Verifica sismica degli asset strategici e R.I.R.: quali periodi di ritorno adottare?

Quando si parla di verifica sismica di edifici esistenti, così come della progettazione di nuove strutture, il riferimento normativo principale è rappresentato dalle NTC 2018, che introducono gli stati limite sismici associati agli Stati Limite di Esercizio (SLE) e agli Stati Limite Ultimi (SLU).

In particolare, per l’azione sismica vengono definiti i seguenti stati limite (rif. NTC 2018 § 3.2.1):

• Stato Limite di Operatività (SLO): a seguito del terremoto la costruzione nel suo complesso, includendo gli elementi strutturali, quelli non strutturali e le apparecchiature rilevanti in relazione alla sua funzione, non deve subire danni ed interruzioni d’uso significativi;
• Stato Limite di Danno (SLD): a seguito del terremoto la costruzione nel suo complesso, includendo gli elementi strutturali, quelli non strutturali e le apparecchiature rilevanti alla sua funzione, subisce danni tali da non mettere a rischio gli utenti e da non compromettere significativamente la capacità di resistenza e di rigidezza nei confronti delle azioni verticali ed orizzontali, mantenendosi immediatamente utilizzabile pur nell’interruzione d’uso di parte delle apparecchiature.
• Stato Limite di salvaguardia della Vita (SLV): a seguito del terremoto la costruzione subisce rotture e crolli dei componenti non strutturali ed impiantistici e significativi danni dei componenti strutturali cui si associa una perdita significativa di rigidezza nei confronti delle azioni orizzontali; la costruzione conserva invece una parte della resistenza e rigidezza per azioni verticali e un margine di sicurezza nei confronti del collasso per azioni sismiche orizzontali;
• Stato Limite di prevenzione del Collasso (SLC): a seguito del terremoto la costruzione subisce gravi rotture e crolli dei componenti non strutturali ed impiantistici e danni molto gravi dei componenti strutturali; la costruzione conserva ancora un margine di sicurezza per azioni verticali ed un esiguo margine di sicurezza nei confronti del collasso per azioni orizzontali. 

Periodo di riferimento e classe d’uso

Le azioni sismiche vengono determinate in funzione del periodo di riferimento per l’azione sismica VR (vedi NTC 2018 § 2.4.3.), calcolato come:

VR = VN * cu

dove:

• VN è la vita nominale della costruzione
• cu è il coefficiente d’uso associato alla classe d’uso della costruzione.

Il coefficiente cu varia in funzione dell’importanza dell’opera e delle conseguenze associate al suo eventuale collasso.

Per edifici industriali ordinari, il coefficiente è tipicamente pari a 1, mentre per costruzioni con funzioni strategiche o rilevanti può arrivare fino a 2 (classe d’uso IV), vedi NTC 2018 Tab. 2.4.II. Tuttavia, per costruzioni a servizio di attività a rischio di incidente rilevante, le stesse NTC prevedono esplicitamente la possibilità di adottare valori di CU anche superiori a 2, in relazione alle conseguenze sull’ambiente e sulla pubblica incolumità determinate dal raggiungimento degli stati limite.

Questo aspetto è richiamato anche dalla UNI/TS 11816-1, che sottolinea come, per strutture il cui collasso possa generare incidenti rilevanti, il gestore possa adottare valori cautelativi anche pari a CU = 2,5 (vedi nota a piè di pagina).

Effetto della classe d’uso sull’azione sismica

Ma cosa succede quando l’asset non è un edificio “ordinario”, bensì un impianto con inventari significativi di sostanze pericolose? Spesso i valori di input sismico diventano molto rilevanti. L’aumento del coefficiente d’uso comporta infatti un aumento del periodo di riferimento VR e, di conseguenza, del periodo di ritorno dell’evento sismico di progetto.

Nel grafico seguente sono confrontati gli spettri di risposta elastici per lo stesso sito (Brescia) e le stesse condizioni al contorno, variando il coefficiente cu.

Nel caso analizzato:

Curva blu

• VN = 50 anni – CU = 1
• VR = 50 anni
• Periodo di ritorno SLU ≈ 475 anni

Curva arancione

• VN = 50 anni – CU = 2
• VR = 100 anni
• Periodo di ritorno SLU ≈ 949 anni
• Δ ag ≈ +24%

Curva verde

• VN = 50 anni – CU = 2,5
• VR = 125 anni
• Periodo di ritorno SLU ≈ 1186 anni
• Δ ag ≈ +31%

Il valore Δag è riferito al plateau dello spettro elastico rispetto al caso cu = 1.

Questi numeri mostrano come la scelta della classe d’uso non sia un dettaglio formale, ma abbia un impatto diretto sulla severità dell’azione sismica di progetto.

Ma cosa succede quando l’asset non è un edificio ordinario?

Il quadro cambia radicalmente quando la struttura ospita inventari significativi di sostanze pericolose o sistemi in pressione. In questi casi, l’obiettivo della verifica sismica non può limitarsi alla salvaguardia della vita degli occupanti, ma deve considerare anche il rischio di:

• perdita di contenimento,
• rilascio di sostanze pericolose,
• incendi o esplosioni,
• effetti domino.

Ed è proprio in questo contesto che diventa interessante il confronto con l’approccio adottato in altri settori industriali.

UNI EN 1473: OBE e SSE

La norma UNI EN 1473:2021 “Installazioni ed equipaggiamenti per il gas naturale liquefatto – Progettazione delle installazioni a terra” è la norma che definisce le linee guida per la progettazione, la costruzione e l’esercizio di tutte le installazioni a terra per il gas naturale liquefatto (GNL), comprese quelle per la liquefazione, lo stoccaggio, la gassificazione, il trasporto e la movimentazione del GNL. La norma è applicabile agli impianti con capacità di stoccaggio di GNL maggiore di 200 t.

La norma UNI EN 1473:2021 introduce un approccio differente rispetto alla classica impostazione SLE/SLU delle NTC.

In questo caso vengono definiti due livelli di evento sismico:

• OBE – Operating Basis Earthquake: terremoto massimo per il quale non si verificano danni e l’impianto può riprendere e continuare l’esercizio in sicurezza.

Questo evento, con probabilità di accadimento più elevata, non comporta perdite commerciali per l’impianto e garantisce la sicurezza pubblica. Rappresenta l’evento sismico per il quale l’impianto deve rimanere operativo senza interruzioni significative.

• SSE – Safe Shutdown Earthquake: terremoto massimo per il quale le funzioni e i meccanismi essenziali di sicurezza (fail-safe) sono progettati per essere mantenuti operativi.

Per questo evento, con probabilità di accadimento più bassa, possono essere previsti danni permanenti, ma senza perdita dell’integrità complessiva e del contenimento. L’impianto non rimarrebbe in servizio continuo senza una valutazione strutturale dettagliata allo stato limite ultimo.

Il SSE rappresenta l’evento sismico per il quale devono essere garantiti:

• integrità strutturale
• contenimento delle sostanze
• arresto sicuro dell’impianto.

Per le indicazioni della norma citata, OBE e SSE devono essere determinati con approccio probabilistico, come quegli eventi che producono movimenti del terreno con tempo medio di ritorno minimo di 4975 anni per l’SSE e di 475 anni per l’OBE.

Sia l’OBE che l’SSE definiscono specifici limiti prestazionali per eventi sismici di severità crescente, come definito al punto 7.2.7 della norma UNI EN 1473:2021.

Non si tratta solo di un aumento numerico dell’intensità del sisma di progetto, ma di un cambio di obiettivo progettuale: non più soltanto evitare il collasso dell’edificio, ma ridurre il rischio di perdita di contenimento.

Un edificio progettato allo SLV può infatti:

• subire deformazioni significative,
• riportare danni diffusi,
• perdere la funzionalità di parte degli impianti,
• pur restando formalmente conforme alla norma.

In un impianto a rischio di incidente rilevante, questo scenario potrebbe non essere accettabile.

Il problema negli stabilimenti Seveso

Negli stabilimenti a rischio di incidente rilevante si trovano spesso:

• edifici progettati a SLV (≈475 anni) o poco più,
• assenza di una classificazione sismica degli asset impiantistici,
• piping e apparecchiature non qualificati sismicamente,
• nessuna definizione di un evento di Safe Shutdown Earthquake aziendale.

Eppure gli inventari di questi item presenti possono includere:

• grandi quantità di sostanze infiammabili,
• fluidi criogenici,
• sostanze tossiche,
• sistemi in pressione.

La domanda da porsi diventa quindi la seguente: è coerente utilizzare un periodo di ritorno di 475–949 anni per un impianto che, in caso di perdita di contenimento, potrebbe generare effetti domino e impatti esterni rilevanti?

Se il settore LNG adotta valori dei periodi di ritorno così elevati per garantire contenimento e arresto sicuro, il divario rispetto a molti impianti industriali esistenti appare evidente.

Il terremoto come innesco NaTech

Il terremoto non è solo un’azione sulle strutture, ma può diventare l’innesco di un evento NaTech (Natural Hazard Triggering Technological Disaster) attraverso:

• rottura di piping,
• cedimento di ancoraggi,
• perdita di tenuta di serbatoi,
• indisponibilità dei sistemi di emergenza,
• collasso di scaffalature contenenti sostanze pericolose.

Un impianto progettato allo SLV può risultare formalmente sicuro per le persone, ma non necessariamente sicuro per:

• l’ambiente,
• la continuità operativa,
• il territorio circostante.

Per il gestore di uno stabilimento, nello spirito anche della UNI/TS 11816-1, la domanda non dovrebbe essere semplicemente “Siamo conformi alle norme?”, ma piuttosto dovrebbe chiedersi:

• Qual è il periodo di ritorno utilizzato nella progettazione originaria?
• È coerente con la criticità dell’impianto?
• È stato definito un evento di Safe Shutdown Earthquake aziendale?
• I sistemi critici sono classificati per importanza sismica?
• Esiste una procedura di verifica post-evento per garantire il contenimento?

Conclusioni

Il confronto tra approccio NTC – SLV (≈475–950 anni) e approccio SSE tipico degli impianti energetici mostra come possa esistere un gap significativo nella valutazione della sicurezza sismica degli asset industriali esistenti.

Per gli impianti strategici la verifica sismica non è soltanto un problema strutturale: diventa una scelta sul livello di rischio accettabile rispetto alla perdita di contenimento e agli effetti potenziali sull’ambiente e sulla popolazione.

Ed è forse proprio su questo punto che vale la pena aprire una riflessione più ampia nel mondo R.I.R.

I progettisti strutturali e impiantistici, così come gli analisti di processo e i gestori, devono rendersi conto che quando si parla di eventi sismici agenti su elementi strategici, o con rischio di incidente rilevante,

1. si devono introdurre i periodi di ritorno significativamente più alti di quelli tradizionali, e
2. si dovranno valutare degli Stati Limiti ad hoc che tengano conto degli scenari incidentali possibili, shut down, ecc.

Nota: estratto da UNI/TS 11816-1 Appendice H

Da evidenziare, per quanto riguarda l’attribuzione della classe d’uso per la verifica delle costruzioni a servizio di attività a rischio di incidente rilevante, che le NTC 2018 indicano la possibilità per il gestore di adottare valori di cu anche superiori a 2 (valore che caratterizza la classe d’uso IV), in relazione alle conseguenze sull’ambiente o sulla pubblica incolumità determinate dal raggiungimento degli stati limite.

La circolare C.S.LL.PP 21 gennaio 2019, n. 7 chiarisce a tale riguardo che per le strutture il cui collasso può dar luogo ad incidente rilevante si adotta, da parte del gestore, i seguenti maggiori coefficienti di uso:

• cu maggiori di 2 per attività a rischio di incidente rilevante per le quali risultano essere presenti scenari incidentali con impatto all’esterno dell’attività stessa (con riferimento a quanto riportato nella sezione I dell’allegato 5 al D.Lgs.105/2015) con categorie di effetti di inizio letalità ed elevata letalità. I valori di soglia da prendere in considerazione per tali categorie di effetti sono quelli indicati nella tabella 2 del punto 6.2 del decreto del Ministro dei Lavori Pubblici 9 maggio 2001. In attesa di più specifiche successive indicazioni normative è possibile per il gestore assumere nelle sue verifiche cautelativamente cu= 2,5.
• cu uguale a 2 per tutti gli altri casi.

Per le strutture il cui collasso non può dar luogo ad incidente rilevante, ancorché eventualmente presenti all’interno di stabilimenti a rischio di incidente rilevante, si adottano le classi d’uso definite al par. 2.4.2 delle NTC 2018 e al par. C2.4.2 della relativa Circolare C.S.LL.PP.

Fonte immagini: Negishi liquefied natural gas terminals terminal, Yokohama, Japan – Wikipedia