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

SULLE STRUTTURE

118 Validazione del modello e confronto dei risultati

119

Introduzione

4.1 INTRODUZIONE

Tornando al discorso sul collasso progressivo, sono innumerevoli i

casi in cui un’esplosione esterna o interna è stata identificata come causa

originaria dell’attivazione dei crolli a catena che hanno condotto alla perdita

totale della struttura. Per comprendere l’estensione del fenomeno basti

Tabella 17.

osservare la

Tabella 17 Eventi principali di collassi indotti da esplosione (Bangash et al 2006)

Data Luogo Evento scatenante

10/04/1917 Eddystone Ammo co.Plant, Esplosione deposito munizioni

Eddystone, USA

Ospedale di Cleveland,

15/05/1929 Nube vapore esplosivo

Cleveland, Ohio

Consolidated School gas,

18/03/1937 Esplosione fuga di gas

Texas, USA

Ambasciata del Regno Unito,

31/10/1946 Attentato

Roma, Italia

Harbour munitions,

23/07/1964 Esplosione deposito munizioni

Bone, Algeria

Mercato, Cartagena,

30/10/1965 Attentato

Colombia

Appartamento in condominio,

25/12/1967 Esplosione fuga di gas

Mosca, URSS

11/05/1968 Ronan Point Tower, Londra Esplosione fuga di gas

Centro commerciale,

21/10/1971 Esplosione fuga di gas

Glasgow, Scozia, Regno Unito

Fabbrica di munizioni,

13/04/1976 Esplosione deposito munizioni

Lapua, Finlandia

Area di deposito gas

19/11/1984 Fuga di gas

Mexico City, Messico

Deposito munizionamento

21/06/1984 Esplosione deposito munizioni

navale, Severomorsk, URSS

06/07/1988 Piper alpha piattaforma Fuga di gas/incendio

10/04/1992 St Mary’Axe, Londra Attentato

Centro comunitario ebraico,

18/07/1994 Attentato

Buenos Aires, Argentina

01/04/1995 Murrah Federal Building, Attentato

Oklahoma, USA

Complesso residenziale South

09/02/1996 Attentato

Quay, Londra

Al-Khobar,

26/05/1996 Attentato

Arabia Saudita

11/09/2001 Pentagono, Esplosione/impatto

120 Introduzione

Washington DC, USA

11/09/2001 The WTC, New York, USA Esplosione/impatto

01/01/1996– Conflitto Pakistan-India Conflitto bellico

2003

08/01/1968– Conflitto Israele e paesi Medio Guerra

2003 Orientali

11/03/2003- Iraqi freedom, Conflitto, USA- Guerra

2007 Iraq

20/04/2010 Piattafora deep water horizon Accumulo di gas

Beirut Harbor, Esplosione accidentale per causa

04/07/2020 Beirut, Libano non accertata

24/02/2022 – in Conflitto Ucraina - Russia Guerra

corso

10/10/2023 – in Conflitto Israelo-Palestinese Guerra

corso

Seppur la natura di cigno nero degli eventi esplosivi sugli edifici

civili sia evidente, e la tabella sopra lasci intuire la gravità dei danni

derivanti dagli eventi stessi, non è ancora solida la consapevolezza della

necessità di garantire agli edifici strategici civili, un approccio progettuale

che tenga sempre presente tale minaccia. Infatti, è ricorrente sul territorio

nazionale trovare caserme, centri direzionali, uffici comunali e centri

operativi situati in edifici addirittura di inizio ‘800 se non più antichi, specie

nei centri urbani minori. Oltre che ad una evidente vulnerabilità sismica,

risulta chiara la loro esposizione, a danni localizzati indotti dolosamente,

potenziali inneschi di collassi progressivi. Anche dovuti più semplicemente

ad esplosioni di natura accidentale, come fughe di gas, senza dubbio più

frequenti. Quanto detto, viene escluso però, per tutti gli edifici alti o quelli

costruiti oggigiorno con specifiche funzioni, in cui i concetti di robustezza

visti nei capitoli addietro sono tenuti considerazione seppur in maniera non

sempre quantitativa, vista la rilevanza delle opere

A tal proposito, è doveroso riportare una trattazione teorica sui

fenomeni esplosivi, seppur semplificata, per assicurare al lettore una

formazione minima, tale da permettergli di comprendere gli effetti delle

esplosioni stesse sugli edifici in calcestruzzo, sempre nell’ottica del collasso

progressivo indotto e, in previsione del capitolo 5, che sarà incentrato

sull’analisi degli effetti di una detonazione su di un edificio originalmente

a destinazione d’uso residenziale e trasformato ipoteticamente in un centro

direzionale. 121

Definizioni dei vari fenomeni esplosivi

4.2 DEFINIZIONI DEI VARI FENOMENI ESPLOSIVI

Si definisce esplosione una rapida reazione chimica che può

coinvolgere solidi, polveri o gas, durante la quale avviene un rilascio di

vapori caldi ed energia. Tale definizione, piuttosto generica, riguarda

comunque, fenomeni di varia natura, ricadenti in tre distinte classi:

esplosioni fisiche, nucleari e chimiche.

Quest’ultime, derivano dalla rapida ossidazione degli elementi

combustibili (atomi di carbonio o idrogeno) contenenti l’ossigeno quale

comburente necessario alla reazione. Esse sono la classe a cui si farà

riferimento durante tutta la trattazione. Il fenomeno in sé, in ogni caso, è

caratterizzato da un’estensione temporale molto ridotta, dell’ordine decimi

o millesimi di secondi e si traduce con un’espansione dei gas prodotti che,

con una propagazione ondulatoria, si trasmettono sfericamente o

semisfericamente nel mezzo circostante. [23]

In base alla velocità del processo di combustione e delle condizioni di

innesco (concentrazione dei reattivi, elementi catalizzatori, temperatura) si

possono ottenere fenomeni profondamente diversi nella loro natura:

• Deflagrazione: I materiali interagiscono con velocità inferiori a

quella del suono. Si tratta pertanto, di una combustione subsonica con

durata nell’ordine di decimi di secondi, con i prodotti che si propagano

nel mezzo per conducibilità termica (riscaldamento per trasmissione tra

due materiali adiacenti). Il processo genera un’onda di pressione il cui

picco viene raggiunto con un incremento graduale se comparato al

processo di detonazione di cui sotto.

• Detonazione: I materiali interagiscono con una reazione esplosiva a

velocità supersonica ed autoalimentata dall’energia di reazione stessa,

con i gas a densità pressoché costante, altissima pressione e temperatura.

Si produce un’onda o fronte d’urto, a velocità supersonica, dovuto alla

rapida espansione dell’aria ed alla sua conseguente compressione.

L’espansione dalla sorgente ha una natura sferica/semisferica dalla

sorgente a seconda dell’altezza di esplosione dal suolo e con un’energia

equivalente rilasciata nettamente superiore a quella del processo

deflagrazione.

122 Definizioni dei vari fenomeni esplosivi

Tabella 18 Caratteristiche e differenze tra detonazioni e deflagrazioni.

Caratteristiche basilari Fattori influenti sulle Fattori influenti sugli

di un’esplosione: caratteristiche effetti termici e di

dell’esplosione: pressione

• • •

Lavoro e calore prodotti da Condizioni iniziali Tipologia di combustibile

una reazione chimica; delle sostanze reagenti; impiegato e forma con

cui è presente in

• • ambiente;

Rilascio improvviso di Modalità con le quali la •

energia; sostanza reattiva entra Concentrazione di

in contatto con combustibile nella

• l’ossidante e l’innesco; miscela;

Formazione di un’onda di •

pressione o di urto in Omogeneità della

•

rapido movimento; Grado di dispersione e diffusione in ambiente;

•

la miscelazione della Energia della fonte di

• sostanza reagente con

Magnitudo dell’esplosione ignizione;

l’aria; •

tale da essere Eventuale presenza di

potenzialmente pericolosa. ostacoli nell’ambiente di

• Ritardo temporale di detonazione;

innesco della miscela • Caratteristiche

esplosiva presente geometriche delle

nell’ambiente. barriere di contenimento

e delle superfici di sfogo,

ove presenti;

Deflagrazione Detonazione

• •

Innesco da un debole sorgente; Innesco da una sorgente violenta o per

• Velocità di fiamma lenta; innesco a seguito di una deflagrazione;

• •

L’onda di pressione precede il fronte di L’onda di pressione è prossima al fronte

fiamma; di fiamma; Velocità di fiamma veloce

• •

Interazione fra l’onda di pressione ed il Velocità di propagazione di fiamma

fronte di fiamma; costante;

• •

Influenza della geometria del sistema; Indipendente dalla geometria;

• •

Il movimento del gas segue il senso Assenza di movimento dei gas in

della propagazione. propagazione

• •

La velocità di deflagrazione è di alcune La velocità di detonazione è di alcuni

centinaia di metri al secondo. chilometri al secondo 123

Definizioni dei vari fenomeni esplosivi

Una visualizzazione diretta dei due fenomeni, riportata nelle figure

(fig. 71)

sotto può essere resa tramite le curve ideali della relazione

pressione - tempo, nei casi di una deflagrazione e di una detonazione in aria

;

15

libera In entrambi i casi, le pressioni sviluppate sono fortemente superiori

a quelle di un evento naturale ordinario. Presentano, tuttavia una

estensione temporale decisamente più ridotta, che va dal decimo al

millesimo di secondo. Il tempo di picco di un’onda d’urto da detonazione,

induce, chiaramente una condizione di maggior cimento per il bersaglio, e

quindi di maggior danno atteso sulle sue componenti strutturali.

fig. 71 (sinistra) Onda di pressione per deflagrazione, (destra) onda d'urto per detonazione

Un quadro riassuntivo delle possibili tipologie di esplosione si

(fig. 72),

riporta in dove si osservano le due tipologie appena trattate facenti

parte delle esplosioni chimiche per propagazione della zona reattiva.

fig. 72 Classificazione delle varie tipologie di esplosioni e delle caratteristiche associate

Vedi paragrafo relativo

15

124 Tipologie e classificazioni degli esplosivi

4.3 TIPOLOGIE E CLASSIFICAZIONI DEGLI ESPLOSIVI

Una nozione piuttosto utile per la quantificazione dei carichi

esplosivi e dell’entità della minaccia che può attingere la struttura bersaglio,

è quello sulle varie tipologie di esplosivi in commercio e come queste sono

uniformate a mezzo di approcci empirici.

4.3.1 TNT EQUIVALENTE

Una prima definizione, utile all’inquadramento del problema,

riguarda il concetto di TNT equivalente [29], grandezza introdotta per

definire un criterio di equivalenza tra gli effetti dei vari esplosivi in

commercio con quelli di una carica di TNT equivalente. L’approccio

definito originariamente in ambito militare è giustificato dall’ampia

disponibilità di dati sperimentali condotti con questo tipo di esplosivo. In

“la massa d