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: Candidato:

Prof. Ing Guido Camata

Correlatori: Simone Pistilli

Ing Phd Marco Terrenzi Mat. 3217083

Ing. Phd Massimo Petracca

A.A. 2022-2023 1

Il cigno nero dell’ingegneria civile

2 Il cigno nero dell’ingegneria civile

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. 3

Il cigno nero dell’ingegneria civile

4 Il cigno nero dell’ingegneria civile

ABSTRACT

Many of the more well-known collapse events of the last 50 years

such as the collaspe 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. 5

Il cigno nero dell’ingegneria civile

Sommario

1 INTRODUZIONE 12

1.1 I ’ 14

L CIGNO NERO DELL INGEGNERIA CIVILE

2 TEORIA DEL COLLASSO PROGRESSIVO SU EDIFICI A TELAIO 18

2.1 R T 20

ONAN POINT OWER

2.2 P 23

RIME DEFINIZIONI CONCETTUALI

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 T 30

IPOLOGIE DI COLLASSO PROGRESSIVO E MECCANISMI RESISTENTI

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 T 54

EST SPERIMETALI E ANALISI NUMERICHE

2.4.1 Test sperimentali 54

2.4.2 Test sperimentali sulle esplosioni 57

2.4.3 Tecniche di analisi numerica 59

2.5 M 65

ITIGAZIONE DEL RISCHIO DI COLLASSO PROGRESSIVO

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 M 72

ETODI DI PROGETTO DIRETTI E INDIRETTI

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 G 82

ENESI DELLE PRESCRIZIONI NORMATIVE SUL COLLASSO PROGRESSIVO

3 ANALISI FEM COMPARATIVA SU UN EDIFICIO IN SCALA AL VERO

86

3.1 D 89

ESCRIZIONE DELLA STRUTTURA

3.1.1 Sistema di monitoraggio 92

3.1.2 Simulazione dello scenario critico 93

3.2 M 95

ODELLAZIONE NUMERICA DELLA STRUTTURA

3.2.1 Modello originale Abaqus FEA 95

3.2.2 Analisi dello scenario di rimozione 96

6 Il cigno nero dell’ingegneria civile

3.3 M O STKO 97

ODELLO PENSEES

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

3.4 105

RISULTATI DEL TEST SU SCALA REALE

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 V 108

ALIDAZIONE DEL MODELLO E CONFRONTO DEI RISULTATI

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 I 120

NTRODUZIONE

4.2 D 122

EFINIZIONI DEI VARI FENOMENI ESPLOSIVI

4.3 T 125

IPOLOGIE E CLASSIFICAZIONI DEGLI ESPLOSIVI

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 C ’ 133

ARATTERISTICHE DI UN ONDA D URTO IDEALE

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 T 141

IPOLOGIE DI ESPLOSIONI NON CONFINATE

4.5.1 Esplosioni di tipo far field e near field 141

4.5.2 esplosioni a diverse altezze dal suolo 143

4.6 I 144

NTERAZIONE CON LE SUPERFICI

4.6.1 Free air burst 147

4.6.2 Esplosioni in aria (Air burst) 149

4.6.3 Surface burst 151

4.7 D 153

ESCRIZIONE ANALITICA DEL FENOMENO

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

7

Il cigno nero dell’ingegneria civile

4.8 E 169

FFETTI E DANNI SULLE STRUTTURE

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 D 187

ANNI DA ESPLOSIONE E CRITERI DI ROTTURA

4.9.1 Tipiche modalità di danno delle colonne in cls 190

4.10 E 196

VENTI DI RIFERIMENTO

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 I ’

NQUADRAMENTO 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 M O 221

ODELLAZIONE NUMERICA IN PENSEES

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 S 242

CENARI DI MINACCIA E CARICHI ESPLOSIVI

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 R 254

ISULTATI DELLA RISPOSTA AL COLLASSO PROGRESSIVO

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 R 294

ISPOSTA GLOBALE ALLA DETONAZIONE DI UNA CARICA ESPLOSIVA

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

8 Il cigno nero dell’ingegneria civile

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

5.6 A 318

NALISI PARAMETRICA PER COLLASSO PROGRESSIVO

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 meccancia 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 meccancia 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 Q 335

UANTIFICAZIONE DELLA ROBUSTEZZA

6.2 C F 336

ONSIDERAZIONI INALI

7 RIFERIMENTI 342

9

Il cigno nero dell’ingegneria civile

10 Il cigno nero dell’ingegneria civile

11

Il cigno nero dell’ingegneria civile 1 INTRODUZIONE

12 Il cigno nero dell’ingegneria civile

13

Il cigno nero dell’ingegneria civile

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 consequece 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

14 Il cigno nero dell’ingegneria civile

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