SPERIMENTAZIONE DEI MATERIALI E DELLE STRUTTURE IL MONITORAGGIO DELLE STRUTTURE DELL INGEGNERIA CIVILE CASI DI STUDIO IN CAMPO DINAMICO

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1 SPERIMENTAZIONE DEI MATERIALI E DELLE STRUTTURE IL MONITORAGGIO DELLE STRUTTURE DELL INGEGNERIA CIVILE IN CAMPO DINAMICO Paolo Panzeri MILANO - maggio 27 a.a. 26-7

2 IN CAMPO DINAMICO STRUMENTAZIONE DI MISURA Le principali caratteristiche della strumentazione di misura sono: -la sensibilità statica, intesa come rapporto tra tensione elettrica di uscita e valore della grandezza meccanica di ingresso; -la linearità, intesa come il massimo scostamento della curva di calibrazione dello strumento da una retta; -la risoluzione, definita come il più piccolo cambiamento misurabile nella grandezza di ingresso; - il rapporto segnale - rumore, inteso come grado di disturbo arrecato dal segnale elettrico quando è nullo il segnale meccanico di ingresso. Nelle indagini dinamiche con vibrodina vengono tipicamente utilizzate le seguenti principali tipologie di sensori: - Accelerometri; - Sismometri; - Trasduttori di spostamento di tipo elettroinduttivo; - Estensimetri a variazione di resistenza elettrica; - Estensimetri di tipo elettroinduttivo.

3 IN CAMPO DINAMICO STRUMENTAZIONE DI MISURA

4 IN CAMPO DINAMICO Prova di carico dinamico [1/4] Copertura Nuova Fiera di Rimini Rimini (RN)

5 IN CAMPO DINAMICO Prova di carico dinamico [2/4] Copertura Nuova Fiera di Rimini Rimini (RN)

6 IN CAMPO DINAMICO Prova di carico dinamico [3/4] Copertura Nuova Fiera di Rimini Rimini (RN)

7 IN CAMPO DINAMICO CROSS DENSITA' - SEZIONE NORD-SUD 2 CROSS DENSITA' - SEZIONE NORD-SUD Ampiezza [ (µm/s)² / Hz ] Differenza di fase [ ] S2L S4L S6L S8L Frequenza [Hz] Frequenza [Hz] Prova di carico dinamico [4/4] Copertura Nuova Fiera di Rimini Rimini (RN)

8 Ponte ad arco di Reggio Emilia Arch. S. Calatrava [1/12] Studio vibrazionale ed esecuzione di prove di vibrazione con macchina idraulica posizionata in orizzontale

9 STRUMENTAZIONE IMPIEGATA: 6 trasduttori di spostamento induttivi verticale ed orizzontale agli appoggi 6 rosette estensimetriche 36 strain gage monoassiali 3 accelerometri Ponte ad arco di Reggio Emilia Arch. S. Calatrava [2/12]

10 STRUMENTAZIONE IMPIEGATA: Ponte ad arco di Reggio Emilia Arch. S. Calatrava [3/12]

11 STRUMENTAZIONE IMPIEGATA: Ponte ad arco di Reggio Emilia Arch. S. Calatrava [4/12]

12 Ponte ad arco di Reggio Emilia Arch. S. Calatrava [5/12] Prova di tiro e rilascio arcone direzione trasversale

13 accelerazione [mm/s²] Ti (4) PCB_O2- ACC2Y tempo [s] Tf Ampiezza [ (mm/s²) ² / Hz ] acc acc2y acc5y acc8y Cross densità Y - ARCO Frequenza [Hz] Ponte ad arco di Reggio Emilia Arch. S. Calatrava [6/12] Prova di tiro e rilascio arcone direzione trasversale

14 Ponte ad arco di Reggio Emilia Arch. S. Calatrava [7/12] Prova di tiro e rilascio impalcato I configurazione

15 PRE POST 12 Cross densità Z - IMPALCATO 4 Cross densità Z - IMPALCATO Ampiezza [ (mm/s²) ² / Hz ] Ampiezza [ (mm/s²) ² / Hz ] Frequenza [Hz] acc12z acc15z acc18z acc21z acc24z acc27z acc3z Frequenza [Hz] acc12z acc15z acc18z acc21z acc24z acc27z acc3z 12 Cross densità Z - IMPALCATO 4 Cross densità Z - IMPALCATO Ampiezza [ (mm/s²) ² / Hz ] Ampiezza [ (mm/s²) ² / Hz ] Frequenza [Hz] acc12z acc15z acc18z acc21z acc24z acc27z acc3z Frequenza [Hz] acc12z acc15z acc18z acc21z acc24z acc27z acc3z Ponte ad arco di Reggio Emilia Arch. S. Calatrava [8/12] Prova di tiro e rilascio impalcato I configurazione

16 Ponte ad arco di Reggio Emilia Arch. S. Calatrava [9/12] Prova di tiro e rilascio impalcato II configurazione

17 PRE POST Cross densità Z - IMPALCATO Cross densità Z - IMPALCATO Ampiezza [ (mm/s²) ² / Hz ] acc11z acc14z acc17z acc2z acc23z acc26z acc29z Ampiezza [ (mm/s²) ² / Hz ] acc11z acc14z acc17z acc2z acc23z acc26z acc29z Frequenza [Hz] F [H ] Cross densità Z - IMPALCATO Cross densità Z - IMPALCATO Ampiezza [ (mm/s²) ² / Hz ] Frequenza [Hz] acc11z acc14z acc17z acc2z acc23z acc26z acc29z Ponte ad arco di Reggio Emilia Arch. S. Calatrava [1/12] Prova di tiro e rilascio impalcato II configurazione Ampiezza [ (mm/s²) ² / Hz ] Frequenza [Hz] acc11z acc14z acc17z acc2z acc23z acc26z acc29z

18 Ponte ad arco di Reggio Emilia Arch. S. Calatrava [11/12] Prova di tiro e rilascio impalcato III configurazione

19 PRE POST 2 Cross densità Z - IMPALCATO 18 Cross densità Z - IMPALCATO Ampiezza [ (mm/s²) ² / Hz ] Ampiezza [ (mm/s²) ² / Hz ] Frequenza [Hz] 11 Cross densità Z - IMPALCATO 18 acc11z acc14z acc17z acc2z acc23z acc26z acc29z Frequenza [Hz] 11 Cross densità Z - IMPALCATO 18 acc11z acc14z acc17z acc2z acc23z acc26z acc29z Ampiezza [ (mm/s²) ² / Hz ] Frequenza [Hz] acc11z acc14z acc17z acc2z acc23z acc26z acc29z Ponte ad arco di Reggio Emilia Arch. S. Calatrava [12/12] Prova di tiro e rilascio impalcato III configurazione Ampiezza [ (mm/s²) ² / Hz ] Frequenza [Hz] acc11z acc14z acc17z acc2z acc23z acc26z acc29z

20 IN CAMPO STATICO Prova di carico statico [1/3] Ponte ad arco Arch. Calatrava Reggio Emilia (RE) 1 flessimetri a corsa lunga per la frecci verticale 6 estensimetri induttivi (sugli stralli subverticali base 1 cm)

21 IN CAMPO STATICO I Combinazione di carico II Combinazione di carico III Combinazione di carico Prova di carico statico [2/3] Ponte ad arco Arch. Calatrava Reggio Emilia (RE)

22 IN CAMPO STATICO Prova di carico statico [3/3] Ponte ad arco Arch. Calatrava Reggio Emilia (RE)

23 CALCOLO PREVISIONALE DEI LIVELLI MASSIMI DI VIBRAZIONE INDOTTI DAL MOVIMENTO RITMICO DEGLI SPETTATORI SULLE TRIBUNE DI UNO STADIO IL PROBLEMA Livelli di vibrazione indotti sulle strutture di uno stadio dal movimento ritmico degli spettatori in relazione a fenomeni di sincronismo tra frequenza fondamentale di eccitazione e/o sue armoniche di ordine superiore e frequenze proprie della struttura. Argomento di notevole interesse sia in fase di progettazione di nuove opere, che in occasione di ampliamenti di strutture esistenti, al fine di verificare l eventuale necessità di prevedere l inserimento di sistemi di smorzamento delle vibrazioni in relazione alla evidenza di condizioni critiche. Prova di carico dinamico [1/11] Stadio Morumbi - S. Paolo del Brasile

24 Prova di carico dinamico [2/11] Stadio Morumbi - S. Paolo del Brasile

25 CALCOLO PREVISIONALE DEI LIVELLI MASSIMI DI VIBRAZIONE INDOTTI DAL MOVIMENTO RITMICO DEGLI SPETTATORI SULLE TRIBUNE DI UNO STADIO METODOLOGIA - Determinazione del comportamento dinamico della struttura - Analisi modale (frequenze proprie, forme modali e smorzamenti) - Calcolo dei livelli massimi di vibrazione indotti sulla struttura stessa dalle forzanti. Il calcolo previsionale viene condotto sincronizzando frequenze di eccitazione con frequenze naturali, e modalità di movimento del pubblico con forme modali. L'analisi viene di norma sviluppata sulla base di un approccio parametrico, al fine di individuare le combinazioni di carico più severe in termini di ampiezze di vibrazioni indotte sulle tribune. Confronto dei livelli massimi ottenuti con i limiti di vibrazione ammissibili, Prova di carico dinamico [3/11] Stadio Morumbi - S. Paolo del Brasile

26 CALCOLO PREVISIONALE DEI LIVELLI MASSIMI DI VIBRAZIONE INDOTTI DAL MOVIMENTO RITMICO DEGLI SPETTATORI SULLE TRIBUNE DI UNO STADIO LO SPETTRO DI CARICO 2. ωo 3. ωo INDOTTO DAGLI SPETTATORI 1 La frequenza fondamentale di eccitazione ω viene normalmente fatta variare nei campi di frequenza,4,7 Hz per eccitazione orizzontale e 1,5 3, Hz per eccitazione verticale. Il campo di frequenza di interesse è quindi il campo compreso tra e 9 Hz in cui potrebbero collocarsi le principali armoniche di eccitazione indotte dagli spettatori. Prova di carico dinamico [4/11] Stadio Morumbi - S. Paolo del Brasile frequenza [ω / ω]

27 CALCOLO PREVISIONALE DEI LIVELLI MASSIMI DI VIBRAZIONE INDOTTI DAL MOVIMENTO RITMICO DEGLI SPETTATORI SULLE TRIBUNE DI UNO STADIO LE PROVE DINAMICHE In considerazione dell importanza della accuratezza con cui deve essere determinato il comportamento dinamico dell opera ai fini dell affidabilità dei risultati di previsione, è di norma opportuno nel caso di strutture esistenti - condurre l analisi modale dell opera a partire dai risultati sperimentali forniti da prove di vibrazione forzata con vibrodina. Le postazioni di eccitazione e le forze da applicare mediante la vibrodina devono essere tali consentire di evidenziare e determinare con accuratezza tutti i modi di vibrare compresi nel campo di frequenza di interesse; le stesse posizioni di misura devono essere scelte, in termini di numero e di ubicazione, in modo tale da garantire una valida descrizione delle forme modali. Prova di carico dinamico [5/11] Stadio Morumbi - S. Paolo del Brasile

28 Prova di carico dinamico [6/11] Stadio Morumbi - S. Paolo del Brasile

29 CALCOLO PREVISIONALE DEI LIVELLI MASSIMI DI VIBRAZIONE INDOTTI DAL MOVIMENTO RITMICO DEGLI SPETTATORI SULLE TRIBUNE DI UNO STADIO I SISTEMI DI SMORZAMENTO DELLE VIBRAZIONI Il confronto tra i livelli vibrazionali attesi nei due casi di struttura in condizione originaria (struttura libera) e struttura interessata da interventi di contenimento delle vibrazioni (struttura smorzata), costituisce il metodo diretto di quantificazione del beneficio indotto dagli interventi migliorativi ipotizzati. Prova di carico dinamico [7/11] Stadio Morumbi - S. Paolo del Brasile

30 Prova di carico dinamico [8/11] Stadio Morumbi - S. Paolo del Brasile

31 CALCOLO PREVISIONALE DEI LIVELLI MASSIMI DI VIBRAZIONE INDOTTI DAL MOVIMENTO RITMICO DEGLI SPETTATORI SULLE TRIBUNE DI UNO STADIO INTERVENTI DI MITIGAZIONE APPLICABILI AD UNO STADIO - Irrigidimento della struttura mediante l inserimento di setti in grado di influenzare significativamente l assetto strutturale; - Inserimento di elementi ad alta capacità dissipativa (smorzatori) in grado di incrementare lo smorzamento strutturale complessivo (in genere contenuto per strutture in calcestruzzo) e quindi di abbattere le amplificazioni modali; - Inserimento di sistemi a massa sincronizzata (TMD Tuned Mass Dampers). Il principio di funzionamento consiste nel sincronizzare la frequenza di risonanza del dispositivo con quella di risonanza della struttura. L interazione dinamica tra sistema primario e sistema a massa sincronizzata comporta quindi un abbattimento delle amplificazioni modali. Prova di carico dinamico [9/11] Stadio Morumbi - S. Paolo del Brasile

32 Prova di carico dinamico [1/11] Stadio Morumbi - S. Paolo del Brasile

33 CALCOLO PREVISIONALE DEI LIVELLI MASSIMI DI VIBRAZIONE INDOTTI DAL MOVIMENTO RITMICO DEGLI SPETTATORI SULLE TRIBUNE DI UNO STADIO ESEMPI DI RISULTATI 4 POSIZIONE 1R Modulo [(µm/s²)/n] Frequenza [Hz] 2 POSIZIONE 1R Differenza di fase [ ] Frequenza [Hz] Prova di carico dinamico [11/11] Stadio Morumbi - S. Paolo del Brasile

34 STUDIO DELL'IMPATTO DA VIBRAZIONE SU FABBRICATI ESISTENTI IN ADIACENZA A NUOVE LINEE FERROVIARIE O METROPOLITANE OBIETTIVO Strumento di fondamentale importanza in fase di progettazione di sistemi di mitigazione delle vibrazioni da eventualmente prevedere lungo il tracciato interessato in relazione alla evidenza di condizioni critiche. Le previsioni vengono normalmente effettuate a partire da diverse soluzioni di armamento ferroviario a differente livello di mitigazione (armamenti convenzionali e armamenti a massa flottante) con diverse ipotesi di tracciato ed eventualmente di tipologia di infrastruttura. Le analisi vengono condotte mettendo in conto sia il modello di esercizio previsto (tipo convogli, frequenza, orario, velocità di transito), sia eventuali integrazioni per prevedere scenari di futuro utilizzo. Analisi previsionale vibrazionale [1/7] Galleria Monte Mario - Roma

35 STUDIO DELL'IMPATTO DA VIBRAZIONE SU FABBRICATI ESISTENTI IN ADIACENZA A NUOVE LINEE FERROVIARIE O METROPOLITANE METODOLOGIA quantificazione dei fenomeni di propagazione delle vibrazioni generate dai treni in transito e trasmesse attraverso i differenti mezzi lungo il percorso. infrastruttura ferroviaria terreno fondazione ricettore ricettore Analisi previsionale vibrazionale [2/7] Galleria Monte Mario - Roma

36 STUDIO DELL'IMPATTO DA VIBRAZIONE SU FABBRICATI ESISTENTI IN ADIACENZA A NUOVE LINEE FERROVIARIE O METROPOLITANE METODOLOGIA La previsione dei meccanismi di propagazione avviene nel dominio delle frequenze (analisi spettrale) e può essere condotta per via numerica mettendo in conto una serie di dipendenze parametriche: - caratteristiche dell'infrastruttura: galleria, trincea, rilevato, viadotto; - natura e caratteristiche del suolo; - distanza plano-altimetrica tra linea ed edificio ricettore; - caratteristiche del sistema fondazionale degli edifici; - caratteristiche strutturali degli edifici (strutture verticali ed orizzontali); - propagazione delle vibrazioni da piano a piano; - amplificazione degli orizzontamenti Analisi previsionale vibrazionale [3/7] Galleria Monte Mario - Roma

37 STUDIO DELL'IMPATTO DA VIBRAZIONE SU FABBRICATI ESISTENTI IN ADIACENZA A NUOVE LINEE FERROVIARIE O METROPOLITANE METODOLOGIA oppure per via sperimentale attraverso la determinazione delle fdt fornite da indagini con vibrodina il risultato operativo consiste sempre nella Valutazione dei livelli vibrazionali presenti all interno dei ricettori (vibrazioni e rumore solido) Analisi previsionale vibrazionale [4/7] Galleria Monte Mario - Roma

38 1 Forza applicata Forza [kn] Ti Tf tempo [s] Analisi previsionale vibrazionale [5/7] Galleria Monte Mario - Roma

39 1 Valori efficaci spettrali 1 Ampiezza [kn] Frequenza [Hz] forza applicata Analisi previsionale vibrazionale [6/7] Galleria Monte Mario - Roma

40 .5 S3-L.1 Valori efficaci spettrali velocità [mm/s] Ti Tf.1 velocità [mm/s] tempo [s] S3-T.1 Ti Tf tempo [s] Ampiezza [mm/s] velocità [mm/s].1 Ti Tf S3-V tempo [s] Analisi previsionale vibrazionale [7/7] Galleria Monte Mario - Roma Frequenza [Hz] S1-L S2-L S3-L S4-L

41 IN CAMPO DINAMICO Paolo Panzeri P&P Consulting Engineers

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