VIBRAZIONI INDOTTE SUGLI EDIFICI DA MEZZI DI TRASPORTO Seminario formativo sull utilizzo del software previsionale WavePrevision

Transcript

1 VIBRAZIONI INDOTTE SUGLI EDIFICI DA MEZZI DI TRASPORTO Seminario formativo sull utilizzo del software previsionale WavePrevision E. Monaco, F. Amoroso, V. Limone (1) S. Curcuruto, D. Atzori, G. Marsico, R. Betti (2) 1) SONORA S.r.l. Servizi di ingegneria in acustica e vibrazioni, Caserta 2) ISPRA Istituto Superiore per la Protezione e la Ricerca Ambientale, Roma

2 Negli ultimi anni il problema delle vibrazioni degli edifici ha assunto sempre maggiore importanza continuo aumento delle sorgenti vibratorie diversa tipologia strutturale delle moderne costruzioni maggiore sensibilità dell uomo all impatto ambientale Sono in aumento valutazioni di impatto ambientale non solo da rumore ma anche da vibrazioni. Le vibrazioni possono arrecare: disturbo alle persone danni alle apparecchiature utilizzate riduzione della efficienza operativa delle strutture nei casi più gravi, possono costituire un rischio per l integrità strutturale o architettonica degli edifici.

3 Per determinare correttamente i livelli di vibrazione, è necessario, conoscere: la caratterizzazione dinamica della sorgente (contenuto spettrale) la conformazione geologica del terreno i metodi di propagazione delle onde vibratorie ASPETTO CRITICO!! ONDE DI VOLUME Onda di tipo P Onda di tipo S ONDE DI SUPERFICIE Onda di tipo L (Love) Onda di tipo R (Rayleigh)

4 Contratto di ricerca stipulato tra Istituto Superiore per la Protezione e la Ricerca Ambientale e SONORA S.r.l. ATTIVITA : 1. Rilievi sperimentali di vibrazioni indotte da tram e treni A.V. 2. Sviluppo ed implementazione di modelli numerici previsionali OBIETTIVO: Fornire uno strumento per la previsione dei livelli di vibrazione indotti da mezzi su rotaia (tram, treni a bassa ed ad alta velocità). RISULTATO: Wave Prevision codice previsionale dei livelli di vibrazione basato su modelli presenti nella letteratura scientifica

5 Cos è la vibrazione....un corpo vibra quando descrive un moto oscillatorio intorno ad una posizione di equilibrio. Il numero di volte in cui un ciclo completo di tale oscillazione ha luogo nel periodo di un secondo prende il nome di frequenza. Moti composti da una o più componenti tonali

6 Come si quantifica una vibrazione. -Ampiezza picco-picco -Valore di picco - Media rettificata (tiene conto della storia temporale della vibrazione mediante l integrazione nel tempo ma non ha nessun legame con quantità fisiche) - Valore RMS (tiene conto della storia temporale al contenuto energetico della vibrazione e quindi alla sua capacità di disturbo o danneggiamento)

7 Paramentri vibrazionali: accelerazione, velocità e spostamento. -Per vibrazioni monotonali, o sinusoidali, spostamento, velocità ed accelerazioni sono collegate tra loro da funzioni di tempo e frequenza. Se si trascura lo sfasamento tre i tre parametri del moto, nel dominio delle frequenze è molto semplice passare da livelli di un parametro ai livelli di un altro mediante semplici formule algebriche funzioni della sola frequenza

8 Paramentri vibrazionali: accelerazione, velocità e spostamento. -Per vibrazioni monotonali, o sinusoidali, spostamento, velocità ed accelerazioni sono collegate tra loro da funzioni di tempo e frequenza. Se si trascura lo sfasamento tre i tre parametri del moto, nel dominio delle frequenze è molto semplice passare da livelli di un parametro ai livelli di un altro mediante semplici formule algebriche funzioni della sola frequenza

9 Approcci possibili per l analisi vibrazionale: analisi del segnale oppure analisi del sistema? -Per modellare un problema dinamico strutturale è possibile in estrema sintesi usare due approcci: -Analizzare l intero sistema costituito da sorgente+struttura (o mezzo di propagazione)+ ricettore mediante l analisi dei segnali misurati al ricettore; - costruire funzioni di trasferimento o modelli che rappresentino matematicamente il sistema struttura (o mezzo di propagazione) permettendone di prevederne la risposta per diverse tipologie di eccitazioni vibratorie.

10 Approcci possibili per l analisi vibrazionale: analisi del segnale oppure analisi del sistema? -Per modellare un problema dinamico strutturale è possibile in estrema sintesi usare due approcci: -Analizzare l intero sistema costituito da sorgente+struttura (o mezzo di propagazione)+ ricettore mediante l analisi dei segnali misurati al ricettore; - costruire funzioni di trasferimento o modelli che rappresentino matematicamente il sistema struttura (o mezzo di propagazione) permettendone di prevederne la risposta per diverse tipologie di eccitazioni vibratorie.

11 Analisi del segnale -Mediante l analisi del solo output misurato sul sistema in vibrazione (o ad un ricettore sensibile) è possibile ottenere informazioni inerenti le caratteristiche del sistema (picchi di ampiezza relativi a frequenze proprie esistenti) attraverso elaborazioni del segnale misurato nel domino del tempo o della frequenza. -L analisi è valida solo per il sistema misurato sotto l azione di una specifica fonte di vibrazione ed esclusivamente nel punto in cui la misura è effettuata

12 Analisi del sistema mediante lo sviluppo ed utilizzo di modelli -Mediante l analisi del sistema attraverso una sua modellazione è in linea di principio possibile ottenere le risposte dello stesso quando esso è soggetto ad eccitazioni vibrazionali di diversa tipologia (contenuto in frequenza ed ampiezza) -Esistono modelli di dinamica strutturale piu o meno complessi, ad uno o più gradi di libertà, analitici (elementi concentrati o strutture continue), numerici (agli elementi finiti) o sperimentali (modelli modali e/o ondulatori).

13 Analisi del sistema mediante lo sviluppo ed utilizzo di modelli -I modelli numerici per la previsione dei livelli vibratori si articolano in due fasi principali: -GENERAZIONE: studio e caratterizzazione della sorgente -PROPAGAZIONE: studio della propagazione delle onde vibratorie lungo il percorso SORGENTE PROPAGAZIONE al ricettore PROPAGAZIONE nel sottosuolo

14 Classificazione dei problemi dinamici Dinamica dei corpi rigidi mx&& + kx = 0 Soluzione: Trattazione analitica mx kx Fsin t && + = ω ( ) mx&& + cx& + kx = F t Dynamic Amplification Forced SDOF Frequency Ratio

15 Classificazione dei problemi dinamici Dinamica dei corpi deformabili Struttura: Semplice monolitica (es.: trave o piastra) Soluzione: Trattazione analitica (equazione delle onde in trave o piastra) Struttura: Complessa (componenti strutturali complessi di strutture civili, industriali, di mezzi di trasporto, mezzi di propagazione complessi) Soluzione: Trattazione numerica (codici ad elementi finiti di tipo implicito o esplicito, codici di elementi al contorno )

16 Cenni di propagazione delle onde nei solidi Un' onda può essere definita come una perturbazione elastica che si propaga da punto a punto attraverso un materiale, o sulla sua superficie senza che ciò implichi uno spostamento definitivo di materiale. Onde di corpo (o volume) ed onde di superficie Le prime si generano in un volume non vincolato (Di tipo P o di tipo S) Le seconde si generano in un solido con una delle facce vincolate (Onde di Rayleigh ed Onde di Love) Le onde superficiali decadono molto lentamente con la distanza di quanto lo facciano le onde di corpo, le quali viaggiano in tre dimensioni.

17 Onde di volume o di corpo Tipo P (o compressione) Esse sono simili alle onde acustiche e corrispondono a compressioni e rarefazioni del mezzo in cui viaggiano Tipo S o onde trasversali sono onde di corpo tali da provocare nel materiale attraversato oscillazioni perpendicolari alla loro direzione di propagazione. Le si può immaginare come onde che si propagano su una corda di lunghezza finita, che viene fatta oscillare muovendone le due estremità.

18 Onde di superficie Le onde di Rayleigh viaggiano attraverso superfici. Nei mezzi isotropi solidi le particelle della superficie si muovono in ellissi in piani normali alla superficie e paralleli alla direzione di propagazione. le Onde di Love sono onde di taglio polarizzate orizzontalmente. Il moto della particella di una onda di Love forma una linea orizzontale perpendicolare alla direzione di propagazione. Muovendo più in profondità nel materiale, il moto può diminuire a un "nodo" e dunque alternativamente aumentare e diminuire

19 Velocità di propagazione delle onde nel terreno La velocità di propagazione di queste onde dipende sia dal tipo di onda che dal mezzo di propagazione, ma risulta comunque sempre massima per le Onde P. Ad esempio, nel granito la velocità di propagazione delle Onde P è di circa 5,5 km/s, quella delle Onde S è 3,0 km/s, mentre nell'acqua la velocità delle onde P è circa di 1,5 km/s. Le onde S, come abbiamo già visto non si possono invece propagare nei mezzi fluidi. Il rapporto Vp/Vs è costante e caratteristico per ogni tipo di materiale. La velocità varia dunque al variare del materiale attraversato.

20 Attenuazione delle onde nel terreno In generale l' attenuazione dell'energia delle onde nel terreno è di norma quadratica con la distanza per attenuazione isotropica delle onde nello spazio più un termine esponenziale negativo con la distanza per attenuazione specifica dovuta all'assorbimento del particolare mezzo di propagazione interessato. Terreni rocciosi coerenti assorbono di più certe frequenze vibrazionali rispetto a terreni incoerenti che invece tendono ad amplificare per risonanza le ampiezze dei fenomeni vibrazionali (di natura sismica o meno).