Resistenza delle pareti in muratura alle esplosioni dovute a fughe di gas

Una grande percentuale della popolazione mondiale vive in edifici costruiti in muratura portante. La muratura è particolarmente vulnerabile a carichi di natura dinamica (terremoti, impatti, esplosioni, etc.). La vulnerabilità delle strutture in muratura per effetto di carichi dinamici è considerata una grande criticità a causa del rischio di perdita di vite e soprattutto della possibilità di collassi progressivi.
Le norme tecniche nazionali per le costruzioni non richiedono che una struttura possa resistere a tutte le azioni indotte da carichi eccezionali, ma piuttosto raccomandano che la struttura abbia un livello accettabile di robustezza tale da evitare danni sproporzionati rispetto alle azioni. In particolare, vengono considerati accettabili, i danneggiamenti localizzati, anche gravi, dovuti ad esplosioni a condizione che l’edificio non venga esposto a pericolo di crollo globale o che la capacità portante dello stesso sia mantenuta per un tempo sufficiente ad adottare le necessarie misure di emergenza, come per esempio l’evacuazione dell’edificio.
Nei luoghi ad alto rischio di esplosioni (ad esempio quelli delle industrie chimiche) le norme indicano alcune misure di mitigazione del rischio, come l’adozione di superfici di facile cedimento negli elementi di chiusura dell’involucro edilizio (venting), la separazione dell’edificio a rischio d’esplosione da altri oppure l’adozione di specifici elementi protettivi.
Di contro, le cronache quotidiane pongono l’attenzione della società sulla sicurezza degli edifici residenziali nei riguardi delle esplosioni dovute a fughe di gas, che si manifestano come deflagrazioni. Tuttavia, questa tematica non è stata ancora affrontata in dettaglio nel campo dell’ingegneria strutturale. E’ in tale ambito che si inserisce l’attività di ricerca teorica discussa nel seguito e illustrata in dettaglio anche in [1].

Ad oggi, sono pochi gli studi sperimentali e numerici che affrontano tali problematiche per le murature portanti in tufo, pietra calcarea, terra cruda (adobe), etc. In campo europeo, la normativa di riferimento per la valutazione degli effetti delle esplosioni in ambienti confinati è l’Eurocodice 1 - Parte 1-7 [2], che è stato anche parzialmente recepito dall’attuale normativa italiana [3]. La carenza di campagne sperimentali a riguardo è da attribuire principalmente agli enormi oneri per la realizzazione delle prove, ai tempi lunghi di preparazione, ma anche alle particolari condizioni di sicurezza richiesti dai test esplosivi. La modellazione agli elementi finiti rappresenta, quindi, un’importante soluzione per il futuro di tale ricerca, data la sua versatilità e velocità nel perseguimento dei risultati.
In questo lavoro, le analisi numeriche sono state condotte mediante l’utilizzo del software agli elementi finiti LS-DYNA [4], note le sue potenzialità nel simulare problemi di dinamica veloce e fenomeni di natura impulsiva come le esplosioni. L’approccio metodologico impiegato per descrivere analiticamente il comportamento meccanico della muratura è quella della macro-modellazione, in cui il reale assemblaggio murario viene semplificato in un materiale omogeneo equivalente dotato di una propria legge costitutiva.

Attraverso le simulazioni numeriche di alcuni casi studio in seguito definiti, sono state costruite per punti le curve che definiscono le combinazioni di pressione e impulso (P–I) capaci di causare il collasso delle pareti murarie fuori dal proprio piano. Tali curve sono denominate “diagrammi pressione–impulso” e permettono di eseguire facilmente la verifica di sicurezza delle pareti sottoposte a determinati scenari esplosivi. Inizialmente sono stati considerati due modelli meccanici differenti che supponevano un materiale omogeneo equivalente in un caso rigido e nell’altro di tipo elastico. Per quest’ultimo caso si è scelto di indagare l’influenza di alcuni parametri come la snellezza trasversale della parete, le proprietà meccaniche della muratura e il rapporto tra la tensione media di compressione e la resistenza a compressione della muratura (anche denominato “rapporto sollecitazione-resistenza” o “rapporto domanda-capacità”).

Le analisi parametriche condotte dagli autori hanno consentito di valutare l’influenza di tali parametri sui diagrammi pressione–impulso, identificando per questi ultimi un andamento prossimo a quello di un’iperbole. E’ stato inoltre utile eseguire una comparazione fra i risultati numerici forniti dalle analisi dinamiche e le stime di capacità portante laterale delle pareti ottenibili attraverso alcune formulazioni analitiche presenti in letteratura.