MISURA DI VIBRAZIONI INDOTTE DA TRAFFICO FERROVIARIO SU EDIFICI STORICI: IL CASO VILLA D ELBOEUF

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1 Associazione Italiana di Acustica 43 Convegno Nazionale Alghero, maggio 2016 MISURA DI VIBRAZIONI INDOTTE DA TRAFFICO FERROVIARIO SU EDIFICI STORICI: IL CASO VILLA D ELBOEUF Alessandro Ruggiero 1, Domenico Russo 1 1 Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Salerno, Via Giovanni Paolo II 132, I , Fisciano (SA), ITALY 1. Introduzione Lo scopo di questo lavoro consiste nell illustrare un caso studio per quanto riguarda la misura di vibrazioni generate dal passaggio di convogli ferroviari sulla linea Napoli- Battipaglia, in corrispondenza della stazione FS di Portici (NA), ed indotte sull edificio villa d'elboeuf, palazzo settecentesco sito a Portici nelle immediate vicinanze del porto del Granatello, il cui prospetto è riportato schematicamente in figura 1. Tale villa, che rappresenta la prima delle 122 ville vesuviane del Miglio d oro, fu fatta costruire nel 1711 dal duca d'elboeuf, su disegno di Ferdinando Sanfelice e si presentava di pianta rettangolare, sviluppandosi su due piani, con una loggetta dalla parte del Vesuvio e due terrazze sul mare, una verso Torre del Greco ed una verso Napoli. Sulla facciata principale, rivolta verso il mare (Fig. 2), si aprivano due portali, a cui si accedeva da una doppia scala ellittica con balaustra in marmo e piperno. Il duca d'elboeuf la abbellì con numerosi manufatti recuperati da quelli che sarebbero diventati di lì a poco gli scavi archeologici di Ercolano. Figura 1 Prospetto lato mare di Villa d'elboeuf nel suo aspetto originario

2 Allo stato delle misure l edificio si presentava in fase di ricostruzione e pertanto interessato da impalcature, puntellamenti e zone non accessibili. Figura 2 Immagine di Villa d'elboeuf vista dal mare ( 2. Normativa di riferimento e strumentazione utilizzata Per la scelta della metodologia di misurazione del fenomeno oggetto d indagine e della post-elaborazione dei dati si è fatto riferimento essenzialmente alla norma UNI Criteri di Misura e Valutazione degli Effetti delle Vibrazioni sugli Edifici [1]. Il sistema di misura impiegato comprende le seguenti strumentazioni principali: 6 trasduttori accelerometrici piezoelettrici monoassiali (KS 48C MMF) con una sensibilità pari a 1000 ± 5 % mv/g e un intervallo lineare di frequenza pari a 0, Hz; tali sensori vantano una elevata risoluzione di misura che consente di ottenere un alto rapporto segnale-rumore; pre-amplificatore per il condizionamento dei segnali acquisiti e PC per la gestione ed elaborazione dei dati. Per effettuare la configurazione dei canali, per gestire l'acquisizione e per visualizzare, memorizzare ed esportare i dati è stato utilizzato un software dedicato. La calibrazione dei trasduttori è avvenuta secondo le modalità definite dalla vigente normativa mediante un calibratore MMF modello VC10 con frequenza pari a 159,15 Hz, L acquisizione e la registrazione dei segnali provenienti dagli accelerometri sono avvenute attraverso 3 sistemi di acquisizione Dewetron modello DEWE-43 gestiti da calcolatore. Tale sistema di acquisizione integra 8 ingressi analogici con condizionamento configurabile. L acquisizione avviene a 24 bit ed è sincrona rispetto a tutti i canali fino a 50 Ks/sec per canale. 3. Modalità di misura Poichè in base alla Norma UNI le modalità di fissaggio dei trasduttori devono consentire la fedele riproduzione del moto vibratorio dell'elemento (misurando) sul quale essi sono fissati, senza che siano introdotte alterazioni del moto stesso imputabili al sistema di accoppiamento del trasduttore e il sistema di montaggio, esso 2

3 deve essere quanto più leggero e rigido possibile; gli accelerometri sono quindi stati fissati direttamente all elemento strutturale per mezzo di opportuni tasselli, evitando elementi di supporto che potrebbero modificare la dinamica del sistema, falsandone la sua misura. Per quanto concerne la scelta della posizione dei sensori, sono state individuate due sezioni di misura sulla facciata interna della villa prospiciente la linea ferroviaria, longitudinalmente alla linea ferrata, disposte l una (S1) all interno della galleria artificiale metallica (Fig. 3) recentemente realizzata e l altra (S2) all esterno della stessa. In corrispondenza di ogni sezione è stata collocata una terna di sensori (x, y, z) in due punti diversi ma disposti sulla medesima verticale per ogni sezione. Figura 3 Facciata della villa prospiciente la linea ferroviaria (vista direzione SA-NA) Le vibrazioni per ciascun punto sono state misurate secondo una terna cartesiana, sia in direzione verticale sia in due direzioni orizzontali (trasversale e longitudinale rispetto ai binari). In tabella 1 sono riportate per ogni sezione di misura le direzioni di misura con la relativa simbologia utilizzata nel prosieguo del presente lavoro. Tabella 1 Punti di misura relativi alle due sezioni di misura individuate SEZIONE 1 (S1) SEZIONE 2 (S2) Punto di misura Assi Punto di misura Assi S1.P1 S1.P2 x = Napoli Salerno y = terra cielo z = monte - mare x = Salerno Napoli y = terra cielo z = mare - monte S2.P1 S2.P2 x = Napoli Salerno y = terra cielo z = monte - mare x = Napoli Salerno y = terra cielo z = monte - mare 3.1 Sezione di misura S1 In corrispondenza di ogni postazione della sezione S1 (Fig. 4) sono state misurate le vibrazioni indotte da quattro passaggi di treni [2,3] viaggianti a velocità di 30 Km/h, due lungo il binario pari (più vicino a Villa d Elboeuf) e due lungo quello dispari: 3

4 Tabella 2 - Passaggi dei treni S1 Transito Binario 1 Dispari 2 Pari 3 Pari 4 Dispari Figura 4 Stralcio ortofoto dell area di indagine con individuazione della sezione di misura S1 Il punto S1.P1 trova collocazione sulla parete del fabbricato (lato interno) prospiciente la linea ferroviaria ad una distanza di 120 cm dal piano di calpestio della villa (Fig. 5), il punto S1.P2 è stato collocato sulla verticale della postazione S1.P1 ad una distanza di 244 cm dal piano di calpestio della villa. Figura 5 - Particolare della realizzazione della postazione di misura S1.P1 3.2 Sezione di misura S2 Per la Sezione S2 la scelta delle posizioni di misura ha seguito la stessa logica di quanto previsto per la Sezione S1, con la differenza che i sensori sono stati installati nel tratto esterno della galleria artificiale in direzione Napoli. Anche in questo caso, in corrispondenza di ogni postazione della sezione S2 (Fig. 6), sono state misurate le 4

5 vibrazioni indotte da quattro passaggi di treni, due lungo il binario pari (più vicino a Villa d Elboeuf) e due lungo quello dispari: Transito Tabella 3 - Passaggi dei treni S2 Binario 5 Dispari 6 Dispari 7 Pari 8 Pari Figura 6 Stralcio ortofoto dell area di indagine con individuazione della sezione di misura S2 Il punto S2.P1 trova collocazione sulla parete del fabbricato (lato interno) prospiciente la linea ferroviaria ad un altezza di 40 cm dal piano di calpestio della villa (Fig. 7), il punto S2.P2 è stato collocato sulla verticale della postazione S1.P2 ad una distanza di 151 cm dal piano di calpestio della villa. Figura 7 - Particolare della realizzazione della postazione di misura S2.P1 Al fine di avere un unico riferimento temporale che permettesse l acquisizione sincronizzata dei 3 segnali provenienti dalle singole terne, senza perdere informazioni di fase, le stesse sono state collegate mediante cavi coassiali di lunghezza adeguata all acquisitore. Successivamente, i due analizzatori sono stati collegati separatamente a due notebook per il controllo dell acquisizione. La frequenza di campionamento è stata impostata a 5 Ksamples/sec. Le misure sono state eseguite rilevando due transiti su ogni 5

6 binario (pari e dispari) alla velocità di transito dei convogli ferroviari, dichiarata da RFI, di 30Km/h. 4. Elaborazione dati L elaborazione delle misurazioni è stata eseguita per ogni transito e per ognuno dei tre assi coordinati dei sensori installati. Le accelerazioni di vibrazione acquisite nel dominio del tempo sono state analizzate nel dominio delle frequenze nel campo da 1 a 300 Hz, così come suggerito dalla norma di riferimento nel caso di traffico ferroviario. La velocità di vibrazione sui differenti assi è stata determinata a partire da segnali in accelerazione mediante integrazione temporale. Successivamente, come previsto dalla UNI 9916, è stato applicato un filtro IIR passa banda di tipo Butterworth di ordine 6. Per il calcolo di ciascun valore da confrontare con il limite riportato nella norma di riferimento è stata seguita la seguente procedura [1]: è stata misurata la velocità di vibrazione ed è stato valutato il suo massimo in valore assoluto; è stata estratta la finestra temporale nella quale il segnale aveva raggiunto il massimo valore; è stata applicata al segnale la finestra di Hanning; è stata calcolata la trasformata di Fourier discreta sul segnale finestrato; è stata determinata la frequenza corrispondente all ampiezza maggiore del segnale; è stato associato il valore massimo di ampiezza del segnale alla frequenza di cui al punto precedente. Tale procedura ha consentito di pervenire ai seguenti parametri caratteristici: Velocità di picco puntuale ( peak particle velocity ) p.p.v.: valore massimo del modulo del vettore velocità misurato o ottenuto per integrazione in un dato punto. La determinazione del p.p.v. è stata eseguita combinando vettorialmente, istante per istante, le tre componenti mutuamente perpendicolari (VX, VY, VZ) della velocità di vibrazione nel punto considerato. Velocità di picco di una componente puntuale ( peak component particle velocity) p.c.p.v.: valore massimo del modulo di una delle tre componenti ortogonali misurate simultaneamente in un punto o ottenute mediante integrazione. Il parametro è stato determinato valutando il modulo del valore massimo raggiunto dal segnale in velocità. 5. Risultati e conclusioni A seguire nelle figure 8-11, sono rappresentati, a titolo esemplificativo, in corrispondenza del passaggio del treno lungo il binario pari (più vicino a Villa d Elboeuf), Figura 8 Andamento dell accelerazione in corrispondenza della SEZIONE 1, PUNTO DI MISURA S1.P1, Transito 2 sul Binario Pari 6

7 l andamento dell accelerazione nel tempo e delle relative trasformate di Fourier lungo i tre assi misurati nel punto S1.P1 e nel punto S2.P2, con riferimento a due transiti. Figura 9 Trasformata di Fourier dell accelerazione in corrispondenza della SEZIONE 1, PUNTO DI MISURA S1.P1, Transito 2 sul Binario Pari Figura 10 Andamento dell accelerazione in corrispondenza della SEZIONE 2, PUNTO DI MISURA S2.P2, Transito 7 sul Binario Pari Figura 11 Trasformata di Fourier dell accelerazione in corrispondenza della SEZIONE 2, PUNTO DI MISURA S2.P2, Transito 7 sul Binario Pari Nella tabella 4 è riportato il quadro sinottico dei valori di frequenza rilevati in corrispondenza dei picchi di velocità di vibrazione per tutte le misurazioni eseguite. Dall attività illustrata è emerso sostanzialmente che: i picchi massimi di velocità di vibrazione, nei differenti punti di misura e sui differenti assi, a parità di velocità di percorrenza dei convogli (30 Km/h), fanno riferimento ai passaggi sul binario pari (più vicino alla facciata della villa prospiciente la linea ferroviaria), e la distanza tra il binario interessato dal passaggio ed il punto di misura gioca un ruolo importante a causa delle attenuazioni legate alla trasmissione delle vibrazioni attraverso il suolo [4,5]; 7

8 Tabella 4 Quadro di sintesi dei rilievi effettuati Sezione e Punto di Misura Binario Asse Dominante Direzione f (Hz) S1.P1. Dispari Y Terra - Cielo 126,95 S1.P1. Pari Y Terra - Cielo 114,75 S1.P1. Pari Y Terra - Cielo 117,19 S1.P1. Dispari X Napoli - Salerno 119,63 S1.P2. Dispari Z Mare - Monte 34,18 S1.P2. Pari X Salerno - Napoli 168,46 S1.P2. Pari X Salerno Napoli 166,02 S1.P2. Dispari Z Mare - Monte 31,74 S2.P1. Dispari X Napoli - Salerno 261,23 S2.P1. Dispari Z Monte - Mare 146,48 S2.P1. Pari Z Monte - Mare 31,74 S2.P1. Pari X Napoli - Salerno 56,15 S2.P2. Dispari X Napoli - Salerno 44,02 S2.P2. Dispari X Napoli - Salerno 45,17 S2.P2. Pari Z Monte - Mare 30,93 S2.P2. Pari Z Monte - Mare 31,22 tutti i picchi di velocità individuati (p.c.p.v.) sono stati confrontati con i valori di riferimento (UNI ) in corrispondenza della tipologia di edificio di classe 3 costruzioni che sono degne di essere tutelate, p.es. monumenti storici, al fine di trarre utili informazioni sugli effetti delle vibrazioni generate dal passaggio di convogli ferroviari sulla porzione della facciata della villa maggiormente interessata. 6. Ringraziamenti Gli autori ringraziano il P.I. Sergio De Rosa per la collaborazione tecnica offerta durante le prove strumentali. 7. Bibliografia [1] UNI 9916 del 2014 Criteri di Misura e Valutazione degli Effetti delle Vibrazioni sugli Edifici. [2] G. Cantisani, G. Loprencipe, P. Zoccali, Previsione delle vibrazioni ferroviarie: modelli teorici e agli EF. Atti del Convegno" Sicurezza ed esercizio ferroviario". ISBN, , [3] F. Rossi, A. de Lieto Vollaro, A. Nicolini, Una nuova metodologia per la previsione delle vibrazioni indotte dal traffico stradale e ferroviario. [4] H. Takemiya, Prediction of Ground Vibration Induced by High-Speed Train Operation, 18th Sino-Japan Technology Seminar, Taipei, Taiwan, [5] A. D Andrea, G. Loprencipe, E. Xhixha. Vibration induced by rail traffic: Evaluation of attenuation properties in a bituminous sub-ballast layer, Procedia- Social and Behavioral Sciences 53 (2012):