METODI DINAMICI PER LA VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA STRUTTURALE DI OPERE STRATEGICHE

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1 METODI DINAMICI PER LA VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA STRUTTURALE DI OPERE STRATEGICHE METODI DI SPERIMENTAZIONE DINAMICA DELLE STRUTTURE CISM UDINE FEBBRAIO 2008 Paolo Panzeri

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3 IL MONITORAGGIO DINAMICO Consiste nella elaborazione di dati rilevati da strumentazione di controllo in risposta a disturbi dinamici presenti sulla struttura IL METODO DINAMICO Per valutare ed analizzare il comportamento dinamico delle strutture PROVE DI CARATTERIZZAZIONE DINAMICA Consiste nel sottoporre la struttura ad una eccitazione dinamica forzata di bassa intensità, registrandone la risposta in termini di spostamenti, velocità ed accelerazioni

4 IL METODO DINAMICO MONITORAGGIO Per valutare e caratterizzare il disturbo vibro-acustico alla struttura ed anche alle persone che la utilizzano. PROVE DI CARATTERIZZAZIONE Per valutare l effettivo comportamento dinamico dell opera e quindi per l identificazione del sistema.

5 PROVE DI CARATTERIZZAZIONE La caratterizzazione può consentire: - di calcolare direttamente la risposta della struttura a fronte di qualsiasi azione dinamica agente di caratteristiche note, per esempio un sisma oppure un carico dinamico d esercizio - di affinare sulla base dei riscontri sperimentali (confronto con i parametri valutati per via numerica) la modellazione numerica sviluppata per l analisi della struttura, e quindi di identificare un adeguato modello numerico idoneo a rappresentare la realtà strutturale del manufatto. Una volta individuato il modello numerico tarato con l'analisi dinamica, successive analisi possono consentire un adeguata valutazione delle sollecitazioni degli elementi costituenti la struttura, cosicché risulta possibile valutare le effettive condizioni del manufatto.

6 IL METODO DINAMICO E APPLICATO A: fabbricati stadi ed impianti sportivi chiese monumenti ponti e viadotti impalcati industriali fondazioni di macchine vibranti torri di raffreddamento strutture impiantistiche infrastrutture ferroviarie ecc.

7 IL METODO DINAMICO PUO INTERVENIRE CON DIFFERENTI FINALITA NELLE DIVERSE FASI DELLA VITA DI UNA STRUTTURA FASI FINALITA Fase di costruzione Studio Controllo Fase di collaudo Controllo Fase di esercizio Controllo e Diagnosi Fase di riclassificazione Studio, Controllo e Diagnosi Disturbo vibro-acustico Misure Previsioni Sistemi di sorveglianza Registrazione eventi Controllo evoluzioni

8 LA RISPOSTA DI UNA STRUTTURA IN CAMPO DINAMICO PUO ESSERE CARATTERIZZATA ATTRAVERSO: prove con eccitazione forzata artificiale indotta da carichi applicati ad hoc nella fase sperimentale e quindi di entità ed andamento controllabile. In funzione delle attrezzature di eccitazione utilizzate l'andamento del carico dinamico può essere sinusoidale (più impiegato), random stazionario, random non stazionario e transient prove con eccitazione fornita da azioni presenti nell'ambiente quali forzanti indotte dal vento, dal traffico (su gomma e/o su ferro), da micro-sismi, da attività industriale limitrofa, da attività di cantiere, ecc. In funzione della natura dell'eccitazione i carichi dinamici generalmente non facilmente misurabili - hanno andamento random stazionario, random non stazionario e transient prove con eccitazione impulsiva per l analisi delle oscillazioni libere prodotte sulla struttura da azioni transitorie che si sono ormai esaurite; sono caratterizzate dalla combinazione di sinusoidi smorzate dipendenti dalle caratteristiche modali dell'opera. Le oscillazioni libere possono essere ad esempio indotte dal transito di veicoli (eventualmente con ostacolo interposto lungo il percorso dei mezzi in movimento) con analisi della fase immediatamente successiva al transito, oppure prodotte artificialmente ad hoc nella fase sperimentale (ad esempio la tecnica del tiro e rilascio rapido o l'impiego di attrezzature di carico impulsivo con analisi della fase immediatamente successiva allo shock).

9 LE TECNICHE DI PROCESSAMENTO DEI DATI Analisi dei dati nel dominio delle frequenze Prevede la conversione delle misure raccolte (time history) in spettri ossia funzioni della variabile di Fourier quali ad esempio le trasformate di Fourier, le densità spettrali di potenza (per i fenomeni stazionari) o di energia (per i fenomeni transitori) dirette ed incrociate. Questo tipo di analisi consente di individuare le Funzioni di Trasferimento della struttura (rapporto nel dominio delle frequenze tra risposte ed eccitazione) - nel caso di eccitazione nota - o le Pseudo Funzioni di Trasferimento della struttura (rapporto nel dominio delle frequenze tra risposte in differenti punti e risposta in una postazione assunta a riferimento) - nel caso di eccitazione non nota. Ottenute tali grandezze spettrali è possibile attraverso l'impiego di tecniche di identificazione modale, individuare i modi eccitati nel corso delle registrazioni.

10 LE TECNICHE DI PROCESSAMENTO DEI DATI Analisi dei dati nel dominio delle tempo Prevede di determinare i parametri modali attraverso un processo di identificazione modale operante direttamente sulle storie temporali registrate (time history). Questa tecnica è solitamente utilizzata nel caso di oscillazioni libere ma può essere impiegata - di norma meno convenientemente - anche nel caso di vibrazioni forzate (artificiali o ambientali).

11 ANALISI NEL DOMINIO DELLE FREQUENZE 70 ECCITAZIONE VERTICALE 60 Modulo [(mm/s)/kn] Frequenza [Hz] Differenza di fase [Degree] Frequenza [Hz] Esempio di funzioni di trasferimento Copertura del padiglione della nuova fiera di Rimini

12 ANALISI NEL DOMINIO DEL TEMPO Basata sulla risposta della struttura ad un impulso

13 ANALISI NEL DOMINIO DEL TEMPO Valutazione dello smorzamento

14 I VANTAGGI DELL ECCITAZIONE FORZATA ARTIFICIALE migliore controllo delle modalità di prova; maggiore disponibilità di risultati di una prova di tipo ripetibile; migliore interpretazione dei risultati della prova; limitare il numero di dati da acquisire. La forzante risulta, nella prova con eccitazione forzata, sotto il diretto controllo dello sperimentatore in quanto viene prodotta artificialmente mediante opportuni generatori di vibrazioni, in grado di produrre azioni con andamento periodico sinusoidale a frequenza lentamente variabile, oppure random o transient. Tipicamente nel caso di viadotti a molte campate di uguale tipologia costruttiva, ove potrebbe risultare ragionevole condurre prove dinamiche con sistemi speditivi (quali il transito sull'opera di un veicolo pesante a diverse velocità e/o l'applicazione di carichi di tipo impulsivo), l'interpretazione dei dati forniti dalle prove speditive può convenientemente trarre beneficio dalle conoscenze conseguite attraverso un analisi dinamica di dettaglio con eccitazione forzata artificiale precedentemente condotta su una campata di analoghe caratteristiche.

15 I GENERATORI DI VIBRAZIONI Si suddividono in: Meccanici Elettrodinamici Idraulici Campo delle frequenze esplorabili: Hz per i generatori meccanici (solo azioni di tipo sinusoidale) Hz per i generatori elettrodinamici Hz per le macchine idrauliche (vibrodina idraulica) I generatori di vibrazione a zavorre traslanti mosse da attuatore elettroidraulico sono dedicati in genere ad applicazioni particolari che richiedono di esplorare campi di frequenza elevati e/o di operare con eccitazioni non sinusoidali. Le problematiche operative da affrontare nel caso di utilizzo di vibrodine idrauliche sono in genere impegnative principalmente in relazione alla necessità di predisporre in sito un circuito idraulico di adeguate caratteristiche per portate e pressioni. Analogamente a meno di operare su modeste parti d opera - non vengono frequentemente utilizzati generatori elettrodinamici, principalmente in relazione alle limitate ampiezze delle forze generabili.

16 I GENERATORI DI VIBRAZIONI

17 Consistono nell applicare alla struttura una serie di forzanti sinusoidali di frequenza variabile e registrare sia la forzante che la risposta strutturale in varie postazioni di misura Forza sinusoidale applicata nel punto k-esimo della struttura fk(t)=fk sin(ϖ t+ϕk) LE PROVE CON VIBRODINA MECCANICA Risposta di un generico punto h-esimo qh(t)=qh sin(ϖ t+ϕh) Funzioni di trasferimento del sistema: rapporto tra risposta e forza eccitante H h, k Qh( ω) i ) ( ω) = e Fk( ω) ove i = 1 [ ϕh( ω) ϕk ( ω ] I picchi di amplificazione contenuti in tali funzioni consentono di valutare i parametri modali della struttura (frequenze di risonanza, smorzamenti critici e forme dei modi).

18 METODI DINAMICI PER LA VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA VIBRODINA MECCANICA 9 FORZA APPLICATA PER ECCITAZIONE ORIZZONTALE LONGITUDINALE - POS.B Forza [KN] Frequenza [Hz] Forza dinamica sinusoidale erogata dalla vibrodina: dove: fk(t) = C cos (α/2) f² sin (2 π f t + ϕk) C costante caratteristica della macchina α angolo di sfasamento masse f frequenza di eccitazione t tempo

19 CARATTERISTICHE DELLE VIBRODINE MECCANICHE peso 3500 kg 2000 kg 300 kg max forza erogabile 20 ton 10 ton 2 ton max frequenza di eccitazione 20 Hz 25 Hz 50 Hz

20 CARATTERISTICHE DELLE VIBRODINE MECCANICHE Risoluzione in frequenza dell eccitazione La risoluzione in frequenza da adottare nell esecuzione della scansione è fissata dalla larghezza di banda dei picchi presenti (risonanze) e dall accoppiamento fra i modi. A titolo esemplificativo la larghezza di banda della curva di risposta di un modo con frequenza f0 = 1 Hz e smorzamento ζ =1% vale: f = 2 ζ f0 = 2 0,01 1 = 0,02 Hz

21 CARATTERISTICHE DELLE VIBRODINE MECCANICHE Elevata stabilità di eccitazione La stabilità di eccitazione risulta fondamentale per ripercorrere il campo di frequenza proprio dell indagine con gli stessi valori di frequenza (entro la tolleranza del centesimo di Hz) per poter confrontare in modo corretto curve di risposta ottenute in prove successive (come risulta ad esempio necessario nel caso in cui non si disponga di un numero adeguato di strumenti e di canali di registrazione che permetta la raccolta di tutti i dati in una sola prova). Acquisizioni fatte con frequenze anche di poco diverse fra di loro possono portare, su strutture poco smorzate, a valori non facilmente confrontabili.

22 APPARECCHIATURA DI CONTROLLO, DI REGISTRAZIONE E DI ANALISI DEI DATI Sistema gestito da software appositamente sviluppato e operante in ambiente Windows consente una completa supervisione all'esecuzione delle prove: pilotaggio delle macchina di eccitazione esecuzione dei rilievi memorizzazione delle misure elaborazione in tempo reale dei dati per la determinazione delle funzioni di trasferimento del sistema il sistema acquisisce, a prefissati valori della frequenza, i segnali temporali fk(t), qh(t), di cui effettua l analisi di Fourier (FFT), ottenendo i valori Fk, Qh, ϕk e ϕh, calcola quindi il valore della funzione di trasferimento corrispondente alla frequenza di eccitazione prefissata ed infine memorizza i dati calcolati. Ripetibilità delle prove e tempi ragionevoli di esecuzione sono garantiti soltanto da un controllo automatico della scansione in frequenza; una regolazione manuale comporterebbe infatti problemi di precisione e stabilità intrinseci e tempi di prova del tutto inaccettabili

23 Le principali caratteristiche della strumentazione di misura sono: STRUMENTAZIONE DI MISURA -la sensibilità statica, intesa come rapporto tra tensione elettrica di uscita e valore della grandezza meccanica di ingresso; Nelle indagini dinamiche con vibrodina vengono tipicamente utilizzate le seguenti principali tipologie di sensori: - Accelerometri; -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. - Sismometri; - Trasduttori di spostamento di tipo elettroinduttivo; - Estensimetri a variazione di resistenza elettrica; - Estensimetri di tipo elettroinduttivo.

24 STRUMENTAZIONE DI MISURA

25 IL METODO DINAMICO PUO INTERVENIRE CON DIFFERENTI FINALITA NELLE DIVERSE FASI DELLA VITA DI UNA STRUTTURA FASI FINALITA Fase di costruzione Studio Controllo Fase di collaudo Controllo Fase di esercizio Controllo e Diagnosi Fase di riclassificazione Studio, Controllo e Diagnosi Disturbo vibro-acustico Misure Previsioni Sistemi di sorveglianza Registrazione eventi Controllo evoluzioni

26 FASE DI COSTRUZIONE Solitamente si ricorre alla sperimentazione dinamica nel caso di strutture di notevole complessità statica oppure quando i previsti procedimenti costruttivi sono di difficile attuazione, e quindi per verificare in corso d'opera delle ipotesi alla base del progetto, oppure per valutare la corretta esecuzione della struttura o di parti di essa.

27 FASE DI COSTRUZIONE Aula liturgica Padre Pio Arch. Renzo Piano - S. Giovanni Rotondo

28 FASE DI COSTRUZIONE Velocità [mm/s] POS. 1 - L Ampiezza [ (µm/s)² / Hz ] CROSS DENSITA' (POS. 1-L) - (POS. 4-V) Tempo [s] Frequenza [Hz] Differenza di fase [ ] CROSS DENSITA' (POS. 1-L) - (POS. 4-V) Frequenza [Hz] Aula liturgica Padre Pio Arch. Renzo Piano - S. Giovanni Rotondo

29 FASE DI COSTRUZIONE Vele della Chiesa Dives in Misericordia, Roma Arch. Richard Meier

30 FASE DI COSTRUZIONE Vele della Chiesa Dives in Misericordia, Roma Arch. Richard Meier

31 FASE DI COSTRUZIONE Tratti sperimentali - Tramvia Città di Messina

32 FASE DI COLLAUDO In questa fase si fa ricorso alla sperimentazione per determinare l'effettivo comportamento della struttura attraverso l identificazione e verifica degli schemi e delle assunzioni di progetto adottate. Si può così garantire, al di là di ogni incertezza di progettazione o di realizzazione, la rispondenza dell'opera ai requisiti di affidabilità e sicurezza. Peraltro secondo una moderna interpretazione, il collaudo ha anche per scopo quello di correggere e raffinare il modello di calcolo progettuale, così da disporre di una sorta di carta di identità della struttura. Riverificando nel tempo i parametri inseriti nel modello, risulterà quindi possibile individuare eventuali danni od alterazioni che si sono prodotti a causa di eventi particolari, come ad esempio transiti eccezionali, sisma o alluvione, o semplicemente per degrado progressivo. Per opere in zona a rischio sismico può essere condotto il collaudo sismico diretto degli impalcati eccitando la struttura in corrispondenza di un modo di vibrare significativo, fino a raggiungere livelli di vibrazione uguali o superiori a quelli previsti dalla normativa sismica vigente, o comunque precedentemente stabiliti.

33 FASE DI COLLAUDO 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

34 FASE DI COLLAUDO STRUMENTAZIONE IMPIEGATA: 6 trasduttori di spostamento induttivi verticale ed orizzontale agli appoggi 60 rosette estensimetriche 36 strain gauge monoassiali 30 accelerometri Ponte ad arco di Reggio Emilia Arch. S. Calatrava [2/12]

35 FASE DI COLLAUDO STRUMENTAZIONE IMPIEGATA: Ponte ad arco di Reggio Emilia Arch. S. Calatrava [3/12]

36 FASE DI COLLAUDO STRUMENTAZIONE IMPIEGATA: Ponte ad arco di Reggio Emilia Arch. S. Calatrava [4/12]

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

38 FASE DI COLLAUDO 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

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

40 FASE DI COLLAUDO PRE POST 1200 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 acc30z Frequenza [Hz] acc12z acc15z acc18z acc21z acc24z acc27z acc30z 1200 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 acc30z Frequenza [Hz] acc12z acc15z acc18z acc21z acc24z acc27z acc30z Ponte ad arco di Reggio Emilia Arch. S. Calatrava [8/12] Prova di tiro e rilascio impalcato I configurazione

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

42 FASE DI COLLAUDO PRE POST 0 Cross densità Z - IMPALCATO 0 Cross densità Z - IMPALCATO Ampiezza [ (mm/s²) ² / Hz ] acc11z acc14z acc17z acc20z acc23z acc26z acc29z Ampiezza [ (mm/s²) ² / Hz ] acc11z acc14z acc17z acc20z 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 acc20z acc23z acc26z acc29z Ponte ad arco di Reggio Emilia Arch. S. Calatrava [10/12] Prova di tiro e rilascio impalcato II configurazione Ampiezza [ (mm/s²) ² / Hz ] Frequenza [Hz] acc11z acc14z acc17z acc20z acc23z acc26z acc29z

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

44 FASE DI COLLAUDO PRE POST 2000 Cross densità Z - IMPALCATO 1800 Cross densità Z - IMPALCATO Ampiezza [ (mm/s²) ² / Hz ] Ampiezza [ (mm/s²) ² / Hz ] Frequenza [Hz] 11 Cross densità Z - IMPALCATO 1800 acc11z acc14z acc17z acc20z acc23z acc26z acc29z Frequenza [Hz] 11 Cross densità Z - IMPALCATO 1800 acc11z acc14z acc17z acc20z acc23z acc26z acc29z Ampiezza [ (mm/s²) ² / Hz ] Frequenza [Hz] acc11z acc14z acc17z acc20z 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 acc20z acc23z acc26z acc29z

45 FASE DI COLLAUDO Nuovo palazzetto dello sport di Monza [1/4]

46 FASE DI COLLAUDO Nuovo palazzetto dello sport di Monza [2/4]

47 FASE DI COLLAUDO 0.7 ECCITAZIONE RADIALE 0.6 ECCITAZIONE RADIALE PARTE REALE [(mm/s)/kn] PARTE REALE [(mm/s)/kn] Posizione 2R Posizione 3R Posizione 4R Posizione 5R Posizione 6R Posizione 7R Posizione 8R FREQUENZA [Hz] Posizione 2C Posizione 3C Posizione 4C Posizione 5C Posizione 6C Posizione 7C Posizione 8C FREQUENZA [Hz] Nuovo palazzetto dello sport di Monza [3/4]

48 FASE DI COLLAUDO Nuovo palazzetto dello sport di Monza [4/4]

49 FASE DI COLLAUDO Prova di carico dinamico [1/4] Copertura Nuova Fiera di Rimini Rimini (RN)

50 FASE DI COLLAUDO Prova di carico dinamico [2/4] Copertura Nuova Fiera di Rimini Rimini (RN)

51 FASE DI COLLAUDO Prova di carico dinamico [3/4] Copertura Nuova Fiera di Rimini Rimini (RN)

52 FASE DI COLLAUDO CROSS DENSITA' - SEZIONE NORD-SUD 200 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)

53 FASE DI COLLAUDO Prova di tiro e rilascio per collaudo sismico Grande croce S. Giovanni rotondo Consiste nel portare la struttura in una configurazione deformata con l applicazione di un tiro e nel registrare la risposta quando il tiro viene istantaneamente annullato

54 FASE DI COLLAUDO Centro di cura e riabilitazione a Bosisio Parini Arch. L. Bodega

55 FASE DI COLLAUDO Nuova Sede Hypo Bank in Tovagnacco (UD) - Arch. T. Mayne

56 FASE DI COLLAUDO Nuovo polo fieristico di Milano / Rho - Pero Arch. M. Fuksas

57 FASE DI COLLAUDO Torre radar aeroportuale

58 FASE DI COLLAUDO Nuova Scuola F. Jovine in San Giuliano di Puglia (CB)

59 FASE DI COLLAUDO Nuova Complesso Direzionale e Residenziale in Bergamo (BG) [1/5]

60 FASE DI COLLAUDO Nuovo Complesso Direzionale e Residenziale in Bergamo (BG) [2/5]

61 FASE DI COLLAUDO Giunto sismico Nuovo Complesso Direzionale e Residenziale in Bergamo (BG) [3/5]

62 FASE DI COLLAUDO Nuovo Complesso Direzionale e Residenziale in Bergamo (BG) [4/5]

63 FASE DI COLLAUDO Nuovo Complesso Direzionale e Residenziale in Bergamo (BG) [5/5]

64 FASE DI COLLAUDO Ponte in Comune di Dogna (UD) [1/7]

65 FASE DI COLLAUDO Ponte in Comune di Dogna (UD) [2/7]

66 FASE DI COLLAUDO Ponte in Comune di Dogna (UD) [3/7]

67 FASE DI COLLAUDO Eccitazione forzata con vibrodina Ponte in Comune di Dogna (UD) [4/7]

68 FASE DI COLLAUDO I modo f = 2,00 Hz II modo f = 3,10 Hz III modo f = 3,20 Hz Ponte in Comune di Dogna (UD) [5/7]

69 FASE DI COLLAUDO Eccitazione dovuta al traffico Ponte in Comune di Dogna (UD) [6/7]

70 FASE DI COLLAUDO Ponte in Comune di Dogna (UD) [7/7]

71 FASE DI ESERCIZIO Per il controllo dello stato dell opera nel corso della vita utile della struttura. È possibile ricorre alla sperimentazione dinamica per cogliere e quantificare l eventuale presenza di degradi e/o danneggiamenti strutturali intervenuti nell'assetto statico della struttura. In questo caso i parametri modali possono essere utilizzati come input per processi di identificazione strutturale che forniscono come output parametri strutturali direttamente correlati alla struttura e più facilmente interpretabili ed utilizzabili ai fini di verifiche strutturali. Per queste applicazioni possono essere convenientemente impiegati anche modelli numerici in grado di tener conto e simulare la presenza di difetti e/o danneggiamenti Le modalità e le tecniche relative ai processi di identificazione strutturale utilizzano strumenti classici dell'analisi strutturale e delle tecniche matematiche di identificazione e sensibilità. In tema di confronto tra serie successive eseguite in tempi diversi di dati sperimentali, o comunque di confronto tra dati sperimentali e valori numerici dedotti da modelli di calcolo, può non risultare sufficiente limitarsi al confronto delle frequenze proprie; infatti, specie nel caso in cui si intenda accertare la presenza di difetti, occorre curare anche la corrispondenza tra le forme modali essendo noto che gli spostamenti modali risultano (a differenza delle frequenze proprie) maggiormente legati al comportamento locale e quindi, in linea di principio, più adatti alla valutazione di danneggiamenti localizzati

72 FASE DI ESERCIZIO Il caso di studio ha dimostrato operativamente la fattibilità dell esecuzione di prove dinamiche con vibrodina su edifici ospedalieri in attività con presenza di degenti e sale operatorie. Plesso Ospedaliero Cristo Re in Roma: Indagine dinamica sperimentale e modellazione FEM per l analisi sismica [1/11]

73 FASE DI ESERCIZIO Tale approccio risulta peraltro in linea con il raggiungimento dell auspicato livello di conoscenza accurato (LC3) suggerito dall O.P.C.M. 3431/2005, che può quindi essere ottenuto limitando al minimo l interazione con le funzionalità dell edificio ospedaliero mantenuto in esercizio durante le indagini. CAMPAGNA DIAGNOSTICA Plesso Ospedaliero Cristo Re in Roma [2/11]

74 FASE DI ESERCIZIO Le prove dinamiche sono state integrate da indagini finalizzate all identificazione dei particolari costruttivi strutturali ed alla determinazione del grado di consistenza e delle caratteristiche di resistenza dei materiali dei principali elementi portanti. L insieme delle sperimentazioni puntuali e delle prove di carico dinamiche è stato studiato per conseguire un livello di conoscenza accurato ai sensi dell O.P.C.M. 3431/2005 e quindi in ottemperanza anche al D.M. 14 settembre 2005 Norme Tecniche per le costruzioni. Plesso Ospedaliero Cristo Re in Roma [3/11]

75 Martinetti piatti Carotaggi Endoscopie Misure soniche FASE DI ESERCIZIO Plesso Ospedaliero Cristo Re in Roma [4/11]

76 FASE DI ESERCIZIO Plesso Ospedaliero Cristo Re in Roma: Indagine dinamica sperimentale e modellazione FEM per l analisi sismica [5/11]

77 FASE DI ESERCIZIO Moto rigido trasversale T Modulo [mm/s 2 / kn] Impalcato 2 Impalcato 3 Impalcato cop Frequenza [Hz] Modulo [mm/s² / kn] Valore misurato Valore calcolato Posizione dell'eccitazione: VA - Direzione dell'eccitazione: L. Posizione di misura: A6 T Frequenza [Hz] Differenza di fase [Degree] Frequenza [Hz] Differenza di fase [Degree] Frequenza [Hz] Sovrapposizione di FdT Solaio con comportamento flessibile oltre i 5,70 Hz Plesso Ospedaliero Cristo Re in Roma [6/11]

78 FASE DI ESERCIZIO I MODO DI VIBRARE Deformata modale da modellazione FEM Frequenza: 3.41 Hz Deformata modale da prova con vibrodina Frequenza: 3.30 Hz Plesso Ospedaliero Cristo Re in Roma [7/11]

79 FASE DI ESERCIZIO II MODO DI VIBRARE Deformata modale da modellazione FEM Frequenza: 3.86 Hz Deformata modale da prova con vibrodina Frequenza: 3.60 Hz Plesso Ospedaliero Cristo Re in Roma [8/11]

80 FASE DI ESERCIZIO III MODO DI VIBRARE Deformata modale da modellazione FEM Frequenza: 5.03 Hz Deformata modale da prova con vibrodina Frequenza: 4.90 Hz Plesso Ospedaliero Cristo Re in Roma [9/11]

81 Tenuto conto che: 1. la geometria è stata definita sulla base di rilievi strutturali con verifica in situ della tipologia e orditura dei solai; 2. i principali dettagli costruttivi sono stati verificati in situ con controlli accompagnati da scarifiche e saggi sulle murature; 3. le proprietà dei materiali sono state ricavate mediante indagini in situ ad integrazione anche dei dati disponibili sulle proprietà dei materiali contenute nella stessa OPCM 3431/2005; 4. è stata eseguita una prova sperimentale con vibrodina che ha consentito di caratterizzare esaustivamente il comportamento dinamico della struttura per giungere ad un modello FEM connotato da un buon riscontro rispetto alle evidenze sperimentali; Cristo Re Roma [10/11] il livello di conoscenza della struttura è stato classificato LC3 conoscenza accurata. Le verifiche numeriche sono pertanto state condotte utilizzando un fattore di confidenza pari a FC = 1,0.

82 Una volta individuato il modello numerico messo a punto sulla base dei risultati sperimentali, successive analisi hanno consentito un adeguata valutazione delle sollecitazioni negli elementi costituenti la struttura, per la verifica delle effettive condizioni del manufatto sottoposto al sisma di progetto. Plesso Ospedaliero Cristo Re in Roma [11/11]

83 INDAGINI DIAGNOSTICHE E DINAMICHE CON VIBRODINA SULLE STRUTTURE IN C.A. DI UN EDIFICIO SCOLASTICO E RELATIVA VERIFICA SISMICA. ANALISI SISMICA AI SENSI DELL OPCM 3431/05 IN CONFIGURAZIONE ESISTENTE E DI PROGETTO ED ANALISI DEI RISULTATI Edificio scolastico [1/10]

84 SOPRALZO DELLA STRUTTURA Necessità di effettuare verifiche sismiche Edificio scolastico [2/10]

85 SOPRALZO DELLA STRUTTURA CORPO AGGIUNTO Necessità di effettuare verifiche sismiche Edificio scolastico [3/10]

86 IL MODELLO FEM Edificio scolastico [4/10]

87 ATTIVITA SVOLTE: INDAGINI SONICHE SONDAGGI A CAROTAGGIO CONTINUO CARATTERIZZAZIONE MECCANICA C.A. Edificio scolastico [5/10]

88 PROVA DINAMICA CON VIBRODINA: CARATTERIZZAZIONE DINAMICA EDIFICIO ESISTENTE ANALISI FEM: VERIFICA SISMICA DELL EDIFICIO ESISTENTE E DELLA CONFIGURAZIONE DI PROGETTO Edificio scolastico [6/10]

89 ANALISI DINAMICA MODALE LINEARE EDIFICIO ESISTENTE ZONA 4 ag/g = 0.05 STRUTTURA IN C.A. A TELAIO REGOLARE IN ALTEZZA NON REGOLARE IN PIANTA NUMERO MODI ANALIZZATI: 12 I MODO DI VIBRARE II MODO DI VIBRARE III MODO DI VIBRARE Edificio scolastico [7/10]

90 CONFRONTO PROVA SPERIMENTALE ED ANALISI NUMERICA NUMERICA MODI DI VIBRARE DELLA STRUTTURA I MODO DI VIBRARE Deformata modale da modellazione FEM Frequenza: 3.45 Hz Edificio scolastico [8/10] Deformata modale da prova con vibrodina Frequenza: 3.74 Hz

91 CONFRONTO PROVA SPERIMENTALE ED ANALISI NUMERICA NUMERICA MODI DI VIBRARE DELLA STRUTTURA II MODO DI VIBRARE Deformata modale da modellazione FEM Frequenza: 4.55 Hz Edificio scolastico [9/10] Deformata modale da prova con vibrodina Frequenza: 5.34 Hz

92 CONFRONTO PROVA SPERIMENTALE ED ANALISI NUMERICA NUMERICA MODI DI VIBRARE DELLA STRUTTURA III MODO DI VIBRARE Deformata modale da modellazione FEM Frequenza: 6.68 Hz Edificio scolastico [10/10] Deformata modale da prova con vibrodina Frequenza: 6.61 Hz

93 CONSIDERAZIONI SUI CASI DI STUDIO ESAMINATI: STRUTTURA OSPEDALIERA EDIFICIO SCOLASTICO Il metodo dinamico è un approccio integrato composto da procedure analitiche e sperimentali che, sulla base della risposta strutturale conseguente l applicazione di forzanti variabili nel tempo, consentono di determinare con affidabilità il comportamento dinamico del sistema vibrante. L utilizzo di strumenti di rilevazione della risposta della struttura particolarmente sensibili garantisce la possibilità di applicare forzanti di intensità limitata con il vantaggio di evitare condizioni di carico estreme. Procedure sperimentali consolidate consentono di studiare il comportamento strutturale in tempi brevi e senza interrompere la funzionalità dell opera.

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