FRAGILITÀ EMPIRICHE E PARAMETRI SISMICI DI SOGLIA PER IL DANNEGGIAMENTO DI TUBAZIONI INTERRATE

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1 FRAGILITÀ EMPIRICHE E PARAMETRI SISMICI DI SOGLIA PER IL DANNEGGIAMENTO DI TUBAZIONI INTERRATE Giovanni Lanzano, Filippo Santucci de Magistris, Giovanni Fabbrocino Università degli studi del Molise Laboratorio StreGa giovanni.lanzano@unimol.it, filippo.santucci@unimol.it, giovanni.fabbrocino@unimol.it Ernesto Salzano Centro Nazionale delle Ricerche, Istituto di Ricerca sulla Combustione salzano@irc.cnr.it Sommario Le analisi per la valutazione di rischio degli impianti industriali, dette anche QRA (Quantitative Risk Analysis), traggono vantaggio dalla disponibilità di strumenti semplificati, come fragilità e valori di soglia, per la stima della vulnerabilità dei maggiori componenti. In particolare, la risposta sismica di queste strutture si colloca in un ambito di analisi NaTech (Natural Hazard Triggering Technological Accidents), che include tutti gli eventi naturali che possono produrre incidenti rilevanti e causare, a seguito del rilascio di sostanze pericolose tossiche e infiammabili, seri rischi per l ambiente circostante e la popolazione. In questa nota, sono state ricavati questi strumenti per le tubazioni sulla base di dati osservazionali, facendo riferimento a indicatori prestazionali differenti da quelli della ordinariamente riportati in letteratura. 1. Introduzione Le lifeline e gli impianti industriali sono strutture chiave per lo sviluppo sociale ed economico di una nazione moderna. Un requisito fondamentale per questi sistemi e/o reti riguarda la sua sicurezza strutturale, specialmente quando viene trattata e stoccata una quantità considerevole di materiali tossici e infiammabili. Inoltre, uno degli aspetti più rilevanti nelle analisi dei rischi risulta essere l interazione fra le istallazioni civili e industriali con gli eventi NaTech (Campedel et al., 2008; Krausman et al., 2011), ovvero la possibilità che infrastrutture di tipo tecnologico siano colpite da calamità naturali. Ciascun impianto industriale è un sistema molto complesso di strutture ed elementi interconnessi: al fine di stimare la vulnerabilità sismica dell intero impianto è necessario valutare la vulnerabilità di ciascun componente. In questa nota è esaminato il comportamento sismico delle tubazioni per il trasporto di fluidi. L analisi sismica di queste strutture si presenta, in molti casi, abbastanza complessa, in virtù dell interazione dinamica che coinvolge tre componenti distinti che interagiscono tra loro (Lanzano et al. 2013a): i) il terreno che circonda la struttura e che offre confinamento laterale; ii) la struttura stessa con le sue caratteristiche; iii) il fluido all interno con le sue proprietà fisiche. Tuttavia, in accordo con l Eurocodice 8, parte 4 (EN , 2006), gli effetti idrodinamici possono essere trascurati quando il rapporto H/R fra il livello di riempimento H e il raggio del tubo R supera il valore di 1.6; in questo caso si può assumere che il tubo si comporti come se fosse pieno e che la massa totale del fluido si muova come se fosse solidale alla struttura. In realtà, il comportamento sismico delle tubazioni, soprattutto se interrate, è sempre fortemente influenzato dalla risposta del terreno. Sulla base dell esperienza maturata durante gli eventi passati, gli effetti geotecnici legati al danneggiamento strutturale delle tubazioni possono essere divisi in due macrocategorie (O Rourke and Liu, 1999): a) Strong Grond Shaking (SGS), ovvero lo scuotimento transiente prodotto nel mezzo dal passaggio delle onde sismiche (Figure 1a); b) Ground Failure (GF),

2 che invece corrisponde alle deformazioni permanenti indotte da fenomeni di rottura del terreno. Si tratta di fenomeni sito-specifici, cioè che si verificano solo in condizioni geotecniche precise, e sono a) movimenti di faglie attive (Figure 1b), b) liquefazione (Figure 1c) e c) frane (Figure 1d). Figura 1. Aspetti geotecnici sismici relativi al danneggiamento di tubazioni interrate (Lanzano et al. 2013) 2. Metodologia La vulnerabilità sismica delle strutture è generalmente descritta attraverso curve che riportano un indicatore prestazionale in funzione di un parametro sintetico rappresentativo dell intensità sismica. Per le tubazioni in particolare, queste curve sono stimate sulla base di dati empirici (osservazionali) come Repair Rate (RR) o tasso di riparazione, ottenuto come il numero di rotture (e quindi di riparazioni) per km di tubazione (ALA, 2001). In questo lavoro viene proposta una descrizione alternativa dell indicatore prestazionale, significativo nei casi in cui l attenzione è rivolta alle conseguenze di una eventuale rottura, piuttosto che ad analisi dei costi di riparazione conseguenti ad eventi naturali eccezionali. Questo approccio è pienamente compatibile con le finalità e i metodi propri dell analisi di rischio degli impianti industriali (Quantitative Risk Analysis, QRA), che si basano sulla stima del rilascio di fluidi pericolosi dalle strutture danneggiate. In questo contesto, sono stati sviluppati strumenti speditivi per la stima della vulnerabilità sismica di serbatoi atmosferici (Salzano et al., 2003; 2009) e degli impianti di trattamento dei fluidi reflui (Panico et al., 2013). Il metodo richiede la creazione di un database ragionato di danneggiamento a tubazioni durante eventi sismici passati. Ciascun dato raccolto viene poi classificato in base a Damage State (DS) e Risk State (RS). I DS si riferiscono a livelli crescenti di danneggiamento strutturale, mentre i livelli RS si basano sui possibili effetti negativi di una perdita di contenuto sull ambiente esterno e la popolazione. DS e RS per le tubazioni sono riportati nelle Tabelle 1 e 2, anche differenziati in base al fluido trasportato. Al fine di correlare il danno strutturale e il rilascio del fluido di contenimento, è stato inoltre definito un diametro equivalente della rottura Φ. I livelli RS per le tubazioni che trasportano gas sono stati organizzati in maniera da corrispondere ai DS: RS0 corrisponde a DS0, cioè a tutti quei danni che non provocano la perdita di contenimento; RS1

3 è stato formulato ammettendo perdite limitate e distinguendo fra fluidi tossici e infiammabili; RS2 corrisponde al livello di rischio più elevato con ingenti perdite di fluidi pericolosi in un intervallo di tempo ridotto. Simili RS vengono definiti anche per le tubazioni che trasportano liquidi: RS0 ammette perdite molto limitate; RS1 contempla perdite limitate ma continue nel tempo; RS2 la perdita di tutto il fluido trasportato (completa rottura della sezione). Tabella 1. Stati di Danno (Damage States - DS) per le tubazioni. DS Livello Danno strutturale DS0 Lieve Sezioni con danni trascurabili. DS1 Significativo Rotture longitudinali e circumferenziali localizzate; compressione dei giunti. DS2 Severo Rotture per trazione; sfilamento del giunto. Tabella 2. Stati di Rischio (Risk States - RS) per le tubazioni (Φ = diametro equivalente). RS Livello Perdita di contenimento Gas/Vapori/Gas liquefatti Liquidi RS0 Nullo Nessuna perdita Perdite molto limitate RS1 Basso Perdite molto limitate di materiale: - Tossico (Φ < 1 mm/m) - Infiammabile (Φ < 10 mm/m) Limitate ma distribuite nel tempo; perdite multiple (Φ < 10 mm/m) RS2 Elevato Perdite non trascurabili Perdite estese (rottura dell intera sezione) o multiple (Φ > 10 mm/m) Facendo riferimento ai dati storici disponibili, i casi sono stati raggruppati in funzione di DS e/o RS e ordinati in funzione di un parametro sismico sintetico IM (Intensity Measure) rappresentativo del danneggiamento strutturale. Nei casi in cui i dati evidenziano la compatibilità con una distribuzione unimodale, si è fatto riferimento a una curva log-normale cumulata: P 1 lnim lnµ i i = 1 + erf (1) 2 β 2 ( DS DS or RS RS ) in cui µ e β sono rispettivamente la mediana e il parametro di forma della distribuzione che meglio interpola i dati sperimentali. L espressione (1) generalmente prende il nome di curva di fragilità e restituisce la probabilità che si verifichi un danneggiamento strutturale in funzione di un parametro indice dell evento studiato, tale che DS DS i o/e RS RS i. Successivamente, i dati così raggruppati vengono trattati secondo un analisi probit, ovvero attraverso un modello dose-risposta (Finney, 1971) inizialmente messo a punto per analisi di tipo epistemologico: la variabile di probit, Y, che rappresenta la misura della possibilità che un determinato danneggiamento (DS DSi o/e RS RSi) si verifichi in funzione di una dose, ovvero di IM. L espressione matematica è: Y = k k ln IM (2) I valori dell intercetta k 1 e delle pendenza k 2 sono detti coefficienti di probit. Quando il valore di Y è uguale 2.71, corrisponde a una probabilità praticamente nulla e il corrispondente valore della dose IM0 può essere considerato come un valore di soglia per il danneggiamento strutturale. 3. Risultati I dati raccolti sono circa 400 e si riferiscono a 22 eventi sismici tra il 1906 e il 2011 (Lanzano et al. 2013a). Tutti i dati sono stati divisi in cinque classi, tali che possano essere considerate significative per la costruzione delle curve di fragilità, sulla base di elementi tecnologici, geotecnici e strutturali: a) tubazioni fuori-terra (AP, 16%); b) tubazioni interrate continue sottoposte a deformazioni transient (CP-SGS 33%); c) tubazioni interrate continue sottoposte a deformazioni permanenti (CP-GF, 21%); d) tubazioni interrate segmentate sottoposte a deformazioni transienti (SP-SGS, 7%); e) tubazioni interrate segmentate sottoposte a deformazioni permanenti (CP-GF, 21%).

4 Gli aspetti strutturali, trattati da HAZUS (FEMA, 1999) e usati per la divisione in gruppi, sono illustrati nella Tabella 3 e sono legati, direttamente o indirettamente, alla natura del fluido trasportato: si tratta di tubazioni continue duttili (CP), che generalmente trasportano gas e materiali pericolosi, e tubazioni segmentate fragili (SP), che trasportano acqua e fluidi reflui. Tabella 3. Aspetti strutturali relative al comportamento sismico delle tubazioni. Tubazioni Uso Materiali Giunti Meccanismi di danneggiamento Continue (CP) Segmentate (SP) Gas naturale Petrolio Acqua Acqua Reflui Acciaio Polietilene (HDPE) Polivinilcloruro (PVC) Ghisa sferoidale Cemento armato, Ghisa grigia, Cemento amianto, PVC, Gres Saldati, meccanici, flangiati, sismici A bicchiere, guarnizione elastomerica Trazione e compressione nel corpo della tubazione, flessione locale ed euleriana Sfilamento del giunto, rottura per compressione del giunto, rotture flessionali e circonferenziali del giunto o del corpo della tubazione L importanza degli aspetti geotecnici nella divisione in classi omogenee risiede soprattutto nella scelta del parametro sismico di riferimento per la costruzione delle fragilità. Secondo l approccio semplificato di Newmark (1967), le deformazioni transienti indotte dalle onde S possono essere valutate in base alla velocità di picco PGV; la deformazione permanente dei GF possono essere, direttamente o indirettamente, correlati all accelerazione di picco PGA (Lanzano et al., 2013b). I parametri di fragilità µ e β sono stati ottenuti come RS per tutte le classi relative alle tubazioni interrate (b, c, d, e) e sono riportati nelle Tabelle 4 e 5; l andamento delle curve è mostrato nella Figura 3. Viene riportato inoltre il valore di soglia ottenuto dall analisi probit. Tabella 4. Parametri di fragilità and soglie per tubazioni interrate sottoposte a SGS. IM = PGV (cm/s). Aspetti Classe Fragilità Soglia, IM 0 strutturali Risk state, RS µ (cm/s) β (cm/s) CP RS CP = RS SP RS Tabella 5. Parametri di fragilità and soglie per tubazioni interrate sottoposte a GF. IM = PGV (g). Aspetti Classe Fragilità Soglia, IM 0 strutturali Risk state, RS µ (g) β (g) CP RS CP = RS SP RS SP = RS Limit state probability (%) (a) PGV (cm/s) PGA (g) Figura 2. Curve di fragilità per tubazioni interrate sottoposte a deformazioni transienti SGS (a) e permanenti GF (b), in termini di probabilità di superamento di un dato RS (%) (( CP RS RS1; $ CP RS=RS2; + SP RS RS1;. SP RS=RS2). (b)

5 Nel caso delle tubazioni SP sotto deformazioni transienti, il numero di casi è limitato ed il coefficiente di correlazione è più basso di quelli ottenuti per gli altri raggruppamenti (R 2 >0.9); in particolare, per il caso di RS=RS2, non è stato possibile individuare una distribuzione capace di interpolare in maniera efficace i dati. Inoltre, le fragilità per i GF, ottenute per RS RS1 e RS=RS2, sono praticamente coincidenti fra di loro. Ciò accade presumibilmente perchè i dati di RS=RS1 non sono significativi per la stima della fragilità. Questa tendenza appare in accordo con le indicazioni di HAZUS, le quali evidenziano che circa l 80% delle rotture per GF presentano ingenti danneggiamenti (breaks), mentre solo il 20% danni lievi (leaks). Coerentemente con la risposta sismica di queste strutture, i valori di µ per le tubazioni segmentate sono inferiori a quelli corrispondenti delle continue; i valori di β sono più elevati per SGS piuttosto che per i casi di GF. I valori di soglia per SP sottoposte a deformazioni transienti sono piuttosto bassi (5.5 cm/s) rispetto a quelli per CP (17 cm/s). Nel secondo caso, la differenza fra i due livelli RS è di circa 10 cm/s. Le soglie RS2 per GF, invece, si incrementano da 0.14g per le tubazioni segmentate, a 0.2g per quelle continue. Poiché il dataset di CP-SGS è il più ampio (33%, circa 130 dati), sono state considerate classi di fragilità aggiuntive, basate sulla variabilità di un parametro geometrico fondamentale: sono state considerate tubazioni di piccolo diametro (distribuzione, D < 400 mm) e grande diametro (trasporto, D 400 mm) secondo gli standard delle tubazioni per il trasporto del gas naturale (EN , 2009). I risultati sono forniti in Tabella 6 e Figura 5 (Lanzano et al., 2013c). Tabella 6. Parametri di fragilità and soglie per CP-SGS in funzione del diametro D. Diametro Risk state Fragilità Soglia, IM 0 D RS µ (cm/s) β (cm/s) <400 mm RS <400 mm = RS mm RS mm = RS Figura 3. Curve di fragilità per CP-SGS al variare del diametro D della tubazione. I parametri di fragilità e la soglia per le tubazioni di grande diametro e RS RS2 risultano meno affidabili a causa del limitato numero di dati disponibili. In alternativa, in questo caso, si possono usare i parametri derivati all intero set di dati CP-SGS (Tabella 4). Anche per le tubazioni di piccolo diametro, come per l intero set di dati, la differenza fra le soglie è di circa 10 cm/s; inoltre, il valore IM 0 di CP-SGS è correttamente incluso, come valore medio, nel campo di valori di soglia RS RS1 delle piccole e grandi tubazioni. 4. Conclusioni In questa nota, sono brevemente discussi alcuni aspetti rilevanti della vulnerabilità sismica delle

6 tubazioni interrate. Da quanto emerge, questo tema può essere affrontato utilmente attraverso una raccolta di danni -documentati- sofferti da tubazioni durante i terremoti passati. Ciascun dato è stato analizzato facendo riferimento a parametri di natura tecnologica e prestazionale e in funzione della sua interazione col terreno. L obiettivo finale è stato quello di fornire ai ricercatori e ai progettisti dei parametri sintetici per valutazioni speditive di rischio per opere civili e industriali. Si tratta di curve di fragilità e valori di soglia basati su un indice prestazionale differente da quelli utilizzati nella letteratura tecnica di ambito strutturale e geotecnico. Inoltre, le soglie possono essere utili ai fini progettuali e di verifica di queste opere: infatti essi possono essere considerate come parametri di resistenza intrinseca, poiché possono essere definite come il valore limite del parametro sismico di riferimento al di sotto del quale la probabilità di danneggiamento è tecnicamente nulla. 5. Ringraziamenti Gli autori desiderano ringraziare il Consorzio ReLUIS per il supporto scientifico ed economico nell ambito del progetto ReLUIS 2 ( ). Inoltre ringraziano il coordinatore del macrotema geotecnico MT.1 Analisi di risposta sismica locale e lifelines, Prof. Francesco Silvestri, e il coordinatore della Linea di Ricerca 2.2 Valutazione della vulnerabilità e del rischio sismico dei sistemi speciali, Prof. Edoardo Cosenza. Bibliografia ALA, American Lifeline Alliance, Seismic fragility formulations for water system, American Society of Civil Engineers (ASCE) and Federal Emergency Management Agency (FEMA), Campedel M., Cozzani V., Garcia-Agreda A. and Salzano E.; 2008: Extending the Quantitative Assessment of Industrial Risks to Earthquake Effects, Risk Analysis, 28, 5, EN (2006). Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance Part 4: Silos, tanks and pipelines. CEN European Committee for Standardization. FEMA; 1999: Earthquake Loss Estimation Methodology. National Institute of Building Sciences, prepared by Risk Management Solutions, Menlo Park, CA, USA. Finney D. J.; 1971: Probit analysis. Cambridge University Press, Cambridge, UK. Krausmann E., Cozzani V., Salzano E., and Renni E.; 2011: Industrial accidents triggered by natural hazards: an emerging risk issue, Natural Hazards and Earth System Sciences, 11, Lanzano G., Santucci de Magistris F., Fabbrocino G., Salzano E. (2013a), Integrated approach to the seismic vulnerability assessment of industrial underground equipment and pipelines. Bollettino di Geofisica Teorica e Applicata, in press, DOI: /bgta0095. Lanzano G., Salzano E., Santucci de Magistris F., Fabbrocino G. (2013b), Seismic vulnerability of gas and liquid buried pipelines. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, in press, DOI: /j.jlp Lanzano G., Salzano E., Santucci de Magistris F., Fabbrocino G. (2013c), Seismic vulnerability of natural gas pipelines. Reliability Engineering & System Safety, 117, 73-80, DOI: /j.ress Newmark N. M.; 1967: Problems in wave propagation in soil and rocks. Proc. Int. Symp. On Wave Propagation and Dynamic Properties of Earth Materials, University of New Mexico Press, O Rourke M.J. and Liu X.; 1999: Response of Buried Pipelines Subjected to Earthquake Effects. MCEER Monograph, 3, University of New York Buffalo, 249 pp. Panico A., Lanzano G., Salzano E., Santucci de Magistris F., Fabbrocino G. (2013), Seismic Vulnerability of Wastewater Treatment Plants. Chemical Engineering Transactions, 32, 13-18, DOI: /CET Salzano E., Garcia Agreda, A., Di Carluccio A. and Fabbrocino G.; 2009: Risk assessment and early warning systems for industrial facilities in seismic zones, Reliability Engineering & Systems Safety, 94, Salzano E., Iervolino I. and Fabbrocino G.; 2003: Seismic risk of atmospheric storage tanks in the frame work of quantitative risk analysis. J. of Loss Prevention in the Process Industry, 16, EN 10208, 2009: Steel pipes for pipelines for combustible fluids - Technical delivery conditions - Part 1: Pipes of requirement class A. European Community Standards.