idrauliche e una breve introduzione di alcuni concetti fondamentali di ingegneria sismica, è stato sviluppato un nuovo approccio per l’analisi numerica della risposta dinamica di una tubazione posta in zona sismica, mirato a schematizzare il comportamento dinamico di una condotta di lunghezza finita (FLBDWF approach: Finite Length Beam on Dynamic Winkler Foundation). Tale approccio viene sviluppato e confrontato con alcuni modelli di interazione terreno-tubazione presenti in letteratura, prima menzionati, allo scopo di evidenziare i parametri che maggiormente influenzano l’interazione terreno-condotta.
La condotta viene considerata per ora continua, ammettendo cioè trascurabili le eventuali variazioni tra le caratteristiche della tubazione e del giunto, mentre per il terreno si è assunto un comportamento elastico lineare.
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