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Premessa.
Dalla classificazione sismica del territorio italiano risulta che più di un terzo
dei nostri comuni è classificato come sismico; alla luce di questo si rendono
necessarie precauzioni costruttive, non solo per quanto riguarda l’edilizia
nelle zone sismiche, ma per tutte le infrastrutture ed i servizi nell’intero
territorio dello stato.
In questa ottica si inserisce il bisogno di garantire la continuità di esercizio
degli acquedotti nelle zone sismiche, cercando tutti gli accorgimenti
progettuali e costruttivi atti ad assicurare il necessario funzionamento, o
almeno il rapido ripristino delle linee interessate da eventi sismici.
Assume fondamentale importanza la scelta delle condotte: si dovrà
privilegiare l’impiego di materiali e di soluzioni costruttive che possano
garantire la capacità di assorbire gli spostamenti impressi dal sisma senza
subire rotture e lesioni.
In questo senso le tubazioni di tipo monolitico manifestano la loro
vulnerabilità in quanto le deformazioni del terreno si ripercuotono
direttamente sulla condotta imponendo stati di deformazione e quindi di
sollecitazione che possono facilmente provocare rotture.
Una maggiore attitudine ai sismi viene presentata dalle tubazioni con giunto
elastico a bicchiere, in grado di consentire rotazioni e scostamenti assiali dei
giunti. Osservazioni effettuate in seguito ad eventi sismici hanno evidenziato
questo tipo di attitudine particolarmente per le tubazioni in ghisa sferoidale,
che associano ad una elevata mobilità dei giunti caratteristiche meccaniche
e duttilità notevoli.
Al di la delle prestazioni riscontrate è comunque importante poter disporre di
uno strumento progettuale che consenta, per un sisma di intensità prefissata
e per una certa caratterizzazione della configurazione, la verifica dei livelli di
sollecitazione nei materiali e la compatibilità degli spostamenti subiti dai
giunti con i relativi valori ammissibili.
Purtroppo mentre la legislazione cura attentamente tutto ciò che riguarda le
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verifiche delle strutture fuori terra, è carente per quanto riguarda il settore
delle tubazioni interrate; il presente studio è stato finalizzato
all’individuazione di un metodo di calcolo tale da risolvere queste
problematiche e allo sviluppo del relativo software applicativo.
In parallelo al programma di calcolo, oggetto del presente progetto di
diploma, è stato realizzato un ipertesto relativo ad un inquadramento delle
problematiche sismiche specifiche per le condotte interrate, ed una
esposizione della metodologia di verifica proposta.
Nei capitoli seguenti vengono riportati i contenuti dell’ipertesto in forma di
relazione classica e l’esposizione dettagliata della metodologia di calcolo.
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1. Introduzione.
Nel presente lavoro si espone un metodo semplice per la verifica della
resistenza strutturale delle tubazioni in ghisa sferoidale in occasione di eventi
sismici.
Si verifica altresì come la mobilità complessiva della condotta sia tale da
garantire l’assenza di sfilamenti.
Il metodo segue alcune prescrizioni di Electricité de France dettate per
tubazioni di acquedotto a servizio di installazioni nucleari.
Una scelta opportuna dei coefficienti di sicurezza le rende adatte ad impianti
civili, ove eventualmente può essere tollerato un maggior grado di rischio.
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2. Criteri di progettazione.
2.1 Onde sismiche temibili.
Dall’analisi dell’esperienza riferita ai sismi recenti (1), in cui sono stati
osservati danni ai sistemi di adduzione idrica, possono essere tratte alcune
considerazioni di ordine generale che indirizzano i criteri di progettazione e la
valutazione delle sollecitazioni con le quali verificare le condotte interrate.
Dalla sintesi delle osservazioni principali riferite in bibliografia, appare
evidente che il numero maggiore di danni è conseguenza delle sollecitazioni
che le tubazioni subiscono in occasione delle deformazioni del suolo in cui
esse sono posate.
L’interazione diretta tra fagliature principali o secondarie e la rete idrica è
sufficientemente ridotta.
L’effetto di un sisma su un’opera interrata di grande lunghezza si riduce
quindi essenzialmente alle deformazioni imposte all’opera dagli spostamenti
differenziali tra i punti del terreno o tra il terreno e le costruzioni comprese
nell’opera.
L’azione di queste deformazioni imposte può essere calcolata in modo
relativamente semplice se si ammette che la tubazione segua il movimento
del terreno.
Nella pratica non è sempre possibile garantire che questa condizione sia
sistematicamente soddisfatta.
Tuttavia, se si abbandona l’ipotesi che la struttura segua il movimento del
terreno, il modello di calcolo da utilizzare diventa molto complesso e bisogna
intervenire con ipotesi arbitrarie e coefficienti empirici, la cui definizione,
tenendo conto dei pochi dati sperimentali disponibili, è attualmente molto
incerta.
La metodologia qui proposta esclude il ricorso a questo tipo di calcolo, per
cui la procedura da seguire è la seguente:
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a) si determinano, ricorrendo a calcoli semplici, le sollecitazioni indotte nella
tubazione supponendo che questa segua il movimento del terreno;
b) si controlla con un modello semplice che la struttura possa effettivamente
seguire il movimento del terreno e si verifica il dimensionamento dell’opera
rispetto alle sollecitazioni calcolate;
c) nel caso contrario, si assicura che i dispositivi costruttivi previsti per i giunti
e i raccordi permettano di compensare gli spostamenti differenziali che
risultano da una perdita di aderenza tra l’opera e il suolo, valutando questi
spostamenti differenziali in eccesso, sempre con formule semplici.
Di conseguenza lo schema da adottare è il seguente:
- il sisma sviluppa onde periodiche nel terreno: si assumerà un’onda di
spostamento sinusoidale longitudinale o trasversale significativa,
ammettendo che la condotta segua il movimento del terreno al passaggio
dell’onda;
- il sisma non modifica le caratteristiche di carico del terreno sulla
condotta né lo stato di pressione interna della condotta stessa.
(1)
- San Fernando, California - Stati Uniti, 1971: intensità 6.6 gradi Richter. La
rete era costituita da tubi in acciaio saldato, in cemento amianto e in ghisa
sferoidale.
- Managua, Nicaragua: intensità 6.2 gradi Richter. La rete era costituita da
320 km di tubi in cemento amianto, 80 km di tubi in ghisa grigia e 30 km di
tubi in ghisa sferoidale.
- Orizaba, Messico, 1973: intensità 6.8 gradi Richter. Le condotte erano
formate per il 60% da tubi in ghisa grigia e per il 40% da tubi in cemento
amianto.
- Niigata, Giappone, 1964: erano presenti tubi in ghisa grigia, in acciaio, in
ghisa sferoidale, in cemento amianto e in PVC.
- Friuli, Italia, 1976: intensità 9 gradi Mercalli. La rete era costituita da tubi in
cemento armato, in cemento amianto e in acciaio.
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- Basilicata, Italia, 1980: intensità VII - VIII - IX grado MSK (rilievo
macrosismico). La rete di distribuzione annoverava tubi in acciaio saldato, in
ghisa grigia, in ghisa sferoidale.
2.2 Scale di intensità e sollecitazioni.
Abitualmente si caratterizza il movimento del terreno attraverso lo spettro di
risposta; questo metodo si adatta bene allo studio del comportamento delle
strutture e delle opere per le quali l’azione del sisma è una vibrazione
imposta alla base che genera forze d’inerzia.
Per contro essa è totalmente inadeguata per un problema di deformazione
imposta dal suolo che fa intervenire l’ampiezza dello spostamento e gli effetti
dello sfasamento legato alla lunghezza d’onda.
Bisogna quindi definire dei valori di spostamento massimo D
0
e di velocità
massima V
0
del terreno che siano coerenti con il livello di intensità e di
accelerazione considerati, oltre che con la frequenza caratteristica da
prendere in considerazione.
Le determinazioni di tipo semiempirico utilizzate in questa parte sono tratte
dalle procedure di EDF secondo le prescrizioni della Nuclear Regulatory
Commission del 1976 (vedi bibliografia). Per quanto riguarda l’accelerazione
massima A
0
si utilizza la correlazione seguente con la scala di intensità MSK
(praticamente corrispondente, a partire dal V grado, alla Mercalli modificata:
Ag
I
0
7
01 2=×
−
. [m/s
2
]
dove I = grado di intensità del sisma.
Per quanto riguarda i valori della velocità massima spettrale si accetta:
V
I
0
7
01 2=×
−
. [m/s]
Per quanto riguarda lo spostamento massimo D
0
si accetta la relazione:
AD V
00 0
2
6=
Sostituendo al movimento complesso del suolo un’onda sinusoidale
semplice di spostamento:
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Dt D t
x
c
() sin=−
ω
ω
non è ovviamente possibile ottenere una coppia D e ω che riproducano
insieme lo spostamento max, la velocità max e l’accelerazione max del
sisma.
Considereremo quindi due tipi di movimento sinusoidale:
- il primo, che diremo di bassa frequenza, riproduce lo spostamento max e
la velocità max e non l’accelerazione.
Per il sisma del VII grado MSK con le caratteristiche indicate nella nota (2) la
frequenza caratteristica è pari a 0.26 Hz.
- il secondo, che diremo in media frequenza, riproduce invece la velocità e
l’accelerazione max.
Per il sisma sopra ricordato la frequenza caratteristica è pari a 1.6 Hz.
Questa scomposizione semplice corrisponde ad assumere uno spettro
formato da due sole fondamentali la cui somma riproduce le caratteristiche
globali del sisma di progetto.
Le verifiche saranno condotte per ciascuno dei due movimenti.
(2)
Nel caso del sisma del grado VII MSK si otterrà:
A
0
= 1 m/s
2
V
0
= 0.1 m/s
D
0
= 0.06 m
Questa determinazione è leggermente inferiore a quella della Regulatory
Guide 1 - 60.
Valori maggiori possono essere adottati in dipendenza dell’ambiente per cui
la progettazione viene eseguita.
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