The Structural Engineer's Corner

Eng. Onorio Francesco Salvatore

Le esplosioni ed i loro effetti sulle strutture – parte I – nozioni e relazioni di base

Written By: Francesco Salvatore Onorio - Nov• 28•10

Voglio iniziare con una serie di articoli a parlare di un argomento molto poco trattato eppure particolarmente importante, purtroppo, di questi tempi: le esplosioni ed i loro effetti sulle strutture. Questo argomento è affascinante, di notevole importanza ma, nonostante tutto, particolarmente trascurato dalle normative.

Il tema verrà trattato in più articoli in modo da partire dalle nozioni fondamentali e consentire ai lettori del sito di apprendere meglio ciò di cui si sta parlando, evitando quindi di fornire relazioni da applicare senza specificarne nemmeno i termini.

La successione degli argomenti sarà la seguente: nozioni di base, principali tipi di esplosivi presenti, effetti delle esplosioni (in generale), definizione analitica delle grandezze fondamentali di calcolo, interazione esplosione-struttura e quanto altro mi verrà in mente durante la stesura degli articoli.

Il lettore meno interessato agli aspetti più generali potrà chiedersi “cosa importa allo strutturista leggere dei vari tipi di esplosivi esistenti?“. In realtà è importante perché alcuni sono impiegati solo dai militari, altri sono comunemente impiegati dai terroristi, altri non godono dell’interesse da parte delle precedenti figure e possono essere ignorati e così via. Altro aspetto fondamentale, che verrà chiarito meglio in seguito (o nel prossimo articolo): ogni tipo di esplosivo viene legato ad una massa equivalente di TNT, che costituisce l’esplosivo di riferimento.

Al termine di questa serie di articoli sarà fornito un comodo foglio Excel (o programma in Visual Basic, tempo permettendo).


1. NOZIONI DI BASE

Un’esplosione è una reazione chimica molto veloce che produce onde di pressione o onde d’urto. Immaginiamo di avere un esplosivo al livello del suolo, come ad esempio un ordigno in un’automobile, l’onda di pressione viaggia a partire dalla sorgente sotto forma di fronte d’onda semisferica. Caratteristiche importanti sono:

  • sovrappressione di picco (ovvero la pressione al disopra della pressione atmosferica);
  • durata della sovrappressione.

Entrambi questi aspetti possono variare al variare della distanza dalla sorgente, oltre che al variare della quantità di esplosivo. Un altro aspetto importante è il tipo di esplosivo. Generalmente, l’esplosivo di riferimento è il TNT e qualsiasi altro tipo viene esplicitato in termini di peso di TNT equivalente.

Un altro aspetto di cui tener conto nella valutazione degli effetti di un’esplosione è la presenza di ostacoli. In un campo libero l’onda è di tipo semisferico e la sovrappressione di picco diminuirà con una certa legge di variazione al variare della distanza. Nel caso di ostacoli, come ad esempio edifici vicini, l’onda verrà a modificarsi per seguire i percorsi non ostacolati, quindi percorrendo strade e vicoli, intensificando il suo fronte d’onda nella parti libere. Un’analogia efficace è il flusso d’acqua, con relativa portata variabile al variare della sezione di passaggio. Questo aspetto è molto importante quando si considera la distanza alla quale una struttura può essere considerata sicura: tale distanza viene generalmente calcolata in un campo libero, quindi si potrebbero avere pressioni maggiori di quelle attese a causa dell’effetto confinante degli ostacoli.

Combustione è il termine impiegato per descrivere le reazioni di ossidazione che stanno alla base delle esplosioni di natura chimica. Altri tipi di esplosioni sono quelle nucleari e quelle fisiche (come un cilindro soggetto a gas compresso).

2. TIPI DI ESLOSIVI

Gli esplosivi possono essere anzitutto classificati in tre macrocategorie:

  • commerciali”;
  • per scopi militari;
  • per scopi terroristici.

Gli esplosivi commerciali sono quelli costituiti da ingredienti più economici. Esempi di esplosivi di tipo “commerciale” sono:

  • TNT: noto anche come tritolo o trinitrotoluene. Si presenta stabile in forma pura, ovvero insensibile agli urti ed alle sollecitazioni e non esplode se sottoposto a fiamma libera; per farlo esplodere è necessario un detonatore;
  • nitroglicerina: al contrario del TNT, la nitroglicerina (scoperta da Ascanio Sobrero) è molto instabile. E’ pericolosa sia l’elevata temperatura (già a 200 °C) che quella bassa (intorno agli 8 °C) in quanto con il congelamento i cristalli interni diventano sottilissimi come aghi e possono spezzarsi facilmente, dando il via all’esplosione. La nitroglicerina si ottiene per gocciolazione della glicerina in una miscela di acido nitrico ed acido solforico. La dinamite, scoperta da Alfred Nobel, si ottiene mescolando nitroglicerina a farina fossile, ottenendo così un esplosivo più stabile.

Esempi di esplosivi militari sono:

  • RDX: questo esplosivo, abbastanza recente, è anche noto come ciclonite, esogeno, T4 o ciclotrimetilentrinitroammina. Il suo nome è in realtà una codifica: sta infatti per “Research and Development – X”, un progetto militare con nome che doveva essere provvisorio ma che è rimasto tale. In realtà l’RDX non viene mai usato da solo ma bensì con altri esplosivi, ad esempio aggiungendolo a TNT, il quale è più stabile. Un altro esempio è il C4, ovvero l’esplosivo più potente e più diffuso in ambito militare; è costituito da una miscela avente RDX al 91%;
  • HMX: questo esplosivo, noto anche come ottogene o ciclotetrametilentetranitroammina, è meno recente del precedente, prodotto per la prima volta nel 1930 ed anch’esso, come l’RDX, largamente usato in ambito militare. Il nome deriva da “High Molecular weight – X”, ovvero “sostanza ad alto peso molecolare”, con la X che ha lo stesso significato dell’RDX, ovvero sigla provvisoria. La velocità di detonazione dell’HMX raggiunge i 9150 m/s.

Gli esplosivi impiegati solitamente dalle organizzazioni terroristiche si collocano tra le due categorie precedenti. Un esempio di esplosivo usato dai terroristi è il Semtex, che prende il nome da Semtín, una sobborgo di Pardubice (Repubblica Ceca) dove avvenne la sua produzione per la prima volta nel 1964.

3. EFFETTI DELLE ESPLOSIONI

Gli effetti di un’esplosione sulle strutture possono essere suddivisi in:

  • primari;
  • secondari.

Trascurando gli effetti secondari, i primari includono:

1.      onda d’urto: gli effetti del fronte d’onda sono costituita da un incremento della pressione nell’aria circostante la struttura;

2.      calore: una parte dell’energia esplosiva si converte in calore. I materiali della struttura si indeboliscono all’aumentare della temperatura. Il calore può causare incendi se la temperatura è sufficientemente alta;

3.      vibrazioni nel suolo: un esplosivo, soprattutto se interrato, completamente o in parte, può causare vibrazioni. Tali vibrazioni, orizzontali o verticali a seconda della profondità dell’esplosivo e della posizione relativa rispetto alle fondazioni, sono simili agli effetti di un terremoto ma con frequenza differente;

4.      frammenti primari: i frammenti dovuti alla sorgente esplosiva vengono lanciati in ambiente ad elevata velocità (possono essere anche frammenti di parete, quindi con notevoli dimensioni e massa). Tali frammenti possono colpire le persone o gli edifici vicini. Non costituiscono una minaccia diretta per la struttura, ma possono distruggere finestre e facciate vetrate oltre che causare vittime tra i presenti.

4.1 DEFINIZIONE ANALITICA DEL FRONTE D’ONDA: LA DISTANZA SCALATA

Prima di fornire le relazioni per il calcolo degli effetti sulle strutture è importante introdurre alcune grandezze fondamentali. La distanza scalata è un parametro legato sia alla distanza reale dalla sorgente esplosiva che alla massa di esplosivo (espressa in kilogrammi di TNT). La sua definizione è la seguente:

4.2 DEFINIZIONE ANALITICA DEL FRONTE D’ONDA: LA SOVRAPPRESSIONE STATICA DI PICCO E LA PRESSIONE DINAMICA

All’onda d’urto si associano due diversi fenomeni:

  • sovrappressione statica di picco, ps;
  • pressione dinamica, qs.

La sovrappressione statica, già citata in apertura di articolo, è l’incremento di pressione dovuto all’esplosione e dovuto all’azione esercitata dal muro denso di aria compressa che forma il fronte d’onda. Si parla di valore di picco per indicare il valore massimo ad una certa distanza e per un certo quantitativo di esplosivo.

La pressione dinamica è, sostanzialmente, vento. Essa è dovuta alle forze trascinanti esercitate dal movimento di aria al passaggio fronte dell’onda.

Si parla di fase positiva per indicare il periodo di tempo in cui la pressione è superiore a quella atmosferica, fase negativa per indicare la diminuzione di pressione al disotto del valore atmosferico.

Nella figura seguente sono individuati quattro momenti distinti: una struttura indisturbata, la stessa struttura soggetta all’avanzata del fronte d’onda, con pressione in fase positiva, un terzo momento in cui si ha passaggio da fase positiva a fase negativa, con la struttura che torna indisturbata anche se danneggiata, un quarto momento in cui si ha fase negativa, l’ultimo stadio con la struttura che ha subito sia la fase positiva che quella negativa. Il valore di picco si raggiunge nella fase positiva, ma la durata di quest’ultima è generalmente inferiore.

Veniamo alle definizioni analitiche:

Nel primo caso si parla di sovrappressione statica di picco in campo vicino, nel secondo caso si parla di sovrappressione statica di picco in campo da medio a distante.

Calcolata la sovrappressione statica di picco, possiamo calcolare la massima pressione dinamica:

Infine, un’altra grandezza che può essere utile calcolare, sebbene meno importante delle precedenti, è la massima depressione. Si è detto infatti che la sovrappressione di picco si ha nella fase positiva mentre la fase negativa è caratterizzata da depressione, ovvero pressione al disotto di quella atmosferica. Tale grandezza vale, per Z > 1.6:

4.3 DEFINIZIONE ANALITICA DEL FRONTE D’ONDA: LA VELOCITà DEL FRONTE D’ONDA

Dopo aver calcolato la sovrappressione statica di picco è possibile calcolare la velocità del fronte d’onda, che ovviamente dipende da essa. La relazione è la seguente:

In questa relazione si hanno le seguenti grandezze:

  • ps = sovrappressione statica di picco già calcolata (bar);
  • p0 = pressione dell’aria nell’ambiente in esame;
  • a0 = velocità del suono nell’aria in corrispondenza della specifica pressione ambientale.

La velocità del suono nell’aria secca è data – con sufficiente approssimazione – dalla seguente relazione:

Ad esempio, a 20 °C, alla pressione di 1 bar, la velocità del suono in aria è pari a 343.6 m/s. Generalmente, quindi, essa varia dai 330 ai 350 m/s.

Per ricapitolare, la procedura da seguire è la seguente:

(i). sono note la massa di TNT equivalente e la distanza dall’esplosivo;

(ii). si calcola la distanza scalata Z;

(iii). si calcola la sovrappressione statica di picco e la massima pressione dinamica;

(iv). si calcola la velocità del suono nell’aria secca;

(v). si calcola la velocità del fronte d’onda.

Così facendo l’azione di base è definita e deve essere applicata alla struttura oppure ai singoli elementi strutturali a seconda del livello di analisi. Una precisazione è però fondamentale: queste azioni sono calcolate nel campo libero spaziale, mentre una bomba in un auto è un esplosivo in campo emisferico (oltre che con ostacoli). E’ necessario dunque applicare dei fattori correttivi per tener conto della configurazione spaziale. Ignorando gli ostacoli e considerando un esplosivo in campo libero emisferico (una bomba poggiata su un piano orizzontale), l’azione andrebbe moltiplicata per 2 (confinamento dovuto al piano), ma si preferisce solitamente moltiplicare per 1.8 in accordo con i risultati sperimentali; l’aliquota mancante di energia, infatti, viene consumata per deformare la superficie.

Un altro aspetto fondamentale riguarda la massima pressione dinamica: essa è sostanzialmente vento, quindi le modalità di applicazione sono le stesse di un’analisi dell’azione del vento su una struttura, quindi è necessario far riferimento ad un coefficiente dinamico cd come definito dalle normative.

Per maggiore chiarezza si tornerà su questo problema in un successivo articolo.

AGGIORNAMENTO – la seconda parte qui:

Le esplosioni ed i loro effetti sulle strutture – parte II – la conversione in TNT equivalente

Per chiarimenti, segnalazioni ed altro è possibile contattare il sottoscritto a:

onorio@strutturista.com

Ing. Onorio Francesco Salvatore

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3 Comments


  1. […] precedente (“Le esplosioni ed i loro effetti sulle strutture – parte I – nozioni e relazioni di base“) si è parlato del TNT come esplosivo di riferimento nel calcolo dell’azione di […]


  2. […] – Le esplosioni ed i loro effetti sulle strutture – parte I – nozioni e relazioni di base; […]


  3. […] trattato l’argomento esplosioni con alcuni articoli pubblicati su questo sito (si veda “Le esplosioni ed i loro effetti sulle strutture – parte I – nozioni e relazioni di base“, “Le esplosioni ed i loro effetti sulle strutture – parte II – la conversione in […]

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