La mappa dei venti estremi italiani: 30 anni dopo

Le costruzioni metalliche sono notoriamente tra le più sensibili all’azione del vento, a causa della loro elevata snellezza e leggerezza, e del ridotto smorzamento strutturale. Nel 1991 G. Ballio, S. Lagomarsino, G. Piccardo e G. Solari pubblicarono su Costruzioni Metalliche i criteri, la metodologia e i risultati della mappatura dei venti estremi italiani, ottenuta sulla base delle misure in stazioni anemometriche al suolo distribuite sul territorio nazionale. La traduzione normativa di quel lavoro innovativo ha avuto un impatto straordinario sul progetto di strutture al vento, diventando patrimonio culturale comune degli ingegneri e architetti italiani ed europei. A più di trent’anni di distanza, nuovi metodi e basi dati computazionali e satellitari offrono la possibilità di riconsiderare la mappa dei venti correnti ed estremi italiani, nella prospettiva di raffinare la modellazione dai venti sinottici sin qui considerati con scale spaziali di centinaia di km a quelli alla mesoscala fino a scale spaziali di 2 km. Questo studio ha l’obiettivo di formalizzare, implementare, discutere criticamente e verificare questa prospettiva. I risultati ottenuti permettono di offrire al progettista un approccio innovativo, e uno strumento di semplice utilizzo, consistente e uniformemente esteso a tutto il territorio nazionale.

Metal structures are notoriously among the most sensitive to wind action, due to their high slender- ness and lightweight, and reduced structural damping. In 1991, G. Ballio, S. Lagomarsino, G. Pic- cardo, and G. Solari published in Costruzioni Metalliche the criteria, methodology, and results of the mapping of extreme Italian winds, based on measurements from land anemometric stations distributed throughout the national territory. The codification of such an innovative study had an extraordinary impact on the design of wind loaded structures, becoming a shared cultural heritage of the Italian and European engineers and architects. More than thirty years later, new methods, computational and satellite databases offer the possibility of reconsidering the map of current and extreme Italian winds, with the aim of refining the modeling from the synoptic winds considered so far with spatial scales of hundreds of km to those at the mesoscale down to spatial scales up to 2 km. This study aims to formalize, implement, critically discuss, and verify this perspective. The obtained results allow offering the designer an innovative approach, and an easy-to-use tool, con- sistent and uniformly extended over the whole national territory.

Contesto e obiettivo dello studio

Le strutture metalliche sono note per essere particolarmente sensibili all'azione del vento, a causa della loro elevata snellezza, leggerezza e ridotto smorzamento strutturale. I carichi di progetto indotti dal vento dipendono dal quadrato della velocità del vento: stabilire quest'ultima è determinante per valutarli adeguatamente.

Nel 1991, G. Ballio, S. Lagomarsino, G. Piccardo e G. Solari pubblicarono su Costruzioni Metalliche i criteri, il metodo e i risultati della mappatura dei venti estremi italiani, in accordo con i principi fondamentali delineati nei primi anni Sessanta da uno dei padri fondatori dell’Ingegneria del Vento, A.G. Davenport. L'approccio a due fasi ‘map-and-return’, definitivamente stabilito da Ballio et al. in, è schematizzato in Figura 1(a).

La fase di mappatura ‘map’ consiste nell'acquisizione della velocità del vento v media su 10 minuti misurata presso stazioni anemometriche locali variamente spaziate tra loro (𝐿𝑠𝑡𝑎𝑡, sua statistica e valor medio contrassegnato da “*” in Fig. 1a), la sua correzione v_c, trasformazione v_t e analisi probabilistica dei valori estremi v_ref,0. Questo processo non è necessariamente esplicitato al progettista se non nel suo esito finale codificato, ovvero la mappa nazionale del vento che raggruppa le zone climatiche, nove per l’Italia con estensione da una decina alle centinaia di km (𝐿𝑚𝑎𝑝 e sua statistica in Fig. 1a).

La seconda fase, invece, è direttamente affidata al progettista tramite il cosiddetto ‘return criterion’, al fine di ricavare dalla velocità di riferimento mappata (v_b,0) il valore di velocità di progetto (𝑣_𝑚 ), considerando le caratteristiche locali del sito di costruzione: altezza sul livello del mare, rugosità aerodinamica, orografia e distanza dalla linea di costa, altezza di riferimento della costruzione. Da un lato, questo studio innovativo rappresentò il compimento di uno sforzo di modellizzazione brillante e pionieristico per fornire uno strumento pratico di progettazione basato su misurazioni da stazioni anemometriche al suolo la cui disponibilità era relativamente limitata all'epoca, complessivamente circa 10 milioni di dati presso 69 stazioni (Fig. 1b). Dall'altro, la disseminazione su Costruzioni Metalliche e la successiva trasposizione normativa del metodo stabilito da Ballio et al. ha avuto un impatto straordinario sulla progettazione di strutture esposte al vento, diventando un patrimonio culturale condiviso degli ingegneri e architetti italiani ed europei.

Nonostante tali successi, entrambe le fasi dell'approccio ‘map-and-return’ presentano alcune criticità, già evidenziate in precedenza dagli stessi Davenport, Ballio e coautori. La risoluzione bassa e disomogenea delle stazioni di misura al suolo (𝐿_{𝑠𝑡𝑎𝑡} = √𝐴𝑖 in Fig. 1a, dove 𝐴𝑖 è l’area dell’𝑖-esimo tassello risultante dalla tassellazione di Voronoi in Fig. 1b), il loro setup variabile in tempo spesso non conforme alle disposizioni standard, la discontinuità delle serie temporali dei dati e gli errori di misurazione sono tra i difetti della mappatura.

Le criticità nella fase di ritorno riflettono indirettamente quelle in fase di mappatura, rendendosi necessaria a cura del progettista la modellazione delle specifiche caratteristiche del sito di progetto e i loro effetti sul vento. Tra queste, la valutazione soggettiva e sfidante della rugosità aerodinamica 𝑧₀, le variazioni tra le diverse categorie di terreno e i relativi valori di 𝑧₀ nei codici normativi (ad es.), e la stima degli effetti dell'orografia locale del terreno.

A più di trent’anni di distanza, vaste basi dati computazionali e satellitari e innovativi metodi di analisi offrono la possibilità di un cambiamento di paradigma nella definizione della mappa dei venti italiani correnti ed estremi. Tali metodi e dati sono stati sviluppati negli ultimi 25 anni dalla comunità scientifica della fisica dell’atmosferica. Se gli autori hanno meriti per questo studio, consistono nell'adattare una piccola parte di tale conoscenza alle esigenze dell'Ingegneria Strutturale, con l'obiettivo di perfezionare la modellazione dai venti sinottici finora considerati con scale spaziali di centinaia di km a quelli alla mesoscala fino al suo limite inferiore pari a circa 2 km.

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La presente relazione è stata presentata in occasione del XXIX Congresso CTA, svoltosi a Milano il 26 e 27 settembre 2024.