Comprendere i rischi sismici alle infrastrutture aeroportuali

Gli aeroporti rappresentano una categoria unica di infrastrutture critiche perché devono rimanere pienamente operativi non solo durante e subito dopo un evento sismico, ma anche servire come potenziali hub per la risposta di emergenza. Il terremoto del 2011 Christchurch, che ha causato l'aeroporto di chiudere temporaneamente a causa di danni di liquirizia alle autostrade, e il terremoto del 1995 Kobe, che ha portato al crollo di un tetto hangar, sottolineano l'alto rischio.

Le conseguenze del design sismico inadeguato sono state chiaramente illustrate dal crollo parziale del terminal dell'aeroporto di Città del Messico nel corso del terremoto del 1985, non a causa di un difetto locale, ma a causa di un'ossessione lontana amplificata da sedimenti lacustri morbidi.

Strategie chiave per la resistenza sismica

Il design moderno dell’aeroporto sismico-resistente integra molteplici strati di difesa: sistemi strutturali che assorbono e dissipano l’energia, soluzioni di base che mitigano il fallimento del terreno e ridondanza nei sistemi non strutturali. Le strategie elencate di seguito rappresentano lo stato attuale della pratica, ognuna che richiede un’attenta calibrazione del profilo di rischio specifico dell’aeroporto, del budget di costruzione e delle esigenze operative.

Sistemi di isolamento di base

Per i terminali aeroportuali - che spesso hanno grandi aree di pavimentazione e geometrie irregolari - cuscinetti a sfera-gomma, cuscinetti in gomma ad alta intensità, o sistemi di pendolo attrito possono ridurre le forze sismiche da un fattore di 3 a 5 rispetto ad un design fisso-base.

Cornici strutturali rinforzati e design duttile

Le strutture in acciaio rinforzato e in acciaio progettate per duttilità, la capacità di subire grandi deformazioni inelastice senza collasso, formano la spina dorsale della maggior parte degli edifici aeroportuali resistenti alla sismica. Gli ingegneri utilizzano telai speciali per la resistenza al momento, bracci a resistenza all'indurimento e pareti a taglio per creare un meccanismo di dissipazione dell'energia distribuita.

Sistemi di smorzamento

I dispositivi di smorzamento integrati aggiungono un ulteriore 10% al 30% di smorzamento critico a una struttura, riducendo le ampiezza delle vibrazioni e i livelli di accelerazione. Gli ammortizzatori viscosi fluidi, gli ammortizzatori viscoelastici e gli ammortizzatori metallici sono comunemente installati nelle torri di controllo aeroportuali (che sono alte e snelle) e nei tetti a lungo raggio sui terremoti di partenza.

Miglioramenti della Fondazione

La gestione del suolo sismica, la lequefazione, l’insediamento e la diffusione laterale, può rendere inoperabile un aeroporto anche se la sovrastruttura rimane intatta. Le tecniche di mitigazione includono colonne in pietra profonda, vibro-compazione, miscelazione del cemento del suolo e fondazioni accatastate che trasferiscono carichi a strati di cuscinetti competenti.

Protezione del sistema non strutturale

Le soluzioni di ingegneria includono appesi sismici flessibili per attrezzature meccaniche ed elettriche, bracing per soffitti sospesi e duttile, e cuscinetti di isolamento per elettronica sensibile. La Federal Aviation Administration (FAA) richiede che le strutture di navigazione aerea (NAVAIDS) e apparecchiature di controllo della qualità sono di tipo obbligatorio.

Considerazioni di progettazione per strutture aeroportuali specifiche

Ogni area funzionale di un aeroporto presenta obiettivi di performance sismiche distinti e vincoli di progettazione.Le sottosezioni seguenti dettagliano l'approccio ingegneristico per i componenti principali.

Edifici terminali

Gli edifici terminali sono complessi assemblati di tetti di grandi dimensioni, lastre di pavimenti lunghi, pareti di tenda e più piani meccanici. Gli ingegneri privilegiano la sicurezza della vita sotto il massimo considerato terremoto (MCE) e l'occupazione immediata per un terremoto di base di progettazione (DBE) per consentire il rapido recupero delle operazioni.

Autostrade, taxi e grembiuli

I sistemi di pavimentazione per le piste e i grembiuli devono rimanere intatti e planari per sostenere i carichi di atterraggio degli aerei. Il pavimentamento in cemento rigido, tipicamente di 400-600 mm di spessore, è rinforzato con rete metallica o fibre di acciaio e posto su una base trattata. Il design sismico prevede di fornire giunti di espansione che permettono il movimento senza la creazione di offset di gradini, e utilizzando giunti doweled o pavimentazione in cemento armato continuo (CRCP) per distribuire larghezze di cracking.

Torri di controllo

Le torri di controllo sono alte e snelle strutture con una pesante cabina di massima pesante che concentra la massa. Il loro design sismico è governato sia dall'integrità strutturale che dalla necessità di mantenere le finestre della cabina, gli apparecchi e le attrezzature sensibili funzionali.

Appendini e Manutenzione

Gli agnelli richiedono una superficie di 60 a 120 metri con porte grandi su uno o più lati. La mancanza di bracci verticali lungo la porta crea un telaio flessibile che può essere vulnerabile all’instabilità fuori piano. Gli ingegneri utilizzano telai portali in acciaio con bracci ginocchia, sistemi di tronchi o colonne di ammortizzatore per trasferire carichi laterali.

Sistemi di carburante e servizi sotterranei

Le aziende agricole, i sistemi idranti e le reti di tubazioni sotterranee sono linee di vita che devono rimanere a tenuta stagna durante e dopo un terremoto. I giunti flessibili, i loop di espansione e le valvole di isolamento sismico sono standard. I tubi in HDPE o in ferro duttile con i giunti frenati (ad esempio, ghiandole MJ con i vincoli meccanici) sono preferiti su rigidi PVC o cemento.

Sistemi di trasporto e trasportatori

I sistemi di movimentazione dei bagagli automatizzati includono miglia di trasportatori interconnessi, macchine di smistamento e binari elevati. I bracci sismici, le lacune di isolamento alle articolazioni strutturali e i vassoi flessibili sono essenziali. In caso di evento sismico, il sistema può essere progettato per chiudere con grazia e auto-clear per evitare le marmellate, poi riavviare con un minimo intervento manuale.

Studi sui casi e migliori pratiche

Le implementazioni di esame nei principali aeroporti internazionali offrono parametri quantitativi per le prestazioni sismiche.

Aeroporto Internazionale di San Francisco (SFO)

L’UFE International Terminal (1991-2000) è stato progettato con isolamento di base come risposta diretta al terremoto di Loma Prieta del 1989, che ha causato danni significativi ad altre strutture di trasporto. Il terminal utilizza 267 cuscinetti a pendolo attrito, ciascuno in grado di un colpo di 20 pollici, ed è circondato da un fossato sismico.

Aeroporto di Tokyo Haneda (RJTT)

Haneda, costruita su terreni recuperati a Tokyo Bay, ha implementato un ampio miglioramento del terreno e un'umidità strutturale. Gli edifici terminali sono isolati utilizzando cuscinetti in gomma ad alta umidità, e le piste sono sottoposte a colonne in pietra per prevenire l'iquefazione. L'aeroporto è rimasto operativo dopo il terremoto Tohoku del 2011 nonostante forte agitazione e liquefazione diffusa nella zona circostante.

Aeroporto di Istanbul (LTFM)

Completato nel 2018, l'aeroporto è stato progettato per PGA di 0,4g con livelli di prestazioni mirati di occupazione immediata per il terminale e la continuità operativa per la torre di controllo.

Aeroporto Internazionale di Los Angeles (LAX)

Il nuovo Bradley West Terminal utilizza l’isolamento base e i telai in acciaio rinforzato. Il piano sismico dell’aeroporto include protocolli di valutazione rapidi e forniture di riparazione prestabilite per il centro di risposta di emergenza.

Codici, Standard e Obiettivi di Prestazioni

Negli Stati Uniti, le strutture aeroportuali sono regolate da una combinazione di IBC (Codice internazionale dell’edificio) con le disposizioni sismiche ASCE 7, codici specifici dello stato (ad esempio, Codice dell’edificio della California), e di guida FAA. ASCE 7 definisce le categorie di rischio: la maggior parte dei terminali aeroportuali e delle torri di controllo sono Risk Categoria IV (strutture essenziali), con un fattore di importanza di 1,5 e una probabilità di collassordamento inferiore a 50 anni per il FAG Advisor.

Il design sismico basato sulle prestazioni (PBSD) è sempre più obbligatorio per i grandi progetti aeroportuali. PBSD permette agli ingegneri di dimostrare attraverso analisi non lineari che la struttura soddisfa specifici obiettivi di deriva, accelerazione e duttilità.

Tendenze e tecnologie emergenti

I sistemi sismici adattivi con leghe a forma di memoria, i bracci autocentranti e i montanti a dondolo vengono testati per le strutture aeroportuali di nuova generazione. I concetti di progettazione a bassa danno, come le regioni sostituibili della cerniera di plastica e le connessioni post-tensione, promettono di ridurre i tempi di fermo dopo un evento sismico.

Sostenibilità e resilienza sismica sono convergenti: l'uso di acciaio riciclato e di calcestruzzo a reazione ad alta tensione in telai duttili, l'integrazione di isolatori di base con sistemi a tetto verde che abbassano gli effetti dell'isola di calore urbano. La sfida per il prossimo decennio è quella di ridurre il costo di questi sistemi avanzati in modo da poter essere reintrodotti in aeroporti esistenti, che spesso hanno decenni di vita di servizio e finestre di interruzione limitata per la costruzione.

Conclusioni

Le soluzioni ingegneristiche resistenti agli agenti sismici per le strutture aeroportuali devono affrontare una sfida a livello di sistemi che combina le funzionalità strutturali, geotecniche, non strutturali e operative. Dai terminali isolati alla base alle piste idonee e alle torri di controllo smorzate, un approccio a strati su misura per i rischi specifici del sito è stato dimostrato efficace in tutto il mondo.