Carichi di vento e periodi di ritorno: guida alla progettazione eolica per ingegneri

La bussola della progettazione eolica: il significato normativo del periodo di ritorno medio

Il progetto delle strutture esposte al vento è tradizionalmente dominato da un confronto tra fattori di carico e coefficienti di importanza. Tuttavia, esiste una grandezza più stabile che funge da bussola interpretativa: il periodo di ritorno medio (MRI). Le disposizioni contenute in ASCE 7 Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures (edizioni dal 2005 al 2022), in ASCE 37 e nei criteri FM Global appaiono spesso incoerenti a causa dei diversi fattori di carico utilizzati nelle combinazioni. Concentrarsi esclusivamente su questi fattori può oscurare un principio progettuale costante: il target di progetto è governato dal MRI, che rimane invariato anche quando cambiano i formati normativi e i fattori di carico.

Velocità di base e rischio sismico del vento

La pressione di progetto parte dalla velocità di base del vento, ottenuta dalle mappe ASCE 7 o dallo strumento online ASCE Hazard Tool. Si tratta di una raffica di tre secondi a 33 piedi dal suolo in esposizione C (terreno aperto tipo aeroporti). Queste velocità derivano dall’analisi statistica di dati meteorologici storici di oltre 500 stazioni, ciascuna con almeno 15 anni di registrazione, e corrispondono a specifici periodi di ritorno in funzione della categoria di rischio dell’edificio.

Probabilità e significato del periodo di ritorno

La velocità di progetto per diverse categorie di rischio corrisponde al MRI dell’evento ventoso. Per un edificio in Categoria di Rischio II, la velocità di progetto “ultima” (ultimate) rappresenta un evento con MRI di 700 anni. L’errata convinzione comune è che un evento ogni 700 anni accada una volta ogni 700 anni. In realtà, il termine corrisponde a una probabilità annuale di superamento, P_a, pari a circa lo 0,14% (P_a ≈ 1/700). La probabilità di sperimentare almeno un tale evento durante la vita utile dell’edificio varia con la categoria di rischio. Su una vita utile di 50 anni, un evento a 700 anni ha circa il 7% di probabilità di essere superato.

Questo quadro probabilistico riflette gli obiettivi di affidabilità incorporati nell’ASCE 7. Gli edifici con maggiori conseguenze di collasso (Categorie di Rischio III e IV) sono assegnati a MRI più elevati (rispettivamente 1.700 e 3.000 anni), con conseguente minore probabilità di superamento.

Evoluzione normativa: da ASCE 7-05 a ASCE 7-10 e oltre

Nell’ASCE 7-05 e precedenti, la mappa dei venti era basata su una velocità di servizio con MRI di 50 anni (V₅₀). Il calcolo della pressione includeva un coefficiente di importanza I e un fattore di combinazione di carico di 1,6 per amplificare la velocità al livello ultimo in base alla categoria di rischio. Per un edificio di Categoria II, I era 1,0; per Categoria III, I era 1,15.

Per comprendere come questi fattori si collegano al MRI, Peterka e Shahid (1998) stabilirono una relazione per zone non soggette a uragani:

V_T / V₅₀ = 0,36 + 0,1 ln(12 T)

T = 0,00228 e^{10 √W_LF}

Ad esempio, il MRI target di ASCE 7 per un edificio di Categoria III è 1.700 anni. Risolvendo l’equazione con T=1.700, si ottiene un W_LF di 1,83, equivalente al prodotto 1,6 × 1,15 (fattore di carico per coefficiente di importanza).

Con l’ASCE 7-10 si è passati a mappe separate basate sul MRI target di ciascuna categoria di rischio, eliminando il coefficiente di importanza e riducendo il fattore di carico a 1,0. La formula di pressione è stata semplificata: W_T = C_F × V_T² × (1,0). Il MRI target per ogni categoria è rimasto invariato. Le successive versioni (fino a ASCE 7-22) hanno mantenuto questo impianto, con lievi revisioni dei valori di velocità di base e l’introduzione di mappe per le zone a tornado con logica analoga.

FM Global: un percorso alternativo con MRI più elevato

Quando un committente sceglie un’assicurazione FM, alcune assemblee edilizie (coperture, deck, ancoraggi) devono rispettare i criteri FM. Il metodo FM è simile all’ASCE 7-05: la velocità di base è tipicamente su MRI di 50 anni, ma include un coefficiente di importanza di 1,15 (uniforme per tutte le categorie) e un fattore di sicurezza di 2,0. Utilizzando la relazione di Peterka e Shahid, il periodo di ritorno equivalente per le pressioni ultime FM è di circa 8.800 anni. Le recenti mappe FM per tornado si basano su MRI di 10.000 anni da ASCE 7-22. FM non si applica al sistema resistente alle forze laterali principali (controventi, pareti di taglio), ma solo a componenti e tamponamenti.

Serviziabilità: perché 0,6W non è sufficiente

La discussione finora ha riguardato carichi ultimi per la sicurezza alla vita. Per criteri di servizio come le derive di telaio, ASCE 7 e il Design Guide 3 dell’AISC raccomandano di utilizzare una velocità con MRI di 10 o 25 anni, non il fattore 0,6W. Con i dati di Boston per ASCE 7-22 (Categoria III), la velocità a 1.700 anni è 124 mph, mentre quella a 10 anni è circa 74 mph. Il fattore di carico corrispondente è (74/124)² = 0,36, significativamente inferiore a 0,6. Per le frecce di elementi strutturali singoli, l’IBC raccomanda tipicamente una velocità a 10 anni con un fattore di carico equivalente a circa 0,42.

Carichi durante la costruzione secondo ASCE 37

ASCE 37 fornisce linee guida per i carichi da vento in fase costruttiva. Gli edifici in costruzione sono considerati Categoria di Rischio II, salvo diversa indicazione dell’autorità competente. I fattori di riduzione modificano la velocità di base di ASCE 7 in base alla durata prevista del cantiere, in modo che la probabilità di superamento durante la costruzione sia approssimativamente uguale a quella dell’edificio permanente in 50 anni. Per una durata di cantiere di 2-5 anni, la corrispondenza teorica porterebbe a una riduzione di circa 0,82 (un MRI di circa 70 anni). ASCE 37 specifica invece un fattore di 0,9, offrendo un margine conservativo. Le discussioni per la versione ASCE 37-25 esplorano la presentazione delle velocità di costruzione con MRI equivalente.

I futuri sviluppi normativi porteranno nuovi dati di ricerca. Ma il concetto di periodo di ritorno medio rimane uno strumento centrale per interpretare l’intento progettuale e comunicarlo con chiarezza ai partner di progetto, indipendentemente dall’evoluzione dei fattori di carico e dei formati.