Sostenibilità ambientale edilizia e sicurezza strutturale, ecco un caso studio

Sostenibilità ambientale edilizia e sicurezza strutturale, ecco la metodologia per valutare la sicurezza sismica attraverso il caso studio di un edificio

La valutazione del livello di sostenibilità ambientale degli edifici (sostenibilità edilizia) richiede la definizione di una struttura che permetta di valutare i criteri prestazionali (economici, ambientali, sociali) nelle varie fasi di vita di un edificio.

Pertanto, per il significato intrinseco di analisi di sostenibilità basate sul concetto del Life Cycle Thinking, l’analisi, che è condotta su una durata temporale fissata (ciclo di vita), dovrebbe tener conto dei possibili eventi che possono verificarsi nel corso di tale arco temporale e che potrebbero influire sul risultato finale complessivo dell’analisi stessa.

A tal riguardo proponiamo un nuovo articolo del progetto VInCES (Valutazione Integrata del Ciclo di vita per l’Edilizia Sostenibile) che ha l’obiettivo di definire criteri e parametri di valutazione integrata del grado di sostenibilità di un edificio con riferimento all’intero ciclo di vita.

Dopo aver analizzato le principali aree di valutazione della sostenibilità sociale ed i principali indicatori del livello di benessere interno dell’edificio, passiamo ora alle tematiche riguardante la valutazione della sicurezza strutturale.

Indicatore della sicurezza degli occupanti

Le problematiche di sicurezza strutturale sono particolarmente sensibili in regioni caratterizzate da elevati rischi/pericoli naturali, tra cui terremoti, uragani, tornado, incendi e inondazioni. La garanzia delle prestazioni meccaniche/funzionali dei componenti strutturali, architettonici e meccanici di un edificio diventa un requisito cruciale per il raggiungimento dei target di sostenibilità nel settore delle costruzioni, al fine di minimizzare le conseguenze (per tutti e tre gli aspetti della sostenibilità) dei rischi e/o pericoli potenzialmente attivi in tutto il ciclo di vita dell’edificio.

In altre parola, la valutazione della sostenibilità basata sul concetto di ciclo di vita nel settore delle costruzioni è caratterizzata da diverse fonti di incertezza, quali la presenza e l’intensità dei fenomeni naturali ed antropici critici, la resistenza delle infrastrutture e la durata della vita utile. Per tali motivi, dato l’elevato valore sociale che caratterizza il settore delle costruzioni, un approccio alla sostenibilità in tale campo che miri ad includere gli aspetti sociali, non può prescindere dall’includere i rischi specifici del sito legati alla sopravvivenza e alla salute umana degli occupanti.

Data questa considerazione, la valutazione della probabilità di collasso di una struttura può rappresentare una valutazione indiretta del valore sociale della sostenibilità, poiché denota una misura di affidabilità, robustezza e affidabilità della struttura stessa.
Focalizzando l’attenzione, a titolo di esempio, sulle conseguente di eventi sismici sugli edifici, il danno risultante può influenzare la struttura portante, i componenti non strutturali e i contenuti dell’edificio (elettrodomestici, mobili etc.). Basandosi sull’entità del danno che si è verificato, è possibile avere una stima delle potenziali conseguenze sugli occupanti. Inoltre, in dipendenza dall’entità dell’evento, i componenti e/o i contenuti dell’edificio possono aver bisogno di essere riparato e/o sostituiti. A parte i contenuti, se il danno fisico indotto è debole, le operazioni di riparazione consistono nell’utilizzo di risorse diverse comprendenti materie prime, lavoro e risorse monetarie, causando l’interruzione parziale/re-orientamento delle attività previste dovuta alla perdita della funzione dell’edificio, contribuendo in modo significativo ai costi complessivi di riparazione e al disagio sociale percepito dagli occupanti l’edificio.
In base a queste considerazioni, gli aspetti economici della sostenibilità legati al rischio di eventi pericolosi per l’edificio (nell’arco della vita utile dell’edificio), sono spesso quantificati in termini di perdite economiche attese in base alla valutazione della pericolosità (ad esempio sismica) sito-specifica, delle prestazioni strutturali, analisi dei danni da cui ricavare una stima delle perdite economiche attese. I costi sono valutati durante l’intero ciclo di vita dell’edificio e le perdite attese per le conseguenze del rischio sono valutate in maniera probabilistica e aggiunte ai costi calcolati in maniera deterministica (costi iniziali, manutenzione etc.).
Da un punto di vista strettamente sociale, la necessità di raggiungere una prestazione accettabile strutturale può essere definita come la riduzione del danneggiamento dell’involucro dell’edificio e del suo contenuto (anche in termini di vita umana) tale che l’edificio possa essere occupato e gestito subito dopo un evento (ad esempio sismico), cercando così di minimizzare le potenziali perdite economiche ed aumentare la sicurezza delle persone. In questo senso, la valutazione e la scelta di un sistema strutturale diventato un problema di progettazione cruciale, tenendo conto delle ipotesi di rischi sito-specifici che comportano un processo di valutazione e bilanciamento di considerazioni di tipo probabilistico, analisi sociale e costi. Infatti il rischio per la vita umana, il rischio di danni fisici e lo sconvolgimento economico e sociale, che nascono come conseguenza di eventi pericolosi quali i terremoti, rappresentano una chiara minaccia che coinvolge i decisoti e le strategie politiche.
In questo senso, gli aspetti sociali della sostenibilità sono diventati fortemente legati alle prestazioni strutturali dell’edificio, in termini di probabilità di collasso, con il fine ultimo di preservare e garantire la sicurezza delle persone. In particolare, la valutazione della probabilità di collasso include analisi del pericolo sismico sito-specifiche, simulazioni dinamiche non lineari per valutare la risposta strutturale al collasso, analisi dei conseguenti danni e stima delle perdite umane.

Metodologia per la valutazione della sicurezza strutturale

La valutazione della sostenibilità di un edificio, basata su un approccio legato al ciclo di vita della struttura, è sottoposta a diverse fonti di incertezza, quali la presenza e l’intensità di eventi pericolosi, la resistenza delle infrastrutture e la durata della vita utile. L’obbiettivo della metodologia descritta nel presente rapporto tecnico è quello si valutare la sicurezza strutturale, e quindi la capacità di salvaguardare la vita degli occupanti, di un’infrastruttura civile sottoposta ad un evento pericoloso durante la sua vita di esercizio; nel dettaglio, a titolo di esempio, si farà riferimento ad eventi sismici caratteristici di un determinato luogo cui l’edificio è ubicato.

Secondo tale metodologia, in primo luogo è calcolata la probabilità di superamento di una serie di date stati limite strutturali, durante la vita utile della struttura. Nel dettaglio, Tmax denota la durata utile della struttura, N il numero massimo di eventi critici che possono aver luogo durante Tmax e τ il tempo di riparazione per la struttura. La probabilità P(LS; Tmax ) di superara uno specifico stato limite LS nel tempo Tmax può essere scritta come:

P(LS; Tmax) = ∑(i=1,∞) P(LS|i) P(i; Tmax)

dove P(LS|i) è la probabilità di superamento dello stato limite considerato, dati i eventi che si verificano nel tempo (che rappresenta la curva di fragilità del sistema strutturale in esame) e P(i; Tmax) è la probabilità che esattamente i eventi si verifichino in un tempo Tmax (che rappresenta la pericolosità sismica specifica di quel luogo per il dato sistema strutturale). Per calcolare il termine P(i; Tmax), si presuppone che l’evento/rischio nella vita utile della struttura sia espresso da una distribuzione di probabilità di tipo Poisson e che esso sia indipendente da altri tipo di eventi. Pertanto, P(i; Tmax) può essere calcolato da una distribuzione di probabilità di Poisson con:

v = ∑(l=1,Nh) Vl

dove Nh è il numero di tipi di eventi/rischi critici che possono aver luogo durante il corso della vita di servizio della struttura e 1  Vl è il corrispondente tasso di occorrenza. La probabilità di avere esattamente i eventi nel tempo Tmax può essere calcolata come:

P(i; Tmax ) =( (νTmax)i  e-νTmax  )  / (i!)

Il termine P(LS|i) viene calcolato prendendo in considerazione l’insieme di eventi mutuamente esclusivi e collettivamente esaustivi (MECE) che lo stato limite viene superato in uno e solo uno degli eventi precedenti e si presume che, se la struttura sotto riparazione venga colpita da un altro evento, le operazioni di riparazione riprendano da zero.

Stima della curva di vulnerabilità della struttura

Le curve di vulnerabilità strutturale dopo una sequenza di eventi sismici sono calcolate come segue:

  • la curva di pushover strutturale e costruita effettuando un’analisi statica non lineare; il raggiungimento di vari stati limite strutturali è individuato sulla curva in termini di spostamento massimo della copertura della struttura mediante la costruzione di un modello equivalente (a un grado di libertà) SDOF (Single Degree Of Freedom);
  • una serie di record di Ground Motion (GM) sismici viene scelta per il sito della struttura;
  • la struttura SDOF equivalente viene sottoposta alla serie di recor GM;
  • sono registrati gli spostamenti massimi e residuo, insieme alla forza residua del sistema SDOF equivalente in risposta alla serie di record;
  • la risposta strutturale alla serie di record viene utilizzata per effettuare un’analisi di regressione lineare sul (logaritmo naturale) della risposta dello SDOF rispetto al (logaritmo naturale) della misura dell’intensità del terremoto, fornendo i parametri della distribuzione dei parametri di fragilità strutturale.

La probabilità di collasso in un anno
Precedentemente è stato descritto come la probabilità di superamento di uno stato limite LS può essere calcolata dalla prima formula: P(LS; Tmax) = ∑i=1, ∞ P(LS|i)P(i; Tmax).

Tuttavia, in relazione alle considerazioni sulla sicurezza strutturale e alla sostenibilità sociale fatte, risulta di fondamentale importanza calcolare la probabilità di superamento di un dato stato limite in un anno; la probabilità di superamento dello stato limite nell’intervallo temporale [T,T+ΔT] può essere calcolata come:

 P(LS; [T,TT]) = P(LS;TT) – P(LS;T)

Pertanto, la probabilità di superamento dello stato limite in un anno può essere calcolata dalla suddetta formula, impostando ΔT pari a 1.

Applicazione a un caso studio

La metodologia sopra presentata viene applicata, a titolo di esempio, ad una struttura utilizzata come caso di studio soggetta ad azioni sismiche; tale metodologia sarà poi applicata all’edificio VINCES, nonché alle possibili varianti ottenuta mediante l’inserimento di possibili alternative strutturali.

La metodologia è quindi implementata per la valutazione della sicurezza strutturale della struttura, intesa come probabilità di superamento dello stato limite di collasso in un anno.

L’edificio in esame è costituito da cinque piani con una struttura avente un telaio in calcestruzzo armato (ovvero una tipologia strutturale molto comune nel contesto locale campano) con una durata della vita utile di 100 anni. Il metodo strutturale è illustrato nella figura 5.1, che presenta la vista in pianta di un generico piano. Ogni piano è alto 3.00m, tranne il secondo, che è alto 4.00m.

 Vista in pianta dell'edificio caso studio

Vista in pianta dell’edificio caso studio

Il comportamento non lineare nelle sezioni della struttura è modellato sulla base del concetto di plasticità concentrata secondo il modello proposto da Mander.
La struttura del caso di studio viene analizzata per il rischio di pericolosità sismica con un periodo di primo modo pari a T=0.95s. La sequenza degli stati limite strutturali, LSn, = 1,. . .,NLS, dallo stato integro al collasso totale, è discretizzata come segue:

  • intatto
  • limite di operabilità (livello operativo), SR
  • insorgenza di danni (livello legato all’occupazione dell’edificio), OD
  • danno grave (livello di sicurezza per la vita umana), SD
  • collasso (livello di prevenzione collasso), CO

Nel caso della pericolosità sismica, gli stati limite sono stati definiti in relazione allo spostamento massimo del sistema SDOF equivalente.

Il tasso medio annuo di eventi sismici significativi è assunto pari a VE = 0.20 riferito allo specifico sito dell’edificio.

La figura seguente illustra la curva di pushover statica calcolata per la struttura in esame:

Curve di Pshover per il sistema SDOF equivalente

Curve di Pshover per il sistema SDOF equivalente

Gli spostamenti che segnano l’inizio dei diversi stati limite sono riportati sulla figura sotto forma di cerchi rossi. La seguente tabella riporta gli spostamenti massimi per il sistema SDOF equivalente che identificano lo stato limite di: limite di operabilità (SR), l’insorgenza di danni (OD), danno grave (SD) e collasso (CO), per la struttura. Le curve di vulnerabilità sismiche sono calcolate in base alla procedura descritta nella sezione precedente, selezionando un insieme di record di ground motion del suolo e applicandolo al sistema SDOF equivalente.

LS Spostamento massimo del sistema SDOF equivalente (m)
 limite di operabilità SR 0.01
 insorgenza di danni OD 0.02
 danno grave (SD) 0.03
 collasso (CO) 0.10

 

Risultati
Concentrando l’analisi sullo stato limite di collasso CO, la probabilità di superamento dello stato limite di collasso in un anno può essere calcolata dalla differenziazione di P(LS|t) rispetto al tempo indicato nella equazione P(LS; [T,TT]) = P(LS;TT) – P(LS;T). Come proxy per la valutazione della sicurezza strutturale in termini di vite umane, può essere stabilita, come soglia accettabile, il valore si 2 x 10 – 3 per la probabilità di collasso in un anno (vincolo di affidabilità). La probabilità di superamento dello stato limite di collasso in un anno è stata calcolata dall’equazione P(LS; [T,TT]) = P(LS;TT) – P(LS;T) per la struttura data.

La seguente figura riporta la probabilità annua di collasso rispetto alla soglia accettabile per la struttura del caso di studio:

Probabilità di collasso per la struttura esaminata

Probabilità di collasso per la struttura esaminata

Si può osservare che per la struttura data, valore si mantiene sempre al di sotto del valore soglia di probabilità (in rosso). Questo può rappresentare un ulteriore indicatore della valutazione di sostenibilità di un dato edificio ai fini della quantificazione del valore sociale associato ad esso, in termini di sicurezza strutturale e minimizzazione delle perdite di vite umane.

Si evidenzia, infine, che il valore di questo indicatore è strettamente correlato alla risposta strutturale dell’edificio e al livello di pericolosità dato-specifico della posizione dell’edificio.

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