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Cost-effective Comparison of Alternatives to Retrofit Seismic Damage in Schools

Questo articolo valuta l'efficacia in termini di costi di due tecniche di adeguamento sismico per le scuole messicane impiegando un approccio probabilistico Monte Carlo per calcolare i costi del ciclo di vita, dimostrando infine che la strategia di riparazione ottimale dipende dal tipo e dall'entità specifica del danno sismico.

Autori originali: David De León-Escobedo, Francisco Bañuelos

Pubblicato 2026-10-14

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CC BY 4.0

Autori originali: David De León-Escobedo, Francisco Bañuelos

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I terremoti non si limitano a scuotere il terreno; essi mettono alla prova l'integrità degli edifici che ci offrono riparo, e tra i più vulnerabili vi sono le scuole. Quando una scuola viene danneggiata da un tremore, la domanda immediata è come ripararla affinché possa ospitare in sicurezza i bambini per i decenni a venire. La sfida risiede nello scegliere il metodo di riparazione corretto. Alcune soluzioni sono economiche ma deboli, mentre altre sono robuste ma proibitiveamente costose. Gli ingegneri devono pesare il costo della riparazione rispetto al rischio di futuri cedimenti, considerando non solo il prezzo dei materiali e della manodopera, ma anche il potenziale costo delle vite umane e l'interruzione dell'istruzione se l'edificio dovesse cedere nuovamente. Questo gioco di equilibri richiede di guardare oltre la fattura immediata verso l'intero ciclo di vita della struttura, chiedendosi quanto valga la sicurezza nei prossimi cinquant'anni.

In uno studio recente, ricercatori dell'Università Autonoma dello Stato del Messico hanno affrontato questo complesso processo decisionale analizzando due vere scuole in Messico che avevano subito danni durante il terremoto del 2017. Il team si è concentrato su due località specifiche: una scuola a un piano a Tetela del Volcán e una scuola a due piani a Tehuacán. Entrambi gli edifici, costruiti con telai in cemento armato e pareti in mattoni, avevano subito crepe e debolezze strutturali che minacciavano la loro futura sicurezza. I ricercatori volevano determinare quale strategia di riparazione offrisse il miglior valore, non solo in termini di costo iniziale di costruzione, ma calcolando il costo totale atteso durante la vita dell'edificio. Questo costo totale include il prezzo del retrofit stesso, più i costi previsti per eventuali danni futuri, inclusa la tragica valutazione finanziaria di potenziali lesioni o perdita di vite umane, e il costo del trasferimento degli studenti in strutture temporanee qualora la scuola dovesse chiudere di nuovo.

Per raggiungere la loro conclusione, il team ha simulato il comportamento di queste scuole sotto la minaccia di futuri terremoti. Non si sono limitati a indovinare quale riparazione avrebbe funzionato; hanno utilizzato modelli informatici per eseguire migliaia di scenari, tenendo conto dell'incertezza su quanto forte possa essere un futuro sisma e su come i materiali dell'edificio si comporterebbero realmente. Hanno testato due distinti metodi di riparazione. Il primo consisteva nell'applicare angoli d'acciaio agli angoli delle colonne e delle travi danneggiate per rinforzarle. Il secondo metodo, noto come "jacketing" (incamiciatura), prevedeva l'avvolgimento dei membri danneggiati con nuovo calcestruzzo e acciaio per rendere l'intera sezione trasversale più grande e resistente. Per ciascun metodo, i ricercatori hanno regolato la dimensione dei materiali aggiunti finché il rischio calcolato di cedimento dell'edificio non è sceso a un livello molto basso e accettabile.

I risultati hanno rivelato un chiaro vincitore che smentisce l'intuizione secondo cui "più grande è sempre meglio". Per entrambe le scuole, il metodo che utilizza angoli d'acciaio si è rivelato la soluzione più conveniente. Sebbene il metodo del jacketing rendesse i membri strutturali fisicamente più grandi, richiedeva significativamente più materiale e manodopera, facendo lievitare il prezzo iniziale senza fornire un aumento proporzionale della sicurezza. Al contrario, gli angoli d'acciaio hanno fornito un confinamento altamente efficiente per le sezioni danneggiate, riducendo drasticamente la probabilità di cedimento con un investimento iniziale molto più basso. Quando i ricercatori hanno aggiunto i potenziali costi futuri del cedimento alle fatture iniziali di riparazione, la differenza è diventata ancora più netta. Il costo totale atteso del ciclo di vita per il retrofit con angoli d'acciaio era sostanzialmente inferiore a quello del metodo di jacketing per entrambe le scuole.

Lo studio evidenzia che la migliore strategia di riparazione dipende fortemente dal tipo e dall'entità specifica del danno. Per le crepe localizzate e i danni moderati osservati in queste due scuole, una riparazione mirata e localizzata è stata sufficiente e molto più economica rispetto a un massiccio intervento globale. I ricercatori hanno scoperto che la parte più costosa dell'equazione non era la costruzione in sé, ma il potenziale costo della tragedia umana. Poiché le scuole sono piene di bambini, il peso finanziario di un potenziale decesso è enorme, rendendo fondamentale scegliere una riparazione che minimizzi la possibilità di crollo. Selezionando il retrofit con angoli d'acciaio, le scuole hanno raggiunto un livello di sicurezza in cui il rischio di cedimento è passato da un livello alto e inaccettabile a uno molto basso, risparmiando denaro nel lungo periodo.

Questo approccio offre una tabella di marcia pratica per gli amministratori scolastici e gli ingegneri che affrontano dilemmi simili. Suggerisce che, quando una scuola è danneggiata, l'obiettivo non deve essere semplicemente quello di rendere l'edificio il più forte possibile, ma di renderlo abbastanza forte da essere sicuro per tutto il suo tempo di vita rimanente al minor costo ragionevole. Lo studio conclude che, per danni moderati, le riparazioni localizzate sono spesso superiori a quelle globali, e che un calcolo attento dei rischi futuri è essenziale per fare la scelta giusta. Monitorando queste strutture e applicando la riparazione giusta al momento giusto, le comunità possono garantire che le loro scuole rimangano rifugi sicuri per le generazioni a venire.

Sintesi Tecnica: Confronto Cost-efficace tra le Alternative per il Retrofit dei Danni Sismici nelle Scuole

Definizione del Problema
Le attuali strategie per il retrofit delle scuole a seguito di danni sismici spesso non tengono conto dei costi del ciclo di vita, concentrandosi invece sulla riparazione immediata senza una valutazione completa della sicurezza strutturale a lungo termine e dell'efficienza economica. Sebbene esistano varie metodologie per valutare le prestazioni strutturali sotto carichi sismici, le proposte specifiche per i retrofit scolastici che integrino esplicitamente le probabilità di guasto e le analisi dei costi del ciclo di vita sono scarse. Le linee guida esistenti, come quelle dell'INIFED (2016), mancano di rapporti costi-benefici, e altri studi hanno proposto tecniche di retrofit senza analisi economiche di accompagnamento. Questo articolo affronta la necessità di una formulazione basata sul rischio per valutare l'efficacia dei costi delle alternative di retrofit, calcolando sia la probabilità di guasto che il costo atteso del ciclo di vita per le scuole in Messico.

Metodologia
Lo studio propone un quadro probabilistico per valutare le alternative di retrofit per due scuole reali in Messico (Tetela del Volcán, Morelos, e Tehuacán, Puebla) che hanno subito danni sismici. La metodologia prevede le seguenti fasi chiave:

Modellazione Strutturale e Calibrazione del Danno: I modelli preliminari sono stati calibrati utilizzando i record del terremoto del 19 settembre 2017 per riprodurre i danni osservati e identificare i membri strutturali critici.
Calcolo della Probabilità di Guasto: La probabilità di guasto ( $F_p$ ) è definita come l'evento in cui il margine di sicurezza ( $LS$ ) è inferiore a zero. Questa viene calcolata utilizzando tecniche di simulazione Monte Carlo, trattando le richieste sismiche e le capacità strutturali come variabili aleatorie lognormali. Il teorema della probabilità totale è applicato a scenari discretizzati di Accelerazione di Picco al Suolo (PGA).
Valutazione del Costo del Ciclo di Vita (LCC): Il costo totale atteso ( $E(LC)$ $E (L C)$ ) combina il costo iniziale di retrofit ( $C_i$ $C_{i}$ ) con i costi futuri attesi delle conseguenze del guasto ( $E(PCF)$ $E (P C F)$ ). Queste conseguenze includono:
- Costo dei contenuti scolastici ( $C_{co}$ ).
- Costo dell'interruzione dell'attività ( $C_{int}$ ).
- Costo dei lesioni ( $C_{inj}$ ).
- Costo dei potenziali decessi ( $C_d$ ), calcolato utilizzando un approccio basato sul capitale umano relativo al reddito perso durante una vita produttiva.
- Un fattore di valore attuale (PVF) è applicato ai costi futuri utilizzando un tasso di interesse dell'8% su una durata scolastica di 50 anni.
Design di Retrofit Iterativo: Due alternative di retrofit sono state testate per ciascuna scuola:
- Retrofit 1 (R1): Aggiunta di angoli strutturali in acciaio agli angoli dei membri danneggiati.
- Retrofit 2 (R2): Incamiciatura (jacketing) delle colonne e delle travi danneggiate con aumento delle dimensioni e dell'armatura.
  Il processo di progettazione è iterativo; le dimensioni vengono aumentate finché la probabilità di guasto non scende al di sotto del valore target di $10^{-3}$ , come raccomandato da ISO 8930 (2021) e studi precedenti.

Risultati Chiave
L'applicazione della metodologia proposta ai due casi di studio ha prodotto i seguenti risultati:

Rischio Iniziale: Prima del retrofit, le scuole esibivano alte probabilità di guasto a causa dei danni osservati: 0,39 per Tetela del Volcán e 0,23 per Tehuacán.
Efficacia del Retrofit:
- Tetela del Volcán: R1 ha ridotto la probabilità di guasto a 0,0026, mentre R2 l'ha ridotta a 0,0086.
- Tehuacán: R1 ha ridotto la probabilità di guasto a 0,0045, mentre R2 l'ha ridotta a 0,006.
Analisi dei Costi:
- Costi di Retrofit: R1 è stato generalmente meno costoso ( $16.000 e$ 31.000 USD per Tehuacán e Tetela, rispettivamente) rispetto a R2 ( $13.000 e$ 24.000 USD).
- Costi del Ciclo di Vita: Il costo atteso del ciclo di vita per R1 è stato significativamente inferiore rispetto a quello per R2 in entrambe le località. Per Tetela del Volcán, R1 è costato $70.700 USD contro i $146.300 USD di R2. Per Tehuacán, R1 è costato $56.400 USD contro i $69.200 USD di R2.
Fattore di Costo Dominante: Il costo dei potenziali decessi ( $C_d$ ) è stato la componente più significativa del costo del ciclo di vita, giustificando l'alta priorità data alla sicurezza scolastica.

Significato e Conclusioni
L'articolo conclude che la selezione di uno schema di retrofit appropriato deve essere guidata dal tipo, dal livello e dall'estensione del danno, nonché dal rischio sismico e dalle conseguenze del guasto.

Strategia Ottimale: Per i danni localizzati e moderati osservati nei casi di studio, un retrofit localizzato (R1: angoli in acciaio) si è dimostrato più cost-effective e sicuro rispetto a un incamiciatura globale delle sezioni (R2). Il confinamento fornito dagli angoli in acciaio ha contribuito alla sicurezza più dell'aumento della sezione del jacketing.
Strumento Decisionale: Il costo atteso del ciclo di vita è presentato come una metrica efficace per il processo decisionale, bilanciando l'investimento iniziale con la probabilità di eventi catastrofici futuri e i relativi costi.
Raccomandazioni: Gli autori raccomandano programmi di monitoraggio permanente per le scuole per facilitare decisioni di manutenzione tempestive. Suggeriscono inoltre di estendere questa formulazione per coprire altri tipi strutturali, alternative di retrofit e modalità di guasto per stabilire linee guida generali per le scuole in zone sismiche.

Lo studio sottolinea che, mentre i danni estesi possono richiedere interventi globali (ad esempio, controventi in acciaio o pareti di taglio), i danni localizzati sono meglio affrontati con soluzioni mirate e cost-effective che minimizzano i costi del ciclo di vita pur soddisfacendo gli obiettivi di affidabilità.

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