Calcolo dell’azione sismica sui serbatoi secondo l’Eurocodice 8 Parte 4

Importante: Le informazioni contenute negli articoli hanno scopo divulgativo. Si raccomanda sempre di verificare la correttezza e l'applicabilità dei contenuti facendo riferimento alle normative tecniche vigenti di settore e di discuterne con colleghi esperti attraverso la community del Forum Ingegneri.

1.0 Introduzione e contesto normativo

Il presente articolo ha lo scopo di illustrare una metodologia di calcolo per la determinazione dell’azione sismica agente sui serbatoi, in stretta conformità con le prescrizioni normative europee. L’analisi sismica di queste strutture assume un’importanza critica, poiché esse contengono spesso sostanze pericolose per l’ambiente o liquidi essenziali per la continuità operativa di impianti industriali. Un approccio rigoroso alla progettazione è quindi un requisito imprescindibile per garantirne la sicurezza e la resilienza in caso di evento sismico.

Il quadro normativo di riferimento per la progettazione sismica di silos, serbatoi e condotte è definito dall’Eurocodice 8 Parte 4 (EN 1998-4). Sebbene un’analisi rigorosamente matematica del problema idrodinamico, che implica la risoluzione di complesse formulazioni come le equazioni di Bessel, sia teoricamente possibile, essa risulta di difficile applicazione nella pratica professionale.

Per superare queste complessità, si adotta un “metodo semplificato” che rappresenta l’approccio di riferimento, validato a livello normativo e consolidato nella pratica ingegneristica. Questo approccio permette di cogliere con adeguata accuratezza i fenomeni fisici dominanti senza ricorrere a modellazioni matematiche di eccessiva complessità. La sua validità si fonda su una corretta modellazione del comportamento idrodinamico del liquido contenuto, che rappresenta il punto di partenza per l’intera analisi.

2.0 Modello idrodinamico del contenuto

Un corretto calcolo dell’azione sismica su un serbatoio dipende in modo cruciale dalla modellazione della massa del liquido contenuto. A differenza di un solido, il fluido non si comporta come una massa rigida integralmente solidale con la struttura; al contrario, la sua interazione con le pareti durante un evento sismico è un fenomeno complesso. Per questo motivo, è essenziale scomporre la massa totale del liquido in componenti distinte, ciascuna con un proprio comportamento dinamico.

Il metodo semplificato prevede la scomposizione della massa del liquido in due aliquote principali:

• Massa impulsiva: rappresenta la porzione di fluido la cui accelerazione è in fase con il moto del terreno, agendo come se fosse rigidamente solidale alle pareti del serbatoio. Questa massa reagisce istantaneamente all’accelerazione del suolo, generando forze di tipo impulsivo sulla struttura.
• Massa convettiva: rappresenta la porzione di fluido soggetta a oscillazioni governate dalla gravità sulla superficie libera (fenomeno noto come “sloshing”). Le sue oscillazioni a lungo periodo possono indurre forze significative, e spesso sottostimate, sulla parte superiore del fasciame del serbatoio e potenzialmente entrare in risonanza con la struttura di supporto, specialmente per serbatoi sopraelevati o snelli.

È fondamentale sottolineare che a ciascuna di queste due masse, impulsiva e convettiva, corrispondono periodi di oscillazione differenti, con il periodo convettivo che risulta tipicamente molto più lungo di quello impulsivo, il quale è strettamente legato al periodo proprio della struttura serbatoio. Questa distinzione è un concetto chiave, poiché implica una valutazione separata delle accelerazioni attraverso lo spettro di risposta del sito. La corretta definizione di queste masse e dei loro periodi è dunque il presupposto per determinare l’input sismico.

3.0 Definizione dell’input sismico

Una volta definito il modello meccanico del sistema serbatoio-liquido, il passo successivo consiste nel caratterizzare l’azione sismica attesa nel sito di installazione. L’approccio moderno a questa fase prevede l’utilizzo di strumenti software che automatizzano il processo, basandosi su dati georeferenziati. Questo approccio non solo accelera notevolmente il processo di progettazione, ma riduce drasticamente il rischio di errori umani nell’acquisizione e nell’interpretazione dei dati sismici di base, garantendo un input più affidabile.

La procedura ha inizio con la selezione del comune di installazione da un database nazionale che include le coordinate geografiche degli 8101 comuni italiani. Il sistema identifica poi il punto più vicino sul reticolo sismico nazionale (con maglia 5×5 km) per recuperare i parametri sismici di riferimento, conformi agli allegati A e B del DM 14-01-2008. Oltre alla località, il progettista deve definire i parametri geotecnici del sito, come il tipo di terreno (ad esempio, suolo di categoria D), che influenza la forma dello spettro.

Il risultato di questo processo è la generazione automatica dello spettro di progetto per lo Stato Limite di Salvaguardia della Vita (SLV). Per validare l’implementazione, lo spettro generato è stato confrontato con quello prodotto da software di riferimento, come “Spettri di Gelfi”, confermando che i diagrammi risultanti sono identici. Con lo spettro di progetto definito, si dispone di tutti gli elementi per calcolare le accelerazioni e le pressioni idrodinamiche.

4.0 Calcolo delle accelerazioni e delle pressioni

Lo spettro di progetto definito nella fase precedente costituisce lo strumento fondamentale per tradurre l’azione sismica del sito in forze concrete agenti sul serbatoio e sul suo contenuto. Il calcolo viene eseguito applicando i valori spettrali al modello a due masse (impulsiva e convettiva) precedentemente illustrato.

Il processo si articola in due fasi sequenziali e distinte:

1. Determinazione delle accelerazioni: utilizzando lo spettro di progetto, il metodo calcola separatamente l’accelerazione di progetto per la componente impulsiva e per quella convettiva. L’accelerazione per la componente impulsiva viene determinata entrando nello spettro con il periodo proprio della struttura, mentre quella per la componente convettiva si ottiene utilizzando il periodo proprio del moto di “sloshing” del liquido.
2. Calcolo delle pressioni: una volta determinate le accelerazioni specifiche per la massa impulsiva e quella convettiva, il passo finale consiste nel calcolo delle pressioni idrodinamiche che queste generano. Tali pressioni agiscono sulle pareti verticali e sulla base del serbatoio, rappresentando le azioni sismiche da considerare nella progettazione e verifica strutturale.

Attraverso questi passaggi, la metodologia consente di quantificare in modo completo, analitico e normativamente corretto l’insieme delle azioni sismiche che sollecitano la struttura del serbatoio.

5.0 Conclusioni

La metodologia descritta delinea un approccio efficace e rigoroso per il calcolo dell’azione sismica sui serbatoi, in piena conformità con i dettami dell’Eurocodice 8 Parte 4. I punti salienti sono la scomposizione del contenuto liquido in una massa impulsiva e una convettiva e la definizione automatizzata dell’input sismico tramite dati georeferenziati.

Questo metodo semplificato fornisce ai professionisti uno strumento potente e affidabile, che traduce un problema fisicamente complesso in una procedura di calcolo chiara e applicabile.

6.0 Discussione e risorse per il download

La metodologia illustrata in questa relazione è stata oggetto di un’approfondita discussione nella community di professionisti di IngForum.it. Per ulteriori approfondimenti, scambi di opinioni e per scaricare un foglio di calcolo applicativo basato su questi principi, si rimanda al seguente thread:

Link alla discussione e per il download: https://ingforum.it/community/discussione/calcolo-azione-sismica-sloshing-sui-serbatoi-ec8.24618/