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La gestione dell’emergenza sismica in reti di trasporto urbano

Uno studio avanzato per la valutazione e l'identificazione della strategia ottimale di adeguamento sismico di ponti e manufatti appartenenti a reti stradali urbane per la migliore funzionalità residua post-evento sismico e per permettere di gestire i soccorsi

Evacuare gli abitanti di una città in zone sicure nel minor tempo possibile è uno degli obiettivi primari nella gestione delle emergenze sismiche.

Immagini

  • Il grafo di trasporto nella zona del centro storico di Conegliano
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    Il grafo di trasporto nella zona del centro storico di Conegliano
  • L’identificazione dei 51 ponti e manufatti minori appartenenti alla rete stradale urbana del comune di Conegliano
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    L’identificazione dei 51 ponti e manufatti minori appartenenti alla rete stradale urbana del comune di Conegliano
  • La rappresentazione dello stato di danneggiamento di ponti e aree edificate prodotto da un evento sismico di magnitudo pari a Mw 6.6 localizzato a 10 km di distanza dal comune di Conegliano
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    La rappresentazione dello stato di danneggiamento di ponti e aree edificate prodotto da un evento sismico di magnitudo pari a Mw 6.6 localizzato a 10 km di distanza dal comune di Conegliano
  • La rappresentazione degli otto ponti effettivamente considerati nell’analisi di ottimizzazione dell’evacuazione
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    La rappresentazione degli otto ponti effettivamente considerati nell’analisi di ottimizzazione dell’evacuazione
  • La rappresentazione dei risultati dell’analisi di evacuazione per uno scenario sismico di Mw 6,6 a 10 km e tempo di evacuazione richiesto pari a 30 minuti
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    La rappresentazione dei risultati dell’analisi di evacuazione per uno scenario sismico di Mw 6,6 a 10 km e tempo di evacuazione richiesto pari a 30 minuti
  • La rappresentazione dei costi totali (retrofit ponti + allestimento aree di emergenza al variare del tempo di evacuazione richiesto per uno scenario sismico di Mw 6.6 a 10 km
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    La rappresentazione dei costi totali (retrofit ponti + allestimento aree di emergenza al variare del tempo di evacuazione richiesto per uno scenario sismico di Mw 6.6 a 10 km
  • La rappresentazione del numero di unità attratte da ciascun area di emergenza al variare del tempo di evacuazione richiesto per uno scenario sismico di Mw 6.6 a 10 km
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    La rappresentazione del numero di unità attratte da ciascun area di emergenza al variare del tempo di evacuazione richiesto per uno scenario sismico di Mw 6.6 a 10 km

Tale problematica è direttamente influenzata dalle variazioni nell’assetto della rete stradale cittadina causate dai danneggiamenti strutturali indotti dagli eventi sismici. In particolare, le riduzioni della capacità in termini di flusso veicolare e, nei casi peggiori, la chiusura di archi stradali, comportano la redazione di differenti piani di evacuazione della popolazione, caratterizzati da differenti tempi di evacuazione e costi preventivi necessari a garantire un’adeguata funzionalità residua.

I concetti descritti sono qui applicati a un caso studio rappresentato dal sistema urbano del Comune di Conegliano (TV).

Gli scenari di danneggiamento della rete stradale urbana

Il primo fondamentale step riguarda la valutazione dei potenziali scenari di danno in relazione a una serie di possibili scenari sismici.

Per ciascuno scenario sismico, caratterizzato da localizzazione e intensità compatibili con le caratteristiche della zona sismogenetica a cui è riconducibile, vengono calcolate le accelerazioni di picco al suolo in corrispondenza delle strutture e sulla base delle caratteristiche strutturali di ciascuna di esse ne viene valutata la relativa vulnerabilità sismica e una stima dei danni subìti e delle relative conseguenze in termini di riduzione della funzionalità degli archi della rete stradale urbana. La simulazione di scenari sismici risulta pertanto un utile strumento in fase preventiva, permettendo di valutare su base storica o probabilistica i possibili danneggiamenti attesi in un’area territoriale e fornendo al contempo utili informazioni per la pianificazione degli interventi di mitigazione del rischio sismico. La pericolosità sismica viene descritta da una serie di scenari di scuotimento rappresentanti la distribuzione spaziale dei valori di accelerazione di picco al suolo nell’area oggetto di analisi, in relazione alle caratteristiche geologico-geotecniche dei suoli e a una serie di parametri riconducibili alla meccanica fagliante dell’area.

Per ciascuno scenario sismico sono stati successivamente valutati i potenziali danneggiamenti strutturali subìti dai ponti e manufatti minori appartenenti alla rete urbana del Comune di Conegliano. Per ciascuno dei 51 ponti e manufatti minori sono state identificate le relative curve di fragilità rappresentanti la vulnerabilità sismica delle strutture, secondo la procedura empirica Risk-UE.

In Figura 2 vengono rappresentati i 51 manufatti e a titolo di esempio le curve di fragilità del Ponte della Madonna sul fiume Monticano. Con riferimento ai 16 scenari di scuotimento ipotizzati sono state valutate le probabilità condizionate di occorrenza dei diversi livelli di danno considerati nelle curve di fragilità di ciascuna struttura. Noti i valori di probabilità che il ponte subisca un determinato livello di danno, è necessario convertire questi ultimi in un valore deterministico, al fine di ottenere una precisa indicazione sullo stato di danno dell’opera (approccio di tipo deterministico). A tal proposito è stato utilizzato il metodo

MonteCarlo: operativamente si tratta di stimare il valore medio di una variabile attraverso un’indagine campionaria. Tramite generazione di numeri casuali nell’intervallo di controllo, sono stati calcolati i valori medi di danno per gli n lanci derivando quindi un valore finale medio rappresentativo del danno strutturale.

Per un’indicazione chiara degli stati di danno in cui i ponti possono ricadere, sono stati rappresentati mediante GIS gli stati di danno mediati con il metodo di MonteCarlo in cui si trovano i ponti a seguito di diversi eventi sismici.

La gestione delle operazioni di evacuazione in una rete urbana

Sulla base dei dati ottenuti in termini di danneggiamento strutturale per ciascuno scenario di scuotimento, è stato applicato un recente modello di analisi dell’evacuazione all’area urbana del comune di Conegliano.

L’obiettivo di detta applicazione è stato quello di identificare il piano ottimale di evacuazione di una città sulla base della conoscenza della topologia della rete di trasporto (rete stradale nello specifico), dell’ubicazione delle zone di origine e di destinazione degli spostamenti e alla luce dei danneggiamenti strutturali tradotti in termini di riduzione della capacità di deflusso degli archi stradali.

La rete stradale urbana viene usualmente schematizzata mediante un grafo, ovvero un insieme ordinato di nodi e archi.

Un importante sottoinsieme di nodi del grafo è costituito dai centroidi zonali atti a rappresentare i punti dai quali vengono generati gli spostamenti, ad esempio, nel presente caso di studio abitazioni, luoghi di lavoro (nodi di origine), e nei quali terminano gli spostamenti, ad esempio nel presente caso di studio aree di raccolta, zone sicure (nodi di destinazione); con riferimento all’applicazione presentata, i nodi di destinazione sono caratterizzati anche da una capacità ricettiva dell’area che schematizzano e da un costo di allestimento.

In merito agli archi di collegamento tra i nodi (tronchi stradali), essi sono caratterizzati dalla capacità di deflusso in condizione di funzionamento standard e post-sisma e, limitatamente agli archi critici (ponti), da ulteriori attributi legati a possibili alternative di riabilitazione (costo di adeguamento ed associato recupero, in termini percentuali, della capacità persa e seguito del sisma). 

A livello simulativo sono state considerate due distinte fasce orarie nell’arco della giornata (l’occorrenza dell’evento sismico in mattinata e il caso opposto di occorrenza del fenomeno durante la notte) in maniera tale da rappresentare adeguatamente le diverse configurazioni di domanda di mobilità. Sulla base della definizione di un valore di tempo massimo accettabile per lo svolgimento delle operazioni di evacuazione e in relazione alla matrice costi/benefici derivanti dall’esecuzione di interventi di adeguamento sismico dei ponti e opere minori, è stato possibile ottenere per differenti combinazioni di questi parametri una serie di informazioni utili per la pianificazione delle operazioni di evacuazione, tra cui lo schema di retrofit dei manufatti da adottare, il costo complessivo degli interventi di retrofit, la distribuzione dei flussi veicolari sulla rete stradale, la valutazione delle percentuali di occupazione delle aree di destinazione, il numero e distribuzione spaziale di cittadini non evacuati e la presenza di eventuali criticità a livello di funzionalità residua della rete. Alla luce dello stato di danneggiamento moderato evidenziato dalle opere minori anche per gli scenari di scuotimento più gravosi, è stato eseguito il processo di ottimizzazione (massimizzazione del numero di persone evacuate nel tempo prefissato e contemporanea minimizzazione dei costi di intervento).

La procedura fornisce i percorsi ottimali di evacuazione per trasferire la popolazione dalle zone di origine (abitazioni, luoghi di lavoro, ecc.) alle zone sicure, individuando i ponti che necessitano di un adeguamento sismico al fine di garantire prestazioni della rete stradale in termini di deflusso veicolare che consentano l’evacuazione nel tempo richiesto, i relativi costi totali e il grado di utilizzazione delle aree di evacuazione.

Conclusioni

In questo lavoro è stata presentata una procedura avanzata di analisi di vulnerabilità sismica con riferimento ad un sistema territorio-trasporti alla scala urbana. Tale procedura deve intendersi come valido strumento, per quanto migliorabile, di supporto alle operazioni di gestione dell’emergenza sismica di centri urbani. Nello specifico, è stata applicata una procedura di ottimizzazione mirata alla definizione dell’ottimale strategia di interventi di adeguamento strutturale preventivi per i ponti appartenenti ad un sistema viario urbano, in maniera tale da garantire, nel caso di occorrenza di un evento sismico, un’adeguata funzionalità post-evento e permettere un’evacuazione sicura della popolazione verso le aree di raccolta.

La procedura proposta permette di tracciare, sulla base del tempo richiesto per l’evacuazione e dello scenario di scuotimento considerato, un quadro complessivo delle dinamiche di deflusso veicolare caratterizzanti il sistema stradale in situazioni di razionale evacuazione dell’area, dei costi complessivi per garantire le richieste prestazioni funzionali della rete stradale urbana, della presenza di eventuali situazioni di criticità e della distribuzione degli evacuati tra le varie aree di emergenza individuate nei Piani di Protezione Civile Comunali.

Ringraziamenti

Gli Autori ringraziano il Servizio Mobilità Urbana e il Servizio Sicurezza e Protezione Civile del Comune di Conegliano per la collaborazione e la disponibilità nel fornire le informazioni riguardanti il Piano Urbano del Traffico e il Piano Comunale di Emergenza di Protezione Civile.