Collasso progressivo indotto da fenomeni esplosivi: teoria ed analisi degli effetti sulle strutture civili esistenti in cemento armato

Il cigno nero dell’ingegneria civile

Università degli Studi “G. d’Annunzio”

Facoltà di Ingegneria e Geologia

Laurea magistrale LM24 in ingegneria delle costruzioni

Collasso progressivo indotto da fenomeni esplosivi: teoria ed analisi degli effetti sulle strutture civili esistenti in cemento armato

Relatore: Prof. Ing Guido Camata

Candidato: Simone Pistilli

Correlatori: Ing Phd Marco Terrenzi, Ing. Phd Massimo Petracca

Mat. 3217083

A.A. 2022-2023

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Il cigno nero dell’ingegneria civile

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Abstract

Molti dei più noti eventi di crolli degli ultimi 50 anni come quello della torre di Ronan Point (1968), l’attacco al Murrah Federal Building (1980) ed al World Trade Center (2001) sono tutti contraddistinti da un singolo fattore comune: un danno di modesta estensione alla struttura che innesca una reazione a catena che conduce alla perdita totale dell’edificio, fenomeno noto come collasso progressivo.

Con l’avvicendarsi di questi eventi, è maturata nella comunità scientifica la consapevolezza sulla necessità di approfondire la ricerca verso questo campo dell’ingegneria forense, piuttosto trascurato per la difficoltà oggettiva di replica sperimentale ed anche per la bassa convenienza di una progettazione specifica e standardizzata per eventi di così bassa probabilità di accadimento ma ad alto potenziale di perdita -LPHC-.

La prima parte di questa trattazione pone l’attenzione proprio sul fenomeno del collasso progressivo, sui punti salienti che lo contraddistinguono e sullo stato di avanzamento della ricerca. Si riporta, a corredo della trattazione una breve analisi numerica comparativa con uno dei pochi test sperimentali condotti su scala reale, per comprenderne meglio le dinamiche.

La seconda parte si concentra sulla trattazione teorica dei fenomeni esplosivi e sui danni associati alle strutture che frequentemente originano eventi di collasso progressivo. Nella terza parte, infine, viene presentato un caso studio di un edificio risalente agli anni ’80, pertanto non in linea con le prescrizioni antisismiche in vigore NTC18 o EC8, soggetto a diversi scenari critici di danno dovuti ad un’esplosione esterna.

Lo scopo dell’analisi è quella di valutarne la robustezza e la risposta globale nei confronti di un potenziale collasso progressivo dovuto alla perdita di elementi portanti. Si sottolinea come le caratteristiche dell’edificio rispecchino puramente l’edilizia residenziale civile; con ciò si vuole porre l’attenzione proprio su una condizione tipica del tessuto urbano italiano, che vede tali strutture acquisire soventemente, in maniera del tutto impropria, funzioni strategiche e rilevanti.

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Abstract

Many of the more well-known collapse events of the last 50 years such as the collapse of the Ronan Point tower (1968), the attack on the Murrah Federal Building (1980) and the World Trade Center (2001) are characterized by a single common factor: a modest extension structural damage that triggers a chain reaction that leads to the total loss of the building; phenomenon defined as progressive collapse.

With the succession of these events, awareness has matured in the scientific community on the need to deepen research in this field of forensic engineering, rather neglected due to the objective difficulty of experimental replication and also due to the low convenience of a specific and standardized design for events with such a low probability of occurrence but with a high potential for loss -LPHC-.

The first part of this discussion focuses precisely on the phenomenon of progressive collapse, on the salient points that distinguish it and on the state of progress of the research. A brief comparative numerical analysis is reported with one of the few experimental tests conducted on a real scale, to better understand its dynamics.

The second part focuses on the theoretical discussion of explosive phenomena and the damage associated with structures that frequently give rise to progressive collapse events. Finally, the third part presents a case study of a building dating back to the 1980s, therefore not in line with the NTC18 or EC8 anti-seismic requirements in force, subject to various critical damage scenarios due to an external explosion.

The purpose of the analysis is to evaluate its robustness and global response to a potential progressive collapse due to the loss of load-bearing elements due to an explosion. It is emphasized that the characteristics of the building purely reflect civil residential construction; with this we want to focus attention on a typical condition of the Italian urban fabric, which sees these structures often acquire, improperly, strategic and relevant functions.

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Il cigno nero dell’ingegneria civile

Sommario

1 Introduzione 12

1.1 Il cigno nero dell’ingegneria civile 14

2 Teoria del collasso progressivo su edifici a telaio 18

2.1 Ronan Point Tower 20

2.2 Prime definizioni concettuali 23

2.2.1 Collasso progressivo e sproporzionato 23

2.2.2 Robustezza e ridondanza strutturale 25

2.2.3 Quantificazione della robustezza strutturale 26

2.3 Tipologie di collasso progressivo e meccanismi resistenti 30

2.3.1 Classificazione dei meccanismi di collasso progressivo 30

2.3.2 Panckake e domino - Impact type 32

2.3.3 Zipper e Section -Redistribution Type 35

2.3.4 Instability-Type 38

2.3.5 Mixed -Type 39

2.3.6 Meccanismi e riserve di resistenza 41

2.3.7 Stima degli effetti membranali con rimozione di un pilastro 49

2.3.8 Eventi scatenanti 52

2.4 Test sperimetali e analisi numeriche 54

2.4.1 Test sperimentali 54

2.4.2 Test sperimentali sulle esplosioni 57

2.4.3 Tecniche di analisi numerica 59

2.5 Mitigazione del rischio di collasso progressivo 65

2.5.1 Analisi del rischio 65

2.5.2 Mitigazione del rischio e prevenzione 66

2.5.3 Approcci di progetto e miglioramento strutturale 69

2.5.4 Analisi dipendenti e indipendenti dalla minaccia 71

2.6 Metodi di progetto diretti e indiretti 72

2.6.1 Metodi indiretti 73

2.6.2 Incatenamenti 73

2.6.3 Metodi di progetto diretti 76

2.6.4 Metodo della resistenza locale (Key elements) 76

2.6.5 Percorso alternativo dei carichi ALP 78

2.6.6 Compartimentazione e catena fusibile 80

2.6.7 Influenza dei dettagli sismici 80

2.7 Genesi delle prescrizioni normative sul collasso progressivo 82

3 Analisi FEM comparativa su un edificio in scala al vero 86

3.1 Descrizione della struttura 89

3.1.1 Sistema di monitoraggio 92

3.1.2 Simulazione dello scenario critico 93

3.2 Modellazione numerica della struttura 95

3.2.1 Modello originale Abaqus FEA 95

3.2.2 Analisi dello scenario di rimozione 96

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3.3 Modello OpenSees STKO 97

3.3.1 Piastre di solaio 97

3.3.2 Calcestruzzo 98

3.3.3 Barre d’armatura 99

3.3.4 Acciaio 100

3.3.5 Regime di grandi spostamenti 102

3.3.6 Simulazione scenario di rimozione e analisi 103

3.4 Risultati del test su scala reale 105

3.4.1 Spostamenti verticali 105

3.4.2 Spostamenti orizzontali 106

3.4.3 Accelerazione orizzontale e verticale 106

3.4.4 Danneggiamento della struttura 107

3.5 Validazione del modello e confronto dei risultati 108

3.5.1 Deformazione verticale e drift di piano 108

3.5.2 Redistribuzione dei carichi 111

3.5.3 Accelerazioni 113

3.5.4 Propagazione del danno 114

3.5.5 Risposta strutturale e percorsi di carico alternativi 117

4 Teoria dei fenomeni esplosivi ed effetti sulle strutture 118

4.1 Introduzione 120

4.2 Definizioni dei vari fenomeni esplosivi 122

4.3 Tipologie e classificazioni degli esplosivi 125

4.3.1 TNT equivalente 125

4.3.2 Classificazione degli esplosivi 127

4.3.3 Caratterizzazione e impieghi 128

4.3.4 Quantificazione della minaccia 130

4.4 Caratteristiche di un’onda d’urto ideale 133

4.4.1 Descrizione del fenomeno 133

4.4.2 Curva pressione – tempo 134

4.4.3 Leggi di scala e distanza scalata 137

4.5 Tipologie di esplosioni non confinate 141

4.5.1 Esplosioni di tipo far field e near field 141

4.5.2 Esplosioni a diverse altezze dal suolo 143

4.6 Interazione con le superfici 144

4.6.1 Free air burst 147

4.6.2 Esplosioni in aria (Air burst) 149

4.6.3 Surface burst 151

4.7 Descrizione analitica del fenomeno 153

4.7.1 Costruzione curva ideale pressione-tempo 153

4.7.2 Pressione dinamica 156

4.7.3 Curva di impulso Specifico 157

4.7.4 Carico da pressione sulla parete frontale 158

4.7.5 Procedura riassuntiva per quantificare il carico da esplosione 160

4.7.6 Analisi numeriche avanzate e previsione dei carichi 162

4.7.7 Predizione e analisi dei carichi da esplosione 166

4.7.8 Approccio adottato nelle analisi effettuate 168

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4.8 Effetti e danni sulle strutture 169

4.8.1 Risposta strutturale sotto carichi dinamici 171

4.8.2 Risposta del calcestruzzo sotto carico dinamico 174

4.8.3 Analisi dinamiche e modelli strutturali 177

4.8.4 Sistemi SDOF 177

4.8.5 Sistemi MDOF 179

4.8.6 Interazione onda d’urto – struttura per vari regimi di carico 180

4.9 Danni da esplosione e criteri di rottura 187

4.9.1 Tipiche modalità di danno delle colonne in cls 190

4.10 Eventi di riferimento 196

4.10.1 Murrah P. Federal Building (1995) 196

4.10.2 Eventi più recenti 201

4.10.3 Beirut harbor 203

4.10.4 Linee guida e normative in vigore 207

5 Analisi di un edificio esistente non conforme EC8 210

5.1 Inquadramento generale e caratteristiche dell’edificio bersaglio 212

5.1.1 Stato di fatto e documentazione originale 212

5.1.2 Descrizione dell’edificio 214

5.2 Modellazione numerica in OpenSees 221

5.2.1 Materiali utilizzati 222

5.2.2 Calcestruzzo 222

5.2.3 Acciaio 223

5.2.4 Modellazione strutturale ed elementi utilizzati 225

5.2.5 Modellazione delle componenti flessionali 227

5.2.6 Cerniere per rottura a taglio e pinching4 229

5.2.7 Taglio resistente 232

5.2.8 Tabelle riassuntive per la calibrazione cerniere a taglio 235

5.2.9 Cerniere assiali 238

5.2.10 Assemblaggio finale 239

5.2.11 Simulazione della rimozione del pilastro 239

5.2.12 Modellazione solaio 239

5.2.13 Element Properties e formulazione degli elementi 240

5.2.14 Conditions 241

5.3 Scenari di minaccia e carichi esplosivi 242

5.3.1 Time history pressione-tempo per il caricamento 244

5.3.2 Analisi modale e smorzamento 250

5.3.3 Definizione dei parametri di analisi 251

5.3.4 Differenze tra modelli ed analisi 253

5.4 Risultati della risposta al collasso progressivo 254

5.4.1 Perdita pilastro P10 di riva 255

5.4.2 Perdita del pilastro angolare P8 270

5.4.3 Perdita del pilastro P7 di riva 283

5.5 Risposta globale alla detonazione di una carica esplosiva 294

5.5.1 Scenario (A) carica su fronte Sud a 8 [m] 295

5.5.2 Scenario (B) carica su fronte Ovest a 10 [m] 304

5.5.3 Scenario (C) carica su fronte Ovest a 15 [m] 311

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5.5.4 Scenario (D) carica su fronte Ovest a 25 [m] 315

5.6 Analisi parametrica per collasso progressivo 318

5.6.1 Parametri meccanici 318

5.6.2 Dimensioni geometriche 319

5.6.3 Disposizione armatura e percentuale meccanica 320

5.6.4 Staffatura e ferri piegati 321

5.6.5 Combinazioni tra i parametri indagati 321

5.6.6 Caso (A) rimozione pilastro P10 di bordo 322

5.6.7 Armatura simmetrica e percentuale meccanica doppia 322

5.6.8 Influenza delle sole dimensioni geometriche e del cls 323

5.6.9 Influenza delle dimensioni geometriche con percentuale meccanica mantenuta originale 324

5.6.10 Confronto tra i casi presentati 325

5.6.11 Combinazioni con dimensioni originali dei pilastri o armature a taglio invariate 327

5.6.12 Caso (B) rimozione pilastro P8 angolare 329

5.6.13 Armatura simmetrica e percentuale meccanica doppia 329

5.6.14 Influenza delle dimensioni geometriche con percentuale meccanica mantenuta originale 330

5.6.15 Influenza delle sole dimensioni geometriche e del cls 331

5.6.16 Confronto tra i casi presentati 332

6 Conclusioni 334

6.1 Quantificazione della robustezza 335

6.2 Considerazioni finali 336

7 Riferimenti 342

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1 Introduzione

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1.1 Il cigno nero dell’ingegneria civile

Qualsiasi edificio, che sia pubblico o privato, può essere soggetto nel corso della sua vita utile ad eventi estremi ed imprevedibili che possono indurne il crollo, pur essendo stati rispettati correttamente tutti i criteri progettuali e le prescrizioni normative vigenti.

Uragani, forti terremoti, tsunami, impatti di veicoli e di massi in frana, esplosioni ed incendi, possono cimentare le strutture in maniera anomala rispetto ai carichi normalmente considerati nella progettazione, danneggiando localmente pochi componenti chiave che, a loro volta innescano una catena di cedimenti che inducono il crollo dell’edificio o di gran parte di esso. Tale fenomeno va sotto il termine di collasso progressivo.

Tali eventi, indubbiamente anomali, sono definiti LPHC (Low probability high consequence events), cioè, evidenziano probabilità di accadimento significativamente inferiori agli eventi quotidiani (LCHP) che, se innescati, comporterebbero però perdite materiali ed umane molto più elevate del normale. Sono condizioni difficili, se non impossibili da prevedere, che definiscono senza dubbio una minaccia rilevante, specie per le strutture e le infrastrutture critiche.

Per comprenderne le implicazioni, può essere utile far riferimento alla teoria del cigno nero - sviluppata da Nassim N. Taleb (2007) ma nota come concetto filosofico sin dall’Europa dell XI secolo, ed estesa anche in ambito ingegneristico – Questa afferma come l’Universo intero sia regolato da eventi estremi, ignoti ed imprevedibili (come un terremoto in una zona non sismica, o un semplice errore progettuale), oltre che dagli eventi più ricorrenti, con una probabilità di accadimento maggiori e, quindi, osservabili e predicibili.

L’importanza degli eventi incogniti è fondamentale, sia proprio per la loro imprevedibilità in termini di fenomeno in sé, sia per le loro conseguenze inattese. L’evento di cigno nero, operando con una finestra di osservazione temporale ristretta “a misura di memoria d’uomo” è per sua natura impossibile da osservare e catalogare.

Trasponendo il concetto in ambito ingegneristico, pertanto, diventa quasi impossibile sviluppare teorie o modelli in grado di prevederlo e mitigarlo (nel suo singolo accadimento o nella sua ricorrenza); anche se, in effetti, è comunque in atto una progressiva presa di coscienza del problema tra la comunità scientifica, ed alcune metodologie, specifiche per tali eventi, sono in procinto di essere ulteriormente approfondite (Consequence – Based Design).

Parallelamente agli eventi di cigno nero, sono state identificate due ulteriori classi di fenomeni, distinte in funzione della probabilità di accadimento e di conoscenza degli effetti ad esse imputabili:

• I Cigni grigi: eventi a ridotta probabilità di accadimento, ma con conseguenze limitate. Prevedibili ed osservabili se adeguatamente ricercati, con conseguente possibile mitigazione degli effetti.
• Cigni bianchi: sono gli eventi noti che possono essere modellati probabilisticamente e identificati sotto ogni aspetto, osservabili nella quotidianità e ben noti, di cui si dispone di un’ampia casistica da letteratura. Ne sono esempi i pesi propri, i carichi da vento e da neve.

Un esempio di Cigno nero per eccellenza, ad esempio, è l’attentato terroristico al World Trade Center del 2001, in cui il collasso sopravvenne pur essendo stato prevista una resistenza contro eventi naturali di magnitudo ben più elevata. In realtà, il discorso risulta ben più articolato e, come si vedrà più avanti, fortemente incentrato sui concetti di danno localizzato e collasso progressivo. Tanto da alimentare il dibattito sulla sua natura di cigno grigio, in quanto la minaccia da incendio o impatto era comunque plausibile ed attesa.

Quanto detto finora, evidenzia un gap concettuale di fondo dell’ambito ingegneristico, in cui si opera, tradizionalmente, con un approccio progettuale basato esclusivamente su nozioni ben radicate, note e documentate; basate su test sperimentali ed approfonditi studi scientifici. Approccio che ignora, appunto, la presenza del cigno nero, dell’evento anomalo ed incognito, poiché sfrutta modelli previsionali basati su metodi probabilistici, cioè su analisi statistiche, a loro volta incardinate proprio sull’osservazione dal vero e sulla catalogazione degli eventi più ricorrenti.

Modelli previsionali che presentano distribuzioni di probabilità con errori trascurabili. Tuttavia, quando quest’ultimi sono rilevanti, proprio per la carenza di dati acquisiti, ecco che l’approccio progettuale risulta inadeguato e si incorre nel pericolo di una sottostima della minaccia e delle conseguenti perdite economiche ed umane, facilmente intuibili.

Tale condizione è giustificabile dal fatto che, all’aumentare del tempo di ritorno di un evento, assunto infinito se completamente sconosciuto, i dati reperibili si riducono fortemente, nella loro disponibilità ed accuratezza. Qualsiasi modello predittivo perde effica