Articolo dell’Ing. Lucio Fattori
L’aspetto strutturale nella realizzazione delle piscine è fondamentale per il rispetto degli obblighi di legge (ottenimento di autorizzazioni e permessi, ecc.) ma soprattutto per la corretta fruibilità della piscina stessa. Cedimenti del terreno, crolli delle pareti o danneggiamenti del rivestimento possono compromettere l’usabilità della piscina e richiedere interventi di riparazione invasivi e costosi.
Affrontiamo in questa rubrica un primo approfondimento in merito alla progettazione strutturale di piscine (ma più in generale di vasche e serbatoi) sul tema della valutazione dei carichi sismici per elementi contenenti fluidi.
I primi fenomeni di danneggiamento di serbatoi contenenti fluidi si sono osservati in tempi molto recenti, in occasione del terremoto avvenuto a Izmit, in Turchia, il 29 settembre 1999. In numerosi casi il serbatoio (che era fuori terra e conteneva idrocarburi) si è danneggiato e il liquido è fuoriuscito. Essendo l’area interessata da numerosi impianti di stoccaggio di idrocarburi e prodotti chimici questa fuoriuscita ha provocato ingenti danni per l’ambiente.
Quando si parla di spinta idrostatica (azione dovuta alla massa del fluido e agente sulle pareti del serbatoio) si è abituati a valutarne la sollecitazione per la struttura in funzione dell’altezza della colonna di fluido.
Il dimensionamento di vasche, di digestori o delle strutture di sostegno di silos ad uso agricolo o industriale raramente tiene conto dell’accelerazione impressa alla massa fluida da parte del sisma. I parametri geometrici relativi alla dimensione in pianta del contenitore e alla quota rispetto al piano campagna della massa, oltre che alla sua natura, se liquida o granulare, non vengono spesso presi in considerazione.
Eppure abbiamo imparato in diverse situazioni della vita quotidiana, che sottoponendo un fluido contenuto in un recipiente a un’accelerazione, la forma del recipiente influenzerà moltissimo la facilità con cui il fluido potrà uscire dal contenitore. Ad esempio, con piccolissime oscillazioni è certamente più facile fare uscire la minestra da un piatto che la birra da un boccale, anche se entrambi sono colmi fino all’orlo.
Birra o minestra: quale delle due è più facile far fuoriuscire dal recipiente con una piccola oscillazione?
È importante comprendere che, in condizioni dinamiche, la forma del contenitore influenza il comportamento del liquido contenuto.
Anche nella progettazione di piscine pertanto non basterà calcolare le spinte triangolari dovute alla pressione dell’acqua e del terreno (combinate tra loro) ma si dovrà fare riferimento alle azioni dinamiche per la verifica sismica.
Un liquido in un recipiente sottoposto a un movimento oscillatorio comincia a muoversi con il recipiente stesso. All’aumentare della frequenza del movimento imposto, o della sua intensità, il liquido comincerà a generare delle onde che, se più alte del bordo del recipiente, provocheranno la fuoriuscita del fluido.
Come già osservato il movimento del fluido e la sua eventuale fuoriuscita sono legati alla forma del contenitore.
L’esame del problema dal punto di vista fisico ha portato a individuare il seguente fenomeno: il liquido si “dividerà” in due parti, una prima parte si muoverà rigidamente con il fondo e con le pareti del serbatoio (moto impulsivo e con periodi bassi), una seconda parte si muoverà invece autonomamente generando delle onde di sciabordio, o “sloshing” (moto convettivo e con periodi alti).
Serbatoio sottoposto ad accelerazione del terreno, schema della suddivisione di massa inerziale e massa convettiva
Come si può intuire, al variare della direzione e del verso dell’accelerazione anche l’onda di sloshing modificherà la parete del serbatoio su cui insisterà: ora la direzione del lato lungo, ora la direzione del lato corto, ora una combinazione delle precedenti due direzioni. La piscina, se progettata solo per la condizione di liquido in quiete, potrebbe non rivelarsi sufficientemente resistente nel caso in cui l’onda di sloshing ne solleciti le pareti oltre la loro capacità portante.
La suddivisione della massa totale di liquido tra massa inerziale e massa convettiva avviene proporzionalmente alla snellezza del serbatoio, definita da .
Individuazione dei parametri per il calcolo della snellezza del serbatoio
All’aumentare della snellezza (esempio del boccale di birra) aumenta la massa impulsiva, ovvero quella che si muove rigidamente con il recipiente, e diminuisce la massa convettiva.
Al diminuire della snellezza (esempio del piatto di minestra) diminuisce la massa impulsiva e aumenta la massa convettiva, e di conseguenza aumentano il fenomeno dello sciabordio del liquido, che potrebbe anche fuoriuscire.
Le piscine hanno una snellezza molto ridotta essendo perlopiù strutture con una pianta molto più importante rispetto alla loro altezza.
Evitiamo di approfondire in questa sede le soluzioni numeriche ricavabili per le azioni agenti sul serbatoio sottoposto a spinta sismica da parte del fluido contenuto, ma vogliamo comunque porre l’attenzione su quanto i normali dimensionamenti eseguiti per i soli casi statici rischierebbero di rivelarsi inadeguati.
Durante l’oscillazione del liquido le azioni di taglio e momento flettente agenti alla base aumenteranno rispetto alla condizione statica, provocando maggiori sollecitazioni nel materiale (calcestruzzo, acciaio, ecc.), così come indicato dal disegno.
Pressioni agenti su un serbatoio sottoposto a sollecitazione sismica
Concludendo questa prima parte della nostra analisi sulla progettazione di piscine sotto i carichi sismici possiamo ricavare due importanti considerazioni.
La realizzazione di vasche (soprattutto fuori terra) deve tenere conto della presenza dei fenomeni di “onda” generati dal sisma, per non danneggiare la piscina e le strutture ad essa associate.
La seconda e ultima osservazione è la valutazione dell’onda che potrebbe generare la fuoriuscita di parte del liquido dalla vasca, soprattutto quando la vasca dovesse contenere liquidi inquinanti o avesse funzioni di serbatoio in caso di incendio: il rischio è nel primo caso di contaminare l’area circostante mentre nel secondo di trovarsi senza la necessaria quantità di acqua all’intervento, perché ormai sversata all’esterno.
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