ORDINE DEGLI INGEGNERI DELLA PROVINCIA DI ROMA Commissione Acustica Ambientale

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1 RUMORE E VIBRAZIONI IN AMBIENTI DI LAVORO VIBRAZIONI DEGLI EDIFICI E DELLE STRUTTURE CIVILI DELLA PROVINCIA DI ROMA Commissione Acustica Ambientale IN COLLABORAZIONE CON 28 MAGGIO 2008 SONORA SRL

2 Vibrazioni degli Edifici e delle strutture civili

3 Vibrazioni degli Edifici - Generalità Negli ultimi anni le vibrazioni degli edifici hanno assunto sempre una maggiore importanza sia per le diverse tipologie strutturali sia per il moltiplicarsi delle sorgenti di vibrazioni (scavi, trasporti ferroviari, aumento del traffico ecc ) Le vibrazioni possono recare disturbo agli occupanti, malfunzionamento alle attrezzature utilizzate (si pensi ad un laboratorio) nonché rischi per l integrità strutturale Le onde meccaniche investendo la costruzione producono due effetti: Classificazione del Danno Assestamento del terreno sottostante Cosmetico : le fondazioni fessure che interessano l intonaco (in Propagazione dalla fondazioni prossimità alla struttura di aperture in elevazione spigoli ecc..), senza il coinvolgimento delle murature o degli elementi strutturali Tali effetti in corrispondenza di Distacco alcune frequenze di intonaco (risonanza) o dei rivestimenti possono in amplificarsi genere notevolmente producendo dei danni Danno della statica della struttura

4 Vibrazioni degli Edifici - Generalità In Italia non vi sono dei decreti legislativi che trattano il problema delle vibrazioni così come per l esposizione dell uomo negli ambienti di lavoro Esistono diverse normative tecniche di riferimento quali Vibrazioni Edifici Ponti/Viadotti Gallerie ferrotranviare Danno Disturbo UNI 9916 UNI 9614 UNI UNI 9942 UNI 11048

5 Vibrazioni degli Edifici - Danno Norme di riferimento Internazionali Parametri Normativa Nazionalità frequenza Valore limite Durata del fenomeno Tipo di terreno Stato Edificio Attività Tipo fondaz. Analisi segnale ISO 4866 UNI 9916 (2004) Italia P.CP.V. AFTES CIRC AMB MIN 93 Francia P.P.V. P.P.V. BS (1193) G.Bretagna P.P.V. DIN (1999) Germania P.CP.V. SN (1992) Svizzera P.P.V. USBRM 1984 OSMRE USA P.CP.V. P.CP.V.

6 Vibrazioni degli Edifici - Danno ISO 4866 Non vengono stabiliti valori limiti di soglia, ma viene delineata una metodologia di prova e di analisi del segnale. Riporta una dettagliata classificazione delle diverse tipologie di Edifici (valutando la struttura, le fondazioni e il terreno) in funzione del grado di resistenza o meglio in funzione del grado di tollerabilità alle vibrazioni della struttura. Per la tipologia strutturale si individuano due gruppi: Gruppo 1 Gruppo 2 Edifici antichi, o di recente costruzione ma realizzati con tecniche e materiali tradizionali (muratura portante, tufo mattoni ecc ) Sono strutture pesanti, caratterizzate da elevato smorzamento Strutture intelaiate, con elementi prefabbricati in cemento armato o precompresso. Sono strutture leggere con bassi valori di smorzamento.

7 Vibrazioni degli Edifici - Danno ISO 4866 Per la tipologia delle fondazioni si individuano invece 3 classi: Classe A: pali legati in calcestruzzo armato, acciaio o legno, platee rigide in cemento armato. Classe B: pali non legati in cemento armato o legno e fondazioni continue a trave rovescia. Classe C: muri di sostegno leggeri, fondazioni massicce in pietra o struttura prive di fondazioni

8 Vibrazioni degli Edifici - Danno ISO 4866 Il terreno invece è classificato in sei categorie Tipo a: rocce non fessurate o molto solide e leggermente fessurate, sabbia cementata Tipo b: terreni compatti a stratificazione orizzontale Tipo c: come i precedenti ma poco compatti Tipo d: piani inclinati con superficie di scorrimento potenziale Tipo e: terreni granulari, sabbie e ghiaie senza coesione o argille coesive sature Tipo f: materiale di riporto

9 ISO 4866 SONORA SRL Vibrazioni degli Edifici - Danno Per ogni gruppo vengono individuate 8 classi di edifici. All aumentare della classe si riduce la resistenza alle vibrazioni

10 ISO 4866 SONORA SRL Vibrazioni degli Edifici - Danno La normativa non definisce dei limiti di vibrazioni ma delinea una matrice in cui vengono riportate le diverse combinazioni (tipologia strutturale- tipologia delle fondazioni e del terreno) in funzione della tollerabilità alle vibrazioni. Gli edifici Cd Ce Cf della classe 8 (edifici storici) sono quelli che hanno una minore resistenza alle vibrazioni

11 Vibrazioni degli Edifici - Danno ISO 4866 Esistono diverse formule empiriche per il calcolo delle frequenze proprie degli edifici a forma regolare,una formula proposta è la seguente: 1 modo di vibrare 2 modo di vibrare 3 modo di vibrare (torsionale) f = 46 h f = 58 h f = 72 h

12 Vibrazioni degli Edifici - Danno ISO 4866 Strumentazione e punti di misura La norma individua per diverse sorgenti il range di frequenza, di ampiezza nonché la grandezza da misurare (velocità o accelerazione) Punti di Misura In fondazione e sul punto più alto nel caso di edifici fino a 4 piani. Per Edifici più alti si consiglia di aggiungere un punto ogni 4 piani.

13 Vibrazioni degli Edifici - Danno ISO 4866 Il fenomeno vibratorio può essere classificato come: Transitorio Se la durata del fenomeno è minore di 5t Continuo Se la durata del fenomeno è maggiore di 5t t è il tempo caratteristico della struttura definito da: τ = 1 2πηf h è lo smorzamento modale (o in bande di ottave) f è la frequenza propria del 1 modo eccitato

14 Vibrazioni degli Edifici - Danno ISO 4866 Per classificare il fenomeno vibratorio quindi è fondamentale valutare lo smorzamento della struttura Esistono diversi metodi per il calcolo dello smorzamento: Half Decremento power Bandwidth logaritmico Si valuta il logaritmo del rapporto tra la risposta in due cicli larghezza successivi. di banda Si hanno in informazioni corrispondenza sullo smorzamento della riduzione complessivo! di 3 db della risposta rispetto al picco massimo (potenza dimezzata)

15 ISO 4866 SONORA SRL Vibrazioni degli Edifici - Danno Valori tipici dello smorzamento (damping ratio) per edifici sono compresi tra 1% e il 2 %

16 Vibrazioni degli Edifici - Danno Le normative nazionali, in particolare la UNI 9916 riprende i concetti fondamentali della ISO 4866, in aggiunta riporta i valori soglia per le diverse tipologie di edifici definiti nelle altre normative (DIN 4150, BS 7385) Valori Valori di di riferimento per per vibrazioni non continue Classe Tipo di Edificio Classe Tipo di Edificio Valori di riferimento per la velocità Valori di riferimento di vibrazione per la velocità (pcpv mm/s) di vibrazione (pcpv mm/s) Fondazione Vel. Verticale Piano Alto Solai Vel. Verticale Solai 1Hz- 10Hz Hztutte le frequenze Hz tutte le tutte le frequenze frequenze tutte le frequenze 1 Edifici industriali e costruzioni simili 1 Edifici industriali Varia linearmente 20 e costruzioni simili da 20 a 40 varia linearmente 10 da 40 a Edifici residenziali e simili 2 Edifici residenziali Varia linearmente 5 e simili da 5 a 15 5 varia linearmente da 15 a Costruzioni sotto tutela (monumenti ecc..) 3 Costruzioni Varia linearmente 3 sotto tutela (monumenti ecc..) da 3 a 8 varia linearmente 2.5 da 8 a 10 8

17 Vibrazioni degli Edifici - Danno I limiti riportati nella normativa non sono assoluti ma INDICATIVI. E importante lo stato dell edificio nonché la storia (carichi accidentali, ecc..) L analisi deve tener conto dell effettiva condizione dell edificio e delle strutture. In questo caso la presenza di vistose fessure nelle strutture portanti (edificio in muratura) evidenzia uno stato di fatiscenza muraria e quindi la non applicabilità dei limiti suddetti.

18 Vibrazioni degli Edifici - Danno Le vibrazioni in strutture vetuste caratterizzate dalla presenza di processi fessurativi accelerano il processo di propagazione e facilitano l istaurarsi di condizioni di stabilità precaria. Particolarmente dannosi sono gli effetti delle vibrazioni sulle strutture già deformate (ad es. muri affetti da deformazione a pressoflessione) Possibili soluzioni e rimedi sono: Utilizzo di materiali ad elevato smorzamento (lana di vetro, pavimeneti galleggianti, ecc) Per le vibrazioni dovute al transito stradale ad esempio può essere utile creare un piano fondale profondo per renderlo meno accessibile alle onde vibratorie (che si attenuano con il quadrato della distanza) Per smorzare le onde superficiali le murature perimetrali possono essere isolate dalla piattaforma stradale con un intercapedine riempita di pietrame a secco. Per strutture in muratura fatiscenti occorre intervenire con lavori di consolidamento atti a ristabilire la continuità delle masse murarie (cuci e scuci, catenelle murarie, cuciture metalliche, coli ed iniezioni)

19 Vibrazioni degli Edifici - Disturbo L uomo a differenza delle strutture è più sensibile alle vibrazioni ad elevata frequenza La normativa italiana di riferimento è la UNI 9614 integrata dalla UNI Definisce metodologie di misura e analisi del segnale nonché i livelli di vibrazioni che arrecano disturbo in funzione della durata e della direzione di oscillazione. I locali o gli edifici in cui vengono immesse le vibrazioni sono suddivisi in: Aree critiche (ospedali laboratori ecc ) Abitazioni Uffici Fabbriche

20 Vibrazioni degli Edifici Disturbo Analisi del segnale Le vibrazioni sono caratterizzate dal valore rms (root mean square) a = 1 T T 0 a () t 2 dt o dal corrispondente livello di accelerazione (che si misura in decibel db) ed è dato da L a 20 log a 6 = a = m s Il segnale acquisito ai fini della valutazione del disturbo - va filtrato con un filtro passabanda 1-80Hz. Le componenti con frequenza maggiore di 80 Hz non danno nessun contributo.

21 Vibrazioni degli Edifici Disturbo Analisi del segnale Gli effetti delle vibrazioni sul corpo umano differiscono a seconda della frequenza quindi il segnale va ponderato con dei filtri che uniformano l effetto al variare della frequenza. In alternativa è possibile effettuare l analisi in terzi di ottava (nell intervallo 1-80 Hz) e sottrarre i valori dei filtri di ponderazione per ciascuna banda al corrispondente livello di accelerazione. Accelerazione [mm/s 2 ] Asse X e Y Asse Z Frequenza [Hz]

22 Time History (acquisizione continua o con trigger) Vibrazioni degli Edifici Disturbo Analisi del segnale Spettro in terzi di ottave Accelerazione [db] Asse Z Asse Z Ponderazione dei livelli di ciascuna banda Asse X e Y Asse Z Pos. non nota bande in terzi di ottava [Hz] 25 Si calcola la media pesata in funzione della durata di ciascun evento L w, tot = 10log k 10 Lw, k / 10 t t k tot Attenuazione [db] E se sono stati acquisiti più eventi? L w, k = 10 log Livello equivalente del singolo evento i 10 L i, w / Frequenza [Hz]

23 Vibrazioni degli Edifici Disturbo Analisi del segnale Il livello di accelerazione così calcolato va confrontato con i limiti definiti dalla normativa Classe destinazione d uso asse Z (db) asse e y (db) I Aree critiche II Abitazioni (notte) III Abitazioni (giorno) IV Uffici V Fabbriche Tali limiti non considerano la contemporanea esposizione dell uomo alle vibrazioni ed al rumore. Per verificare la bontà della misura è opportuno misurare le vibrazioni residue (a sorgente spenta) e calcolare la differenza dei rispettivi livelli: diff > 10 db la misura non va corretta L w, t Lw, r 6 db < diff < 10 db bisogna correggere matematicamente la misura diff < 6 la misura è solo indicativa Lw, k Li w / 10 Li, r = 10 log ( i, / 10 )

24 Vibrazioni generate nelle gallerie ferrotranviare La normativa italiana di riferimento è la UNI 9942 È necessario eseguire misure di vibrazioni nelle gallerie per: Controlli periodi per verificar ei livelli vibratori massimi Galleria di nuova costruzione Se la galleria è stata sottoposta ad azioni accidentali Modifica all armamento o ammodernamento dei veicoli con conseguente variazione del carico per asse I sensori vanno posizionati come mostrato in figura: Sezione centrale dell arco rovescio Sul corrispondente punto posto in alto Sulla parete della galleria posta a 1.20 m al di sopra del piano dei binari Sul piede della rotaia

25 Vibrazioni generate nelle gallerie ferrotranviare Rapporto segnale rumore diff > 10 db la misura non va corretta 6 db < diff < 10 db bisogna correggere matematicamente la misura diff < 6 la misura è solo indicativa Strumenti di misura Per le misure su rotaia sono consigliabili accelerometri il range di frequenza è fino a 2kHz Per gli altri punti possono essere utilizzati geofoni (velocimetri). Condizioni di misura Il treno generalmente deve essere a vuoto; è possibile però fare anche prove a carico diverso purché sia noto il carico per asse rispetto alla condizione di peso a vuoto. Il passaggio deve avvenire alle seguenti velocità con convolgio che viaggia per inerzia (assenza di frenate) 40 km/h per vetture tranviare 60 km/h per treni metropolitani 80 km/h per veicoli di trasporto rapido Velocità massima consentita

26 Vibrazioni generate nelle gallerie ferrotranviare Valori tipici di attenuazione Percorso a d: differenza dei livelli vibratori misurati varia tra i 20 e i 40 db Percorso d b: differenza dei livelli vibratori misurati varia tra i 10 e i 20 db Per valutare il sistema di isolamento delle rotaie il livello di vibrazione nel punto b (parete della galleria deve essere confrontato con i seguenti valori: rms < 0.03 mm/s: buone condizioni 0.03 < rms < 0.3 mm/s: condizione di soglia rms > 0.3 mm/s: condizioni non accettabili

27 Vibrazioni- Strumentazione Sensori

28 Milano Stadio San Siro Vibrazioni degli Edifici - Esperienze I residenti lamentavano la presenza di elevati livelli vibratori in concomitanza di concerti e/o partite Gli edifici da monitorare erano due. Per ogni Edificio sono stati fissati due punti di misura Strumentazione Utilizzata: velocimetri SYSCOM Ms2003 con acquisitore MR2002 Per ridurre la quantità di dati registrati in fase di setup è stato fissato un trigger (di 0.5 mm/s) Nel caso specifico sono stati registrati circa 10 min per ogni punto di misura su due ore di concerto per un totale di 27 eventi

29 Milano Stadio San Siro Vibrazioni degli Edifici - Esperienze L analisi è stata eseguita con un software sviluppato in house Lettura dei segnali registrati Derivazione nel tempo (per calcolare le accelerazioni) Applicazione dei filtri in terzi di ottave Calcolo dei livelli di accelerazione e rispettiva ponderazione per ciascun evento Calcolo dello smorzamento (decremento logaritmico) L w, k = 10 log i 10 L i, w / % 180% 160% 140% Limite Norma UNI 9614 Asse X Asse Y Calcolo del livello equivalente relativo ad tempo indicativo (durata della registrazione e durata del concerto) L w, tot = 10log k 10 Lw, k / 10 t t k tot a/a ma 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% Ev.2 Ore Ev.4 Ore Ev.6 Ore Ev.7 Ore Ev.10 Ore Ora Eventi

30 Milano Stadio San Siro Calcolo dello smorzamento Vibrazioni degli Edifici - Esperienze Lo smorzamento non è un valore certo! Elevata dispersione dei dati In alcuni casi lo stesso fenomeno va considerato continuo o non continuo EDIFICIO 1 EDIFICIO 2 SMORZ DEV.STD [s] SMOR Z DEV.STD [s] SALONE TERRAZZO

31 Vibrazioni degli Edifici - Esperienze Salerno Realizzazione Parcheggio sotterraneo Al centro di Salerno è stato realizzato un parcheggio sotterraneo su due livelli. E stato realizzato un sistema di monitoraggio degli edifici continuo, con 6 punti di misura fissi più 2 mobili. Il sistema era costituito da: 1 pc con due schede di acquisizione National Istruments per un totale di 16 ch. Software labview realizzato ad hoc con registrazione dei livelli rms, e time histories (con trigger) Durante alcune operazioni (compattazione) sono stati registrati dei livelli di vibrazioni tali da arrecare disturbo. (fenomeno transitorio)

32 Vibrazioni degli Edifici - Esperienze Napoli Monitoraggio vibrazioni indotte dall impianto motrice della Funicolare Il fenomeno è instazionario ma ripetitivo per l intera giornata (dalle 6.00 alle 22.00). Il sistema utilizzato era costituito da: 2 velocimetri SYSCOM MS2003 con acquisitore dedicato. Per l analisi dei dati è stato utilizzato un software sviluppato in house In questo caso il segnale è fortemente instazionario pertanto è stato necessario svolgere uno studio sia nel dominio della frequenza sia nel dominio del tempo

33 Vibrazioni degli Edifici - Esperienze Napoli Monitoraggio vibrazioni indotte dall impianto motrice della Funicolare Motore in funzione Vista l instazionarietà del fenomeno è stato isolato un evento tipico (funzionamento del motore fino alla fermata) e su tale segnale è stato calcolato il livello di accelerazione. Sono stati sostituiti gli impianti (ammodernamento) ed in particolare i sistemi di isolamento.