Come costruire infrastrutture resilienti ai cambiamenti climatici

• Molti sistemi infrastrutturali statunitensi sono stati creati originariamente per la popolazione e il clima della metà del XX secolo e sono ormai vecchi.
• Dopo un grave evento alluvionale che ha messo fuori uso un'autostrada in Pennsylvania, il Dipartimento dei Trasporti ha intensificato gli sforzi proattivi per mitigare i danni alle infrastrutture causati dagli eventi climatici.
• La chiave per la modernizzazione delle infrastrutture è la tecnologia digitale.

Il 4 agosto 2020, una violenta tempesta di pioggia in Pennsylvania ha rovesciato quasi 18 centimetri d'acqua in circa otto ore, inondando un tratto basso e delimitato dal cemento dell’autostrada I-78. L'improvviso e intenso microburst, un tipo di tempesta imprevedibile e torrenziale che sta diventando sempre più comune negli Stati Uniti, ha chiuso le corsie in direzione est per ore e ha bloccato il traffico per chilometri. Il sistema di raccolta delle acque meteoriche sotto l'autostrada non è riuscito a resistere. L'impatto si è esteso alle comunità adiacenti, che sono rimaste chiuse fino a quando non è stato possibile effettuare le riparazioni.

"Dobbiamo pensare alla resilienza, perché se l'evento si ripete e si verifica un evento [alluvionale] di 500 o 1.000 anni, dobbiamo essere in grado di gestirlo", afferma Richard Runyen, ingegnere capo dei ponti e direttore dell'Ufficio ponti presso l'Ufficio centrale della PennDOT ad Harrisburg. "Non possiamo avere interstatali chiuse a causa di danni alla carreggiata o ai ponti per lunghi periodi di tempo".

Il problema, ovviamente, non è limitato alla Pennsylvania, né ai sistemi di acqua piovana. In tutto il mondo, le infrastrutture stanno cedendo. Dalle dighe e dai ponti fatiscenti alle ferrovie e alle gallerie in crisi, molti sistemi infrastrutturali creati originariamente per la popolazione e il clima della metà del XX secolo hanno superato il loro massimo splendore. (I governi di tutto il mondo stanno pensando a come questi sistemi si manterranno e sopravviveranno nei prossimi oltre 100 anni. Negli Stati Uniti, ad esempio, il governo sta investendo 3,5 trilioni di dollari (PDF, p. 6) in pacchetti di stimolo per "infrastrutture e industrie del futuro, compresa l'energia pulita"). Il cambiamento climatico sta esacerbando il deterioramento, causando. cedimenti di ponti, “pieghe del sole” sui binari ferroviari e fratture sulle strade. Gli eventi meteorologici estremi stanno distruggendo le infrastrutture e interi sistemi di trasporto.

Secondo Runyen, questi sistemi stanno cedendo in parte a causa della loro età. Negli Stati Uniti, i progetti costruiti negli anni '60 e '70, un'epoca che alcuni definiscono "l'età dell'oro delle infrastrutture", si basavano su modelli di progettazione e standard di costruzione antiquati. Ora, molti di questi sistemi necessitano di manutenzione o di una vera e propria sostituzione. Negli Stati Uniti, gli argini hanno in media 50 anni e più di un terzo dei ponti ha bisogno di essere riparato o sostituito. 

Il problema più impegnativo, afferma Louis Feagans, direttore generale delle prestazioni del sistema e della politica dei trasporti presso il Dipartimento dei Trasporti dell'Indiana, è che negli ultimi 50 anni il mondo è cambiato radicalmente, i finanziamenti per le agenzie statali sono più difficili e molti Stati stanno cercando di mettersi al passo con l'evoluzione delle tecnologie e delle esigenze infrastrutturali. Strade, autostrade e ponti sono stati creati quando i combustibili fossili erano più diffusi e le auto e i camion avevano un consumo di carburante molto più basso, con un numero di auto molto inferiore, camion che trasportavano carichi più leggeri, precipitazioni meno intense e temperature più basse. 

È fondamentale aggiornare i sistemi infrastrutturali in modo sostenibile, tenendo conto degli impatti del clima. Non si tratta solo di risolvere il problema", dice Runyen, "ma di assicurarsi che quello che stiamo facendo aggiunga vita a queste strutture". Ad alcuni non piace, perché sembra un'esagerazione in questo momento. Ma noi cerchiamo di spiegare che tra 20 anni non sarà più eccessivo. Questa è la sfida".

Il potere dei dati

Secondo Feagans, la chiave per la modernizzazione delle infrastrutture è la tecnologia digitale: condivisione del lavoro basata su cloud, un ambiente di dati comune, BIM e gemelli digitali, software di modellazione predittiva, Autodesk AutoCAD, sistemi GIS, sensori stradali e approcci di costruzione rapida come la progettazione per la produzione e l'assemblaggio (DfMA) in grado di rispondere alle condizioni mutevoli in modo economico e specifico per il sito.

Per molti Stati, il primo passo consiste nell'ottenere una migliore gestione delle risorse infrastrutturali. Prima della proposta di una tassa sul gas nel 2017, Feagans afferma che i funzionari dello Stato dell'Indiana hanno richiesto un conteggio del numero e delle condizioni dei ponti, dei chilometri di strada e dei canali di scolo grandi e piccoli.

Questi dati sono prontamente disponibili attraverso il portale Indiana Total Asset Management: Lo Stato ha 29.043 miglia di corsie, 5.763 ponti, 8.858 grandi canali e 50.000 piccoli canali, la cui età, condizione e posizione sono conservate nel cloud. Un migliore inventario si traduce in strade migliori. Negli ultimi cinque anni, la percentuale di strade in "cattive condizioni" è scesa dal 10% al 5%; i ponti sono passati dal 5% al 3%.

"Otto, nove anni fa non avevamo tutti i dati in un unico posto", dice Feagans. "Erano negli schedari, nel software di manutenzione e molti di essi erano su un foglio Excel. Erano ovunque. Una delle prime cose su cui abbiamo iniziato a lavorare è stata quella di centralizzare e iniziare ad avere un'unica fonte di dati e di inserirli in un programma di tipo asset GIS, in modo che fossero a portata di mano di tutti".

Anche la modellazione dei dati ha aiutato l'INDOT a prepararsi. Di recente, lo Stato ha avviato uno studio sulle precipitazioni e sui corsi d'acqua per valutare meglio il rischio di inondazioni, utilizzando i dati GIS del servizio geologico degli Stati Uniti. L'INDOT ha anche rivalutato i flussi di traffico e investito nel software di modellazione dTIMS per iterare rapidamente gli scenari legati ai costi per le riparazioni di tubi, ponti e strade. 

Definizione delle priorità degli asset e valutazione dei rischi

La visione a lungo termine di questi sforzi è quella di fornire a progettisti, ingegneri, pianificatori, idrologi e proprietari di beni i dati per valutare in modo affidabile i rischi e migliorare la resilienza dei progetti futuri.

Più immediatamente, l'obiettivo del risanamento delle infrastrutture è sviluppare un modo migliore per sostenere le infrastrutture esistenti. Il messaggio dell'Amministrazione Federale delle Autostrade, dice Runyen, è: "Se non dovete sostituire tutto, fate un passo indietro e riequilibrate il vostro portafoglio. Ed è su questo che ci stiamo concentrando in questo momento".

Su un budget complessivo per le infrastrutture di oltre 10 miliardi di dollari, l'obiettivo del PennDOT per le nuove costruzioni è di soli 2,8 miliardi di dollari. Ma per le attività di manutenzione e riabilitazione, la tecnologia fornisce importanti indicazioni per la definizione delle priorità degli asset e per la risposta alle emergenze, rivelando le strade con i volumi di traffico più elevati, le vie di accesso a scuole, ospedali e centrali elettriche e i costi dei progetti lungo la loro durata di vita. 

"Non tutti i ponti devono essere costruiti in modo resiliente", afferma Runyen. "Ma ci sono sicuramente strutture chiave che non possiamo permetterci di perdere ogni due anni perché si allagano. Ed è lì che vale davvero la pena di spendere". 

Un esempio di prioritizzazione degli asset è la manutenzione dei ponti, in particolare dopo le micropiogge. Uno strumento software chiamato BridgeWatch fornisce un quadro preciso dei luoghi in cui si verificano le precipitazioni più intense, riducendo i tempi di intervento delle squadre di emergenza. "Ci aiuta a reagire di conseguenza, inviando le nostre risorse nei posti giusti al momento giusto", spiega Runyen.

Grazie all'analisi, lo Stato può adottare misure proattive, come la deviazione dei flussi d'acqua dai piloni dei ponti vulnerabili, l'ammodernamento dei sistemi di tubature sotterranee o la rimozione dei depositi di sedimenti. "È quasi come prevedere il futuro", dice Runyen. "Ma è questo che dobbiamo iniziare a fare, prepararci alle incognite". 

L'INDOT, con un budget totale di 4,3 milioni di dollari, ha sviluppato strategie per il ciclo di vita delle pavimentazioni della durata di 12 e 20 anni: Le riparazioni meno impegnative, come la sigillatura delle crepe e i rappezzi, sono assegnate ai primi anni, mentre i lavori più intensivi, come le ricoperture di asfalto, vengono eseguiti verso la fine delle scadenze. Anche gli investimenti per la riparazione di ponti e condotti sotterranei consentono di prolungare la longevità dei beni esistenti. 

Feagans paragona i protocolli di manutenzione preventiva alle revisioni di routine delle auto: "Se non si cambia l'olio e non si ruotano le gomme, si avranno dei problemi". 

Costruire per il futuro 

A un certo punto, la politica delle riparazioni cessa di essere economicamente vantaggiosa. Pianificatori, idrologi, progettisti e ingegneri stanno ricalibrando le proiezioni storiche degli eventi meteorologici estremi, prevedendo cambiamenti climatici e precipitazioni più intense. I sistemi infrastrutturali dovranno resistere a danni ingenti, evitando la chiusura delle strade o la perdita di vite umane. In genere, i sistemi di raccolta delle acque meteoriche per le interstatali della Pennsylvania sono progettati per eventi alluvionali di 50 anni, ma probabilmente dovranno essere progettati per alluvioni più gravi di 500 anni.

"Non siamo più su una curva dolce [del cambiamento climatico]", afferma Runyen. "Ed è questo che dobbiamo tenere a mente: Le cose cambieranno in modo esponenziale".

Le strategie di progettazione resiliente comprendono, tra l'altro, la scelta di materiali più resistenti, l'innalzamento di strade e ponti, la collocazione di strade più lontane dai corridoi fluviali e la modifica della configurazione degli elementi strutturali. 

Si stanno sviluppando nuovi metodi per modellare e testare la resistenza dei materiali. In collaborazione con la Purdue University, l'INDOT sta valutando sensori in grado di rilevare la solidità del calcestruzzo. Gli ingegneri dello Stato stanno anche testando l'elasticità delle applicazioni della pavimentazione utilizzando deflettometri a caduta (FWD) per determinare la resilienza sotto carichi pesanti. 

Lo sviluppo di metodi per contenere l'erosione in prossimità dei terrapieni dei ponti, delle dighe e degli argini è un'altra area di ricerca attiva. Per proteggere le strade che confinano con i ponti e che sono soggette a dilavamento, il PennDOT ha assunto ricercatori della Lehigh University per valutare le tecniche di costruzione del riempimento. Un approccio prevede l'applicazione di una configurazione rinforzata di aggregati grossolani, rivestimento roccioso e fasce geosintetiche dietro le spalle dei ponti. La matrice strettamente legata aiuta a mantenere il materiale di riempimento in posizione e a far funzionare le strade durante e subito dopo le inondazioni.

"Se si guarda alla città di Venezia, ci sono enormi pezzi di cemento che la proteggono dalle inondazioni", spiega Runyen. "Si tratta di assorbire l'energia e tenere l'acqua lontana dalle fondamenta sensibili. Ma se l'alluvione è abbastanza grande, si iniziano a perdere queste pietre protettive. Abbiamo quindi condotto ricerche sull'uso di materiali diversi per creare una matrice, se così si può dire, che rimanga al suo posto più a lungo, ma che sia anche rispettosa dell'ambiente".

I finanziamenti del Infrastructure Investment and Jobs Act possono contribuire ad accelerare gli sforzi di ricerca. L'Indiana ha recentemente ricevuto 600.000 dollari di stanziamenti federali attraverso il programma PROTECT, che sostiene la pianificazione della resilienza per il trasporto di superficie. Il PennDOT prevede di ricevere altri 50 milioni di dollari all'anno dal programma. 

“Più le organizzazioni abbracciano strumenti e flussi di lavoro digitali avanzati, più saranno preparate ad affrontare le sfide poste dal cambiamento climatico e dagli eventi meteorologici estremi, a prolungare la vita delle strutture esistenti e a prepararsi alle sfide del futuro”.—Richard Runyen, PennDOT

Entrambi gli Stati sono ben lontani dal prevedere i costi a lungo termine, i risparmi energetici e come si salveranno vite umane. Ci vuole tempo per testare i progetti di nuovi ponti e strade, per testare i materiali e per sviluppare linee guida per i beni resilienti. Ma secondo Runyen si tratta di un passo avanti già compiuto. 

“Come ingegneri, dobbiamo uscire dalla nostra zona di comfort", afferma. "La resilienza è una vera e propria spinta per iniziare a pensare al di là di ciò per cui progettiamo oggi. In altre parole, i concetti di resilienza e ottimizzazione della tecnologia devono andare di pari passo: Più le organizzazioni abbracciano strumenti e flussi di lavoro digitali avanzati, più saranno preparate ad affrontare le sfide poste dal cambiamento climatico e dagli eventi meteorologici estremi, a prolungare la vita delle strutture esistenti e a prepararsi per le sfide del futuro”.