FMECA per la sicurezza delle gallerie autostradali: metodologia e benefici nella progettazione degli interventi di ammodernamento

La rete di Autostrade per l’Italia

L’Italia possiede un sistema di trasporto diffuso e complesso, principalmente in ragione della sua geografia e orografia. Movimentare persone e beni nel modo più sicuro, efficiente e veloce è oggi ancora più strategico e cruciale. Il trasporto su gomma è stato storicamente il più adottato ed è in questo scenario che Autostrade per l’Italia, principale concessionario del paese, si pone l’obiettivo di incrementare la resilienza della rete, per fornire un servizio che minimizzi progressivamente le interruzioni e garantisca un elevato livello qualitativo.

Autostrade per l’Italia gestisce oltre 3.000 km di infrastruttura autostradale estesa su 15 regioni, più di 4 200 ponti e viadotti e circa 600 gallerie (367 km in sotterraneo, Figura 1).

Le gallerie della rete sono per il 70% costruite prima del 1980, utilizzando tecniche e tecnologie oggi obsolete, con rivestimenti prevalentemente non armati e sistematicamente sprovvisti di un sistema di impermeabilizzazione. Per asset infrastrutturali di tale rilevanza non è tipicamente prevista una fase di decommissioning: la loro vita nominale di progetto viene garantita tramite interventi di manutenzione ed estesa tramite interventi di ammodernamento.

Nella gestione di un asset composto da circa 600 gallerie, un metodo per indirizzare e priorizzare le strategie di intervento, le risorse economiche e di persone, risulta di fondamentale importanza.

Nell’agosto 2022 sono state emanate le Linee Guida per la Classificazione e Gestione del Rischio, la Valutazione della Sicurezza ed il Monitoraggio delle Gallerie esistenti (di seguito LLGG), un importante riferimento del settore che, secondo gli autori, può essere affiancato da metodologie di comprovata validità che ne facilitino l’applicazione.
Si vuole presentare nel seguito l’applicazione della metodologia FMECA (Failure Mode, Effects and Criticality Analysis) alle gallerie esistenti, come supporto alle valutazioni accurate della sicurezza e per l’indirizzo e la priorizzazione delle strategie di intervento di manutenzione e ammodernamento.

La FMECA

Come nasce la Failure Modes, Effects and Criticality Analysis

La gestione dei rischi rappresenta una componente fondamentale nella progettazione, gestione e manutenzione di sistemi tecnologici avanzati, dove sicurezza, affidabilità e performance sono fattori determinanti. In questo contesto, la FMECA si è affermata storicamente come uno strumento essenziale per l'identificazione e la valutazione dei potenziali guasti all'interno di un sistema, permettendo di anticipare e mitigare i rischi associati. La FMECA si basa su un'analisi approfondita delle modalità di guasto, dei loro effetti e della criticità relativa di ciascun guasto, fornendo una valutazione qualitativa e quantitativa dei rischi associati.

La FMECA ha origini che risalgono agli anni '40, sviluppata inizialmente nell’ambito della progettazione di sistemi militari, con lo scopo di garantire l'affidabilità delle apparecchiature destinate a missioni critiche. Successivamente, la FMECA è stata estesa anche ad altri settori industriali, come l’automotive, l’aerospaziale (e.g. progetto spaziale Apollo), l'energia e l'industria chimica, dove la sicurezza e l’affidabilità dei sistemi sono particolarmente rilevanti. L’analisi, come descritta all’interno della norma CEI EN 60812:2018 – Standard internazionale sviluppato dalla Commissione Elettrotecnica Internazionale, si compone delle due parti FMEA (Failure Mode Analysis + Effect Analysis) per l’identificazione delle potenziali modalità di guasto e la determinazione degli effetti sul sistema, e CA (Criticality Analysis) per la definizione delle modalità più critiche.

La FMECA, infatti, non si limita alla semplice identificazione delle modalità di guasto, ma integra una valutazione della loro severità, della probabilità di occorrenza e della capacità di rilevamento. Questi fattori vengono combinati per calcolare un indice di criticità (Risk Priority Number, di seguito RPN), che aiuta a priorizzare gli interventi di manutenzione e prevenzione. In tal modo, la FMECA consente di adottare un approccio proattivo nella gestione dei rischi, migliorando la sicurezza operativa, riducendo i costi di manutenzione e ottimizzando l'affidabilità dei sistemi.

L'applicazione della FMECA ha dimostrato di essere particolarmente utile in ambiti ad alta tecnologia, come l'industria aerospaziale (e.g. per la progettazione di veicoli spaziali e satelliti), nell’automotive (e.g. per l’affidabilità dei veicoli) e nell'energia (e.g. sistemi nucleari, centrali elettriche). Negli ultimi anni, la metodologia ha trovato applicazione anche nell'industria 4.0, integrando analisi predittive basate su Big Data e intelligenza artificiale.

L’estensione della FMECA alle gallerie esistenti

La FMECA può, in linea teorica, essere utilizzata anche sugli asset infrastrutturali, quindi anche alle gallerie, a patto di identificare tutti i componenti suscettibili di guasto (di seguito failure) del sistema, in accordo al flusso logico di Figura 2. Nello specifico, per “guasto” si deve intendere ogni evento che produca un livello di prestazione della galleria incompatibile con il livello di servizio, rispetto a quello per cui era stata originariamente progettata.

L’estensione del metodo richiede, in ogni fase, la partecipazione di esperti del settore per:

1. l’identificazione degli elementi caratteristici del sistema ad un livello di dettaglio coerente con le finalità di analisi;
2. l’individuazione dei meccanismi di failure che hanno un impatto più o meno significativo sulle performance del sistema;
3. l’individuazione delle cause scatenanti e degli effetti sull’esercizio;
4. valutazione di severità, probabilità e identificabilità per il calcolo del RPN.

La metodologia viene qui presentata con estensione all’ambito strutturale delle gallerie con rivestimenti definitivi in calcestruzzo non armato (la grande maggioranza delle gallerie esistenti sulla rete Autostrade per l’Italia, ca. 60% del totale), ma può, in linea teorica, essere estesa alle altre tipologie costruttive, rivalutando elementi caratteristici e meccanismi di failure tipici per le tecniche ed i materiali delle gallerie in muratura, elementi prefabbricati, calcestruzzo proiettato.

L’impianto normativo di riferimento

La gestione degli asset infrastrutturali sta cambiando nel tempo grazie anche alla pubblicazione di normative specifiche di settore (LLGG), che si affiancano alla normativa tecnica sulle costruzioni (NTC 2018) con l’obiettivo di agevolare i gestori di infrastrutture e gli operatori di settore nella valutazione del rischio e nelle analisi preliminari ed accurate della sicurezza.

Le LLGG forniscono, tramite un approccio multilivello, il metodo per la valutazione di rischio semplificata o Classe di Attenzione (di seguito CdA) delle gallerie (Livello 2), che parte dalla raccolta su base documentale delle informazioni di dettaglio che caratterizzano l’asset (Livello 0) e dallo stato di consistenza dell’asset mediante ispezione inziale (Livello 1).

La determinazione delle CdA permette la successiva attivazione e priorizzazione di ispezioni e indagini approfondite dell’opera, sugli esiti delle quali sviluppare valutazioni preliminari (Livello 3) ed accurate (Livello 4) della sicurezza, il cui scopo è rispettivamente la rivalutazione della CdA e la definizione di eventuali misure di intervento/monitoraggio in galleria.

È in questa fase di Livello 4 che gli autori ritengono possa essere utile l’introduzione della FMECA, sia per l’indirizzo alla strategia di intervento (da svilupparsi dettagliatamente poi in sede di progettazione esecutiva), che per una valutazione della priorità con cui la fase di progettazione degli interventi dovrà essere attivata. La metodologia, inoltre, nella fase di Livello 2 si inserisce perfettamente nelle logiche di gestione estesa all’intero asset, permettendo la definizione preliminare della strategia di intervento su ogni galleria e conseguentemente la stima degli associati costi e tempi di realizzazione.

La FMECA diventa quindi uno strumento di supporto sia per il gestore nella pianificazione degli interventi di manutenzione e ammodernamento, che per il tecnico incaricato delle valutazioni della sicurezza e della progettazione degli interventi.

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