RELAZIONE DI FINE TIROCINIO FORMATIVO E CURRICULARE

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1 RELAZIONE DI FINE TIROCINIO FORMATIVO E CURRICULARE Monitoraggio strutturale procedure ed analisi dei dati TUTOR UNIVERSITARIO: Prof. Gianmarco De Felice STUDENTE: Tiziana D Arienzo - matricola:

2 SOMMARIO Introduzione Monitoraggio strutturale Osservatorio sismico delle strutture Strumentazione Configurazioni Il grado di operatività - IOP Osservazioni sul campo Edifici Monitorati Abbazia di Casamari Refettorio - biblioteca Campanile Municipio di Giuncugnano Descrizione dell edificio Configurazioni della rete di monitoraggio Analisi dei dati registrati Filtraggio Software LMS Polymax Risultati preliminari... 16

3 INTRODUZIONE L esperienza di tirocinio, di seguito riportata, è stata condotta presso il complesso dell Abbazia di Casamari in Veroli al fine di comprendere le procedure fondamentali da eseguire durante un monitoraggio strutturale con successiva analisi ed interpretazione dei dati registrati. L obiettivo finale del tirocinio è stato quello di applicare tali procedure ad un edifico strategico ovvero edificio pubblico di importanza strategica, facente parte dell Osservatorio Sismico delle Strutture (OSS), cioè una rete di monitoraggio sismico permanente delle accelerazioni di edifici pubblici e ponti gestita dal Dipartimento della Protezione Civile - Servizio Monitoraggio Sismico del Territorio dell Ufficio Rischio Sismico e Vulcanico, con lo scopo di valutare la pericolosità sismica e la risposta strutturale (grado di operatività) dell edificio attraverso misure di rumore ambientale. Gli edifici strategici sono le strutture finalizzate alla gestione dell emergenza sismica e dunque devono rimanere operative, ovvero non subire danni ed interruzioni d'uso significativi a seguito di terremoto violento: il fabbricato, oggetto di valutazioni, è la sede del Municipio nel Comune di Giuncugnano (LU), sito in località Magliano. L attività di tirocinio è stata supportata, unitamente all Università degli Studi di Roma Tre con tutor il Prof. Gianmarco de Felice, dal Dipartimento della Protezione Civile. I referenti per il Dipartimento della Protezione Civile sono stati il Dott. Fabio Sabetta e l Ing. Daniele Spina, Ufficio Rischio Sismico e Vulcanico del DPC, con sede in via Vitorchiano 4, Roma. Il tirocinio ha richiesto un impegno complessivo di 150 ore, corrispondenti a 6 Crediti Formativi Universitari.

4 1 MONITORAGGIO STRUTTURALE Il tema del monitoraggio strutturale, mediante una reti di sensori, ha ricevuto negli ultimi venti anni un interesse crescente da parte sia del mondo della ricerca sia da quello professionale come testimonia il numero crescente di sistemi di monitoraggio installati in varie nazioni del mondo. I motivi principali di questo sviluppo risiedono da un lato nelle limitazioni connesse con l utilizzo dei metodi tradizionali basati su ispezioni visive, dall altro nelle grandi potenzialità offerte da un sistema di rilevamento automatico dello stato di salute di una struttura in termini di riduzione dei costi di manutenzione. Il monitoraggio strutturale in zona sismica può avere anche vantaggi che derivano dalla specificità dell azione sismica e delle sue possibile conseguenze sulle strutture. Innanzitutto la disponibilità di risposte registrate su una struttura reale costituisce un ausilio di importanza fondamentale sia per l avanzamento delle conoscenze relative al comportamento delle strutture sotto azioni sismiche di forti intensità, sia per la calibrazione di modelli numerici che ne possano riprodurre in maniera realistica e affidabile il comportamento e possano essere utilizzati per la formulazione di diagnosi relative alle cause di eventuali danni. Il monitoraggio strutturale per le strutture civili non coinvolge solo l identificazione di danni improvvisi o progressivi delle costruzioni ma si presta bene all individuazione delle prestazioni delle stesse nelle condizioni di esercizio o durante particolari condizioni ambientali quali i terremoti. Il monitoraggio previsto per il complesso di Casamari è stato condotto mediante Poseidon, accelerometri di tipo force balance a bassissimo rumore ed elevata dinamica che consente di rilevare rumore ambientale e forti fenomeni sismici. Le caratteristiche specifiche degli strumenti utilizzati sono riportati nei paragrafi successivi. Il cuore di un sistema di monitoraggio risiede nelle procedure utilizzate per l interpretazione dei dati registrati al fine della diagnosi di un eventuale stato di danno. Il metodo SMAV (Seismic Model from Ambient Vibrations ) è un nuovo modello finalizzato alla stima della vulnerabilità sismica degli edifici basandosi sull estrazione dei suoi parametri modali, attraverso l utilizzo di misure sperimentali di rumore ambientale. Trova le sue basi teoriche nella tecnica che prende il nome di Operational Modal Analysis. Il metodo sperimentale proposto si fonda sull identificazione delle specifiche proprietà dinamiche dell edificio tramite misure delle vibrazioni provocate da sorgenti ambientali, quali il traffico veicolare ed il vento, assumendo che l ente generatore delle vibrazioni sia un processo stocastico (rumore bianco). Sotto le ipotesi di comportamento lineare con effetto dello smorzamento viscoso proporzionale a massa e rigidezza della struttura, il comportamento dinamico dell edificio può essere descritto utilizzando i suoi modi normali caratteristici, ovvero mediante analisi modale. Ogni modo è caratterizzato da: frequenza naturale;

5 coefficiente di smorzamento; forma modale; coefficiente di partecipazione al modo. Se confrontato con tecniche alternative nell ambito di un tipo di analisi modale sperimentale, i vantaggi dell analisi condotta con tale metodo sono molteplici: - garantisce un ottimizzazione dei tempi e dei costi; le misure possono essere eseguite con strumentazioni mobili in assenza di cavi, permettendone costi esigui ed un utilizzo ripetuto; - non richiede l interruzione della funzionalità dell edificio, prerogativa vantaggiosa nel caso di edifici con normale affollamento, come nel caso dell Abbazia di Casamari, ma che può essere fondamentale nel caso di edifici strategici quali ospedali o istituti adibiti a sale operative; - permette l identificazione della risposta dinamica di una struttura senza richiederne l eccitamento diretto esterno, mediante ad esempio vibrodine, martelli strumentati, eccitatori oleodinamici o elettrodinamici. 1.1 OSSERVATORIO SISMICO DELLE STRUTTURE La rete di monitoraggio sismico permanente delle accelerazioni di edifici pubblici e ponti gestita dal Dipartimento della Protezione Civile - Servizio Monitoraggio Sismico del Territorio dell Ufficio Rischio Sismico e Vulcanico, si compone oggi di 142 strutture localizzate su tutto il territorio nazionale. In maniera sintetica si riporta la composizione attuale: Dati acquisiti dal 2000 ad oggi: 254 eventi sismici (133 ultimi 8 mesi); 673 registrazioni da strutture (249 ultimi 8 mesi).

6 Per ciascuna struttura dell OSS, ISS contiene: 1. Documentazione sulla struttura (elaborati progettuali, relazione geologica, verifiche strutturali) 2. Risultati dei rilievi geometrici e le indagini non distruttive eseguire dal DPC 3. Relazione sull adeguatezza sismica 4. Risultati Analisi Modale Sperimentale. 5. Modelli numerici EF (Lineare-preliminere, lineare-aggiornato, non lineare) e relative relazioni 6. Relazione di fine installazione del sistema di monitoraggio 7. Elaborati grafici sulla disposizione dei sensori 8. Registrazioni di eventi sismici L accesso a ISS non è libero ma necessita di un Login con utente e password.

7 2 STRUMENTAZIONE Nelle applicazioni di identificazione dinamica delle strutture è possibile ricorrere a diversi tipi di trasduttori (trasduttori di spostamento, velocimetri, accelerometri, geofoni). Tra questi più ampio utilizzo hanno generalmente gli accelerometri, date le loro ridotte dimensioni (un peso limitato fa sì che esso non influenzi significativamente le caratteristiche dinamiche del sistema oggetto di analisi); inoltre una misurazione in termini di spostamento è in grado di restituire, mediante semplice integrazione numerica, le altre grandezze utili, quali velocità e spostamenti. La misurazione selezionata nell analisi è un sistema di acquisizione dati integrato, specializzato per il monitoraggio strutturale. Poseidon è un sistema di acquisizione dati integrato, studiato per soddisfare le esigenze di monitoraggio in campo sismico. Il sistema integra: un accelerometro monoassiale, biassiale o triassiale (in funzione del modello); L accelerometro è di tipo force balance a bassissimo rumore ed elevata dinamica che consente di rilevare rumore ambientale e forti fenomeni sismici (strong motion). il convertitore analogico digitale A/D. La sezione di conversione A/D ha una risoluzione di 24 bit con frequenza di campionamento programmabile fino al massimo di 500 Hz per canale; nel caso di studio la frequenza di campionamento è stata fissata a 250 Hz. I canali sono campionati in modo sincrono, requisito indispensabile per il monitoraggio strutturale. la memoria di massa, fino a 30GB, che consente lunghi periodi di registrazione continuativa. un ricevitore GPS per la sincronizzazione dei segnali registrati dai vari dispositivi collocati in diversi punti di misura utilizzati all interno di una configurazione. Il ricevitore GPS integrato consente di creare una rete di strumenti tutti sincronizzati con il tempo assoluto, requisito indispensabile per il monitoraggio strutturale. il microprocessore per la gestione di tutto il sistema. E possibile collegarsi localmente al sistema tramite un collegamento di rete via cavo o Wi-Fi, oppure tramite interfaccia Bluetooth. In questo caso è possibile installare più unità e realizzare una rete locale in cui una unità è MASTER e le altre unità sono SLAVE. Il MASTER è in grado di comunicare e accumulare i dati di tutte le unità presenti nella rete, il potente processore inoltre è in grado di eseguire sofisticate elaborazioni in real time per eseguire l analisi dei dati localmente. Questo ha permesso di avere un riscontro immediato sulle misurazioni effettuate, verificando che i dati registrati in prossimità delle volte e del campanile avessero fornito dati rappresentativi. In figura sono riportate le caratteristiche principali dello strumento utilizzato durante il monitoraggio strutturale del complesso monumentale di Casamari.

8 Per quanto riguarda l edificio di Giuncugnano, invece, il sistema per il monitoraggio sismico è di tipo «completo», cioè costituito da un accelerometro triassiale sul terreno a da una N accelerometri fissati alla struttura al livello dei vari impalcati. Per ogni impalcato si misurano un numero di componenti accelerometriche sufficienti a ricostruirne completamente il movimento. Tutti gli accelerometri sono collegati via cavo ad una unità centrale che provvede all acquisizione sincronizzata dei segnali e alla loro scrittura su una memoria fissa (in caso di superamento di determinate soglie di accelerazione: evento sismico). I dati sono sempre referenziati con il tempo assoluto UTC ottenuto attraverso un antenna GPS. Mediante un collegamento ADSL o UMTS i dati sono immediatamente trasmessi ad un server che provvede a processarli e ad inserirli nel data base.

9 3 CONFIGURAZIONI Il metodo sperimentale SMAV, applicato al complesso di Casamari, si è realizzato tramite un sistema di monitoraggio non permanente che ha previsto una rapida installazione degli accelerometri ai vari piani dell edificio (refettorio - biblioteca e campanile) e una serie di registrazioni delle piccole vibrazioni generate da fonti ambientali quali traffico veicolare, vento ecc. (rumore ambientale). La durata di tali registrazioni è stata dell ordine di circa 2 ore. Tali misure sperimentali sono risultate non invasive e non hanno richiesto alcuna interruzione dell attività svolta all interno di essa. Il metodo SMAV prevede un certo numero di configurazioni misurate. Generalmente, se l edificio è composto da n impalcati fuori terra, sono necessarie n-1 configurazioni ed altrettante registrazioni. Per ciascuna configurazione si posizionano almeno 2 Unità Integrate all ultimo impalcato (accelerometri che restano fissi durante tutto il monitoraggio), collocate in due angoli d estremità ed almeno altre 2 Unità Integrate collocate nello stesso modo su un altro impalcato (accelerometri mobili). Gli accelerometri mobili sono spostati nelle diverse configurazioni fino a coprire tutti gli impalcati fuori terra dell edificio. A seguito della campagna di registrazioni, la tecnica di valutazione numerica permette l identificazione dei parametri dinamici dell edificio (frequenze, forme modali e smorzamenti) che, inseriti in un modello matematico dell edificio, consentono una stima quantitativa del suo grado di operatività, mediante l utilizzo di uno dei metodi previsti dalla normativa vigente (NTC08; Analisi dinamica lineare con spettro di risposta). 3.1 IL GRADO DI OPERATIVITÀ - IOP Il grado di operatività della struttura è ricavato sia in termini deterministici, come rapporto tra uno spostamento limite prefissato e quello risultante dalle analisi, sia in termini probabilistici, come la probabilità che la struttura rimanga operativa per un dato input sismico (particolare terremoto che può interessare l edificio) alle fondazioni.

10 3.2 OSSERVAZIONI SUL CAMPO L analisi condotta può essere applicata ad edifici aventi caratteristiche di regolarità in pianta e regolarità in altezza. Tali caratteristiche non sono del tutto presenti nell edificio a sud-ovest del complesso e addirittura assenti nel complesso della chiesa. Al fine di ottimizzare la collocazione delle Unità Integrative, sono stati necessari diversi sopralluoghi preliminari finalizzati a conoscere le caratteristiche geometriche dei due corpi. Oltre ciò, il metodo è valido sotto le ipotesi di rumore bianco, pertanto non si presta a fonti di rumore con caratteristiche diverse, che possono anzi gravare sui segnali in maniera irreversibile. Durante la verifica delle ipotesi necessarie all applicazione del metodo sono state individuate una serie di disturbi quali quelli prodotti dal sistema di aspirazione delle cucine del complesso e delle campane. Inoltre estrema attenzione è stata posta in fase di monitoraggio alla corretta disposizione delle UI in termini di direzione e verso; infatti un errore in tale fase di preparazione del sistema di monitoraggio produrrebbe l associazione erronea di modulo, direzione e verso a ciascuno spostamento misurato, con ovvie ripercussioni sull identificazione delle forme modali. In fase di misurazione si è posta particolare cura nella disposizione e segnalazione delle UI tramite reportage fotografico in modo da avere memoria, in ogni momento, delle effettive direzioni di misurazione.

11 4 EDIFICI MONITORATI 4.1 ABBAZIA DI CASAMARI Sono state condotte, per il sito di Casamari, indagini geofisiche preliminare di sismica: lo scopo di tali indagini è la caratterizzazione dinamica del sottosuolo nelle prime decine di metri con l individuazione delle principali unità geofisiche e delle relative proprietà meccaniche elastiche, quali velocità delle onde P (Vp), velocità delle onde trasversali S (Vs) e i relativi parametri elastici (E, G, K, ν). Sulla base dei valori di Vs e modulo di taglio G è stato possibile valutare la rigidezza del suolo e fornire indicazioni sul comportamento dinamico della parte superficiale del sottosuolo. Le analisi condotto sono state: MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves): tecnica di indagine non invasiva (non è necessario eseguire perforazioni o scavi e ciò limita i costi ), che individua il profilo di velocità delle onde di taglio verticali Vs, basandosi sulla misura delle onde superficiali fatta in corrispondenza di diversi sensori (accelerometri o geofoni) posti sulla superficie del suolo. HVRS: misurazione e successiva elaborazione del microtremore ambientale nelle sue tre componenti spaziali a varie frequenze. Dall'analisi delle componenti spettrali delle tracce registrate è possibile ricavare la frequenza fondamentale (o di risonanza) del sito e ottenere un'interpretazione del profilo stratigrafico-sismico ad elevata profondità con stima sulla profondità del bedrock (substrato sismico o litologico) e del parametro VS30 (velocità media delle onde S di taglio nei primi 30 metri di profondità).

12 4.1.1 REFETTORIO - BIBLIOTECA L edificio è composto da 4 livelli, di cui il primo è relativo ad un piano interrato, che è stato escluso dall analisi poiché le accelerazioni riscontrabili nei punti di tale impalcato per effetto di vibrazioni ambientali sarebbero state di entità troppo piccola per essere rilevate. Sono state pertanto eseguite due configurazioni, ciascuna delle quali ha richiesto tre punti di misurazione per impalcato e 8 Unità Integrative (UI), ognuna delle quali è associata a registrazioni di 60 minuti, con una frequenza di campionamento di 250 Hz. In corrispondenza di ciascun punto di misura si sono misurate le accelerazioni in direzione X ed Y: è stato sufficiente una sola UI nel caso lo strumento utilizzato fosse stato di tipo triassiale (X, Y, Z), due nel caso di UI biassiali (X, Z). Questo motiva la presenza, in entrambe le configurazioni, di un numero variabile di UI. Di seguito di riporta una breve rappresentazione delle configurazioni:

13 4.2 CAMPANILE Il monitoraggio finalizzato a misurare le accelerazioni per effetto di rumore ambientale ha richiesto l impiego di 4 UI per la prima configurazione relativa alla torre campanaria. La seconda configurazione, relativa all intero corpo della navata centrale, ha impegnato ben 7 UI. Durante questa seconda configurazione è stato attivato, per un tempo limitato a 2-3 minuti nell ambito dell intero intervallo di misurazione, lo scuotimento delle campane; dal momento che il metodo richiede come input un rumore di tipo bianco (o almeno un segnale caratterizzato da uno spettro pressoché piatto), tale tratto di registrazione è stato successivamente escluso dall analisi. 4.3 MUNICIPIO DI GIUNCUGNANO DESCRIZIONE DELL EDIFICIO Il fabbricato in esame è la parte centrale originaria di un complesso di due edifici costruiti in epoche successive ed è sede del Municipio di Giucugnano. Si presenta con struttura portante in muratura, con copertura a tetto a padiglione, edificato a mezza costa e costituito da tre livelli: piano interrato destinato dopo gli interventi di adeguamento ad archivio piano primo e mansarda per gli uffici comunali Sul lato sinistro risulta affiancato da un edificio in C.A. di due piani, costruito in aderenza, per l ampliamento degli uffici comunali. La pianta è rettangolare con dimensioni 12.0 x 9.40, con altezza in gronda di 8.40 m. E stato oggetto di danneggiamenti in seguito al sisma del 10 ottobre 1995, per cui in base alla legge 730/86 sono stati eseguiti lavori per l adeguamento sismico dell edificio.

14 4.3.2 CONFIGURAZIONI DELLA RETE DI MONITORAGGIO Le configurazioni della rete di monitoraggio permanente prevista sull edificio è di seguito riportata: Come precedentemente detto l acquisizione dei dati, in questo caso avviene mediante un collegamento ADSL o UMTS dove i dati vengono immediatamente trasmessi ad un server che provvede a processarli e ad inserirli nel data base.

15 5 ANALISI DEI DATI REGISTRATI 5.1 FILTRAGGIO La prima operazione consigliata da eseguire dopo ciascuna misurazione è il controllo visisvo della bontà dei dati acquisiti per ciascun canale registrato. In questo modo vengono verificati eventuali irregolarità che possono presentarsi durante il periodo di registrazione. I segnali relativi a ciascun canale di registrazione sono, poi, sovrapposti in una scala temporale assoluta così da poterne eseguire un merge. Di seguito sono riportati i segnali registrati durante il monitoraggio a Casamari: Dall immagine sono visibili trend anomali di fondo dei segnali dovuti ad effetti di deriva. Questo ha richiesto, a valle della registrazione l implementazione di un ciclo in MATLAB che avesse l effetto di migliorare la qualità dei dati senza alterarne l informazione. A ciascuna funzione (segnale) è stato applicato un filtro passabanda, in cui si considera il segnale con frequenza f compresa tra 0.5 e 100 Hz (sia 250 la frequenza di campionamento del segnale). L ordine del filtro utilizzato è stato 4, ordine che consente di operare il filtraggio alle frequenze richieste evitando al contempo possibili problemi numerici agli estremi della finestra di filtraggio, generabili per effetto di un filtro troppo rigido (per esempio di ordine 10). A titolo di esempio si riporta un segnale prima e dopo una operazione di filtraggio:

16 5.2 SOFTWARE LMS POLYMAX Per l analisi delle vibrazioni ambientali si è utilizzato l algoritmo LMS Polymax. Il software si classifica tra le tecniche di identificazione dei parametri modali basate su solo output, il che significa che sono in grado di identificare H, sulla base di Y e senza conoscere alcuna informazione circa U. Un analisi di questo tipo è l unica possibile in caso di misure relative a rumore ambientale poiché l input non è identificabile. Il software utilizzato per l analisi dei segnali è LMS Polymax che utilizza lo stimatore Least Squares Complex nel dominio della frequenza, permettendo di identificare frequenze, smorzamenti e forme modali della struttura. La definizione dei parametri modali necessari ad identificare i modi di vibrazione naturale della struttura in esame viene seguita mediante tre sotto fasi: Selezione della banda di analisi ( si seleziona un range compatibile con le frequenze e con i periodi attesi sulla base dei livelli della costruzione). Selezione dei poli mediante diagrammi di stabilizzazione. Calcolo delle forme modali, visualizzandone le relative deformate per ciascun modo identificato. 5.3 RISULTATI PRELIMINARI Si riporta la geometria implementata ed i parametri identificati, in via preliminare, mediante l impiego del Software LMS Polymax :

17 Modo1: Frequenza modale fr = Hz; Smorzamento modale ξ = 2.35 % (espresso in percentuale); Modo2: Frequenza modale fr Hz; Smorzamento modale ξ = 2.34 % (espresso in percentuale); Modo3: Frequenza modale fr = Hz; Smorzamento modale ξ = 2.98 % (espresso in percentuale);

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