Il monitoraggio di edifici storici: controlli preventivi e post evento sismico

AGENZIA NAZIONALE PER LE NUOVE TECNOLOGIE, L ENERGIA E LO SVILUPPO ECONOMICO SOSTENIBILE Il monitoraggio di edifici storici: controlli preventivi e post evento sismico Prof. Claudio Modena, Dr. Filippo Casarin Dipartimento di Costruzioni e Trasporti Università di Padova

CONTENUTI DELLA PRESENTAZIONE Sistemi di monitoraggio installati su beni culturali in normali condizioni scopo: 1) validare il funzionamento strutturale di modelli comportamentali di riferimento; 2) identificare processi di danno in atto; 3) validazione di interventi di consolidamento strutturale Sistemi di monitoraggio installati su beni culturali danneggiati in seguito ad evento sismico Casi studio scopo: 1) accertare la stabilità del danno osservato; 2) validazione di interventi di consolidamento strutturale; 3) controllo di sicurezza cantiere di messa in sicurezza / consolidamento - Arca di Cansignorio della Scala a Verona - Arena di Verona - Qutb Minar New Delhi - Chiesa di S. Sofia a Padova - Biblioteca Bertoliana a Vicenza - Forte Spagnolo a L Aquila - Chiesa di S. Marco a L Aquila - Chiesa di S. Agostino a L Aquila - Chiesa di S. Silvestro a L Aquila - Chiesa di S. Biagio d Amiterno e S. Giuseppe dei Minimi a L Aquila - Torre Civica a L Aquila > 2

VERONA Arca di Cansignorio della Scala Arena > 3

Arca di Cansignorio della Scala ARCA DI CANSIGNORIO DCT Università degli Studi di Padova Sensori installati (Dicembre 2006) 6 accelerometri monoassiali 1 termometro + RH 2 fessurimetri > 4

segnale MONITORAGGIO DI EDIFICI STORICI: CONTROLLI PREVENTIVI E POST EVENTO SISMICO ARCA DI CANSIGNORIO DELLA SCALA 1 - Progettazione ed installazione di un sistema di monitoraggio strutturale statico e dinamico sull Arca di Cansignorio della Scala, Verona Novembre 2005; 2 - Modellazione strutturale dell Arca di Cansignorio della Scala, Verona Marzo 2006; 3 - Identificazione dinamica ed installazione del sistema di monitoraggio strutturale statico e dinamico sull Arca di Cansignorio della Scala, Verona Giugno 2007; 0.004 0.003 0.002 0.001 0 0 50 100 150 200-0.001 Figure 5: monitoring strategy: the stored data windows in occurrence of a dynamic event -0.002 m/s 2-0.003 2.50E-04 tempo 2.00E-04 1.50E-04 1.00E-04 5.00E-05 0.00E+00 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Hz Figure 6: frequency domain based control: the frequencies of interest are identified and three windows around these frequencies, with related threshold values, are settled Frequency based control > 5

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 Base Shear [N] frequenze sperimentali [Hz] MONITORAGGIO DI EDIFICI STORICI: CONTROLLI PREVENTIVI E POST EVENTO SISMICO Creazione di modelli ad elementi finiti lineari e non lineari per la valutazione della sicurezza sismica del manufatto aggiornati sulla base delle risultanze del monitoraggio strutturale 20.00 18.00 16.00 F 6 0.96 14.00 12.00 F 4 0.78 F 5 0.69 10.00 8.00 6.00 F 3 0.96 4.00 F 1 F 2 0.61 MAC value modello DIANA 2.00 0.00 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 30.00 frequenze modali [Hz] 100000 90000 80000 70000 Resistenza a trazione f t [MPa] 0.1 0.2 0.3 0.5 60000 Energia di frattura G f [J/m 2 ] 10 20 50 100 Resistenza in compressione f c [MPa] 3 5 10 20 30 50000 40000 30000 Larghezza banda di fessurazione Larghezza banda di fessurazione (base colonne) h [m] 0.15 0.25 0.35 0.45 default 20000 10000 h [m] 0.075 0.15 0.15 0.15 default 0 spettro da normativa "drift" del 0.6% curva di capacità carico cost.direz. X curva di capacità carico triang. direz. X accelerogrammi da normativa Spostamento [m] > 6

09/08/06 09/11/06 09/02/07 09/05/07 09/08/07 09/11/07 09/02/08 09/05/08 09/08/08 09/11/08 09/02/09 09/05/09 09/08/09 09/11/09 09/02/10 frequenza [Hz] temperatura [ C] MONITORAGGIO DI EDIFICI STORICI: CONTROLLI PREVENTIVI E POST EVENTO SISMICO 13.45 13.30 45 40 13.15 13.00 35 12.85 12.70 identificazione dinamica 30 12.55 12.40 12.25 12.10 25 20 15 11.95 11.80 10 11.65 11.50 11.35 2 freq. fles. NS 2 freq. fles. EO temperatura Andamento ciclico delle frequenze naturali 5 0 data 0.25 mm PZ1 PZ2 TEMPERATURA 50.00 45.00 C 0.20 40.00 35.00 0.15 30.00 25.00 0.10 20.00 0.05 15.00 10.00 0.00 5.00 dic-06 feb-07 apr-07 giu-07 ago-07 ott-07 dic-07 feb-08 apr-08 giu-08 lug-08 Apertura delle lesioni set-08 nov-08 gen-09 mar-09 mag-09 lug-09 set-09 nov-09 gen-10 0.00-0.05-5.00 > 7

F RH Influenza dell umidità relativa nelle frequenze proprie T 0.25 mm PZ1 PZ2 TEMPERATURA 50.00 45.00 C 0.20 40.00 35.00 0.15 30.00 25.00 0.10 20.00 0.05 15.00 10.00 0.00 5.00 dic-06 feb-07 apr-07 giu-07 ago-07 ott-07 dic-07 feb-08 apr-08 giu-08 lug-08 set-08 nov-08 gen-09 mar-09 mag-09 lug-09 set-09 nov-09 gen-10 0.00-0.05-5.00 > 8

accelerazione [m/s 2 ] accelerazione [m/s 2 ] MONITORAGGIO DI EDIFICI STORICI: CONTROLLI PREVENTIVI E POST EVENTO SISMICO Creazione di modelli ad elementi finiti lineari e non lineari per la valutazione della sicurezza sismica del manufatto aggiornati sulla base delle risultanze del monitoraggio strutturale 0.100 orario UTC magnitudo distretto 23-12-2008 15:24:21 5.1 Prignano 0.080 0.060 0.040 0.020 canale 4 0.000 0.00 2.00 4.00 6.00-0.020-0.040-0.060 Verona -0.080-0.100 tempo [s] Traccia accelerometrica sensore 6 segnale registrato 0.100 0.080 mod. (ch4) 0.060 0.040 0.020 epicentro 0.000 0.00 2.00 4.00 6.00-0.020-0.040-0.060 Aggiornamento delle proprietà del modello per matching con accelerazioni sperimentali -0.080-0.100 tempo [s] Corrispondenti accelerazioni nodo modello FEM analisi dinamica non lineare: come accelerogramma alla base si è usato quello registrato > 9

Arena di Verona ARENA DI VERONA DCT Università degli Studi di Padova Sensori previsti (Marzo 2011) 16 accelerometri monoassiali 4 termometri + RH 20 fessurimetri > 10

Conseguentemente alle caratteristiche di complessità ed estensione della struttura studiata, si è scelto di schematizzare la muratura come materiale continuo omogeneo isotropo, con legge costitutiva elastica lineare. Si sono utilizzati elementi di tipo bidimensionale (plate) a tre/quattro nodi: tale schematizzazione si è ritenuta la più adeguata per l edificio in esame essendo costituito prevalentemente da elementi (setti murari e volte) aventi due dimensioni prevalenti. > 11

Il modello FE è stato sottoposto all analisi dinamica modale al fine di individuarne i modi di vibrare e le rispettive forme, e successivamente all analisi spettrale. M u = 2 ( l t σ / 2) ( 1- σ /0,85 f ) 0 0 d MODO 5 FLESSIONE TRASVERSALE FREQUENZA: 5,30 Hz MASSA PARTECIPANTE: 37,31 % MODO 6 FLESSIONE LONGITUDINALE FREQUENZA: 5,56 Hz MASSA PARTECIPANTE: 52,19 % > 12

A 29.11 m 3 cavi 18 Ø5 3 cavi 18 Ø5 17.2 m Mo do n Frequenza sperimentale [Hz] Frequenz a FEM [Hz] 4 cavi 18 Ø5 10.15 m 1 1,92 1,68 2 2,61 2,42 3 4,83 4,91 A 0.00 m 4 5,87 5,89 5 6,10 6,20 6 7,10 7,18 Particolare attenzione merita l ala dell Arena > 13

ACCELERAZIONE [m/s 2 ] ACCELERAZIONE [m/s 2 ] MONITORAGGIO DI EDIFICI STORICI: CONTROLLI PREVENTIVI E POST EVENTO SISMICO 1.2 1 0.8 0.6 O 0.4 0.2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 SPOSTAMENTO [m] QUARTO MODELLO CINEMATICO 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 M4 MODELLO 0 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 SPOSTAMENTO [m] > 14

55 N2C SLAVE A N1C N2B 1 37 N1B N2A 5 PC SUPERVISIONE ACCELEROMETRO TRASD SPOSTAMENTO SENSORE T-RH SLAVE WIRELESS MASTER SLAVE CABLATO LAN SLAVE B 17 19 SLAVE C N1A > 15

Eu-India Economic Cross Cultural Programme (FP6) Improving the Seismic Resistance of Cultural Heritage Buildings, Contract ALA-95-23-2003-077-122 N CH3 CH4 ACCELERATION TRANSDUCERS ANEMOMETER DISPLACEMENT TRANSDUCERS Sensori installati (Set 2006) 4 accelerometri monoassiali 2 termometri + RH 2 fessurimetri 1 anemometro TEMPERATURE AND RH SENSORS QUTB MINAR, NEW DELHI DCT Università degli Studi di Padova N CH1 CH2 Qutb Minar, sistema di monitoraggio > 16

In collaborazione con l Ufficio del Vice Commissario delegato per la tutela dei Beni Culturali, con l Università di Nagoya, l ISCR e la Regione del Veneto, si sono installati alcuni sistemi di monitoraggio strutturale, statici e dinamici, dediti al reperimento di dati presso beni culturali colpiti dal sisma SAN SILVESTRO FORTE SPAGNOLO TORRE CIVICA S. BIAGIO / S. GIUSEPPE SAN MARCO SANT AGOSTINO > 17

S. Agostino S. Marco S. Biagio Torre Civica L AQUILA Forte Spagnolo S. Silvestro > 18

S. Biagio d Amiterno S. Giuseppe dei Minimi CHIESA DI SAN BIAGIO DCT Università degli Studi di Padova Sensori installati (Dicembre 2010) 6 accelerometri monoassiali 2 termometri 8 fessurimetri > 19

CHIESE DI SAN BIAGIO D AMITERNO E SAN GIUSEPPE DEI MINIMI CH2 RH1 CH3 CH4 PZ1 DCT Università degli Studi di Padova PZ2 PZ4 CHIESA DI S. BIAGIO D'AMITERNO ORATORIO DI S. GIUSEPPE DEI MINIMI PZ3 CH1 CH2 TRH1 CHIESA DI S. BIAGIO D'AMITERNO Sensori installati 6 accelerometri monoassiali 2 termometri 8 fessurimetri PZ5 PZ7 PZ6 RH2 CH6 CH5 PZ1..8 TRH1..2 CH1..6 PZ8 PZ5 PZ8 PZ7 PZ6 TRH2 CH6 CH5 TRASDUTTORI DI SPOSTAMENTO PZ1..8 TRH1..2 CH1..6 SENSORI DI TEMPERATURA ED UMIDITA' RELATIVA TRASDUTTORI DI SPOSTAMENTO SENSORI DI TEMPERATURA ED UMIDITA' RELATIVA TRASDUTTORI DI ACCELERAZIONE TRASDUTTORI DI ACCELERAZIONE > 20

S. Marco CHIESA DI SAN MARCO DCT Università degli Studi di Padova Regione del Veneto Sensori installati (Agosto 2009) 4 accelerometri monoassiali 1 termometro 5 fessurimetri > 21

La chiesa di S. Marco, in piazza della Prefettura a L Aquila, ha riportato danni molto gravi in seguito al sisma del 6 Aprile. In seguito al terremoto la chiesa ha riportato danni sostanziali nell area dell abside e del transetto, ove si sono registrati crolli e diffuso danneggiamento nella massa muraria, con visibile ribaltamento delle murature verso l esterno, oltre a lesioni flessionali sui quattro pilastri sostenenti la cupola. La risposta trasversale della chiesa ha dimostrato notevoli carenze, in quanto la maggior parte della copertura voltata è collassata, così come un ampia porzione della muratura perimetrale su Piazza della Prefettura, nella parte sommitale. > 22

Concordemente all esecuzione dei primi lavori di messa in sicurezza per la chiesa di S. Marco a L Aquila (finanziamento R. Veneto) si è ritenuto necessario controllare il comportamento delle principali lesioni mediante un sistema di monitoraggio automatico. Il sistema registra automaticamente, su base oraria, i dati provenienti da 5 trasduttori di spostamento, posizionati all esterno nell area dell abside e dei bracci del transetto. I dati vengono correlati ai parametri ambientali (sensore di temperatura ed umidità relativa). L analisi dei dati indica una discreta stazionarietà nel comportamento delle lesioni monitorate, tuttavia con alcuni movimenti registrati nel periodo di osservazione. > 23

Inoltre, il sistema è in grado di registrare i segnali di accelerazione periodicamente nelle condizioni di vibrazione ambientale ed automaticamente nell occorrenza di evento sismico di maggiore rilevanza - alla base della struttura ed in sommità della stessa, mediante due coppie di trasduttori di accelerazione di alta precisione, posti in direzioni ortogonali. Si sono eseguite alcune elaborazioni relative ad eventi sismici registrati durante il periodo di funzionamento del sistema, dalle quali si possono trarre interessanti informazioni circa la risposta dinamica strutturale, correlata all input sismico specifico del sito. 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00-0.15-0.20-0.25 a(m/s 2 ) CH 1 CH 2 CH 3 CH 4 90 110 130 150 170-0.05 T(s) -0.10 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 a(g) LOCAL ELASTIC RESPONSE SPECTRUM Ascoli_Piceno - 12 01 10-14.42 - MI 4.1 Ascoli_Piceno - 12 01 10-9.31 - MI 4.0 Aterno valley - 29 11 09 - MI 3.2 Gran_Sasso - 10 11 09 - MI 3.0 Aquilano - 20 10 09 - MI 3.5 T(s) 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 > 24

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S. Agostino CHIESA DI SANT AGOSTINO Nagoya city University, Japan DCT Università degli Studi di Padova Sensori installati (Settembre 2010) 16 accelerometri monoassiali 2 termometri 4 estensimetri 4 fessurimetri inclinometri > 26

Torre Civica TORRE CIVICA Nagoya city University, Japan DCT Università degli Studi di Padova Istituto Superiore per la Conservazione ed il Restauro Sensori installati (Luglio 2010) 8 accelerometri monoassiali 2 termometri 4 estensimetri 4 fessurimetri inclinometri > 27

S. Silvestro CHIESA DI SAN SILVESTRO Nagoya city University, Japan DCT Università degli Studi di Padova Sensori installati (Lug-Set 2010) 8 accelerometri monoassiali 2 termometri 4 estensimetri 4 fessurimetri inclinometri > 28

Forte Spagnolo FORTE SPAGNOLO Istituto Superiore per la Conservazione ed il Restauro DCT Università degli Studi di Padova Sensori installati (Dic 2009) 8 accelerometri monoassiali 1 stazione metereologica 6 fessurimetri inclinometri > 29

Il Forte Spagnolo è rimasto fortemente danneggiato dal sisma del 6 Aprile. I maggiori danni si sono riscontrati ai piani superiori, dove intere porzioni della struttura sono collassate. Tra i principali danni si sono registrati i meccanismi di ribaltamento e flessione nelle murature perimetrali, lesioni a taglio nelle murature interne ed esterne, danneggiamento alle volte e agli archi, collassi locali di volte e solai. In generale, sia per intensità che per distribuzione all interno della struttura, il danno manifestato dal Forte è stato di grave entità, tale da pregiudicare la stabilità strutturale dell edificio. > 30

Nel dicembre 2009, è stato installato un sistema di monitoraggio dinamico nelle strutture in elevazione del braccio S-Est del Forte, a completare una prima campagna di identificazione della risposta strutturale dinamica, condotta alcuni mesi prima (Settembre 2009). Il sistema installato lavora in parallelo ad un sistema di monitoraggio statico composto da trasduttori di spostamento e stazioni di rilevamento ambientale, installato nei primi mesi successivi al sisma da parte dell ISCR, volto al controllo del quadro lesivo della struttura concordemente ai parametri ambientali. > 31

Il sistema dinamico è composto da una centralina di acquisizione dei dati - equipaggiata con un router wireless per la trasmissione in remoto dei dati - collegata a 8 sensori piezoelettrici di accelerazione. Una coppia di sensori di riferimento è posizionata alla base della struttura per la registrazione dell accelerazione al suolo, in occasione di eventi di natura sismica. Gli altri sensori sono stati disposti ai piani superiori, in relazione ai modi predominanti. Sensori di spostamento sono posizionati al piede dei pilastri verso il cortile per controllare il fenomeno di ribaltamento del fronte interno, oltre a sonde di rilevazione dei parametri ambientali. I primi risultati del monitoraggio indicano una correlazione tra I parametri ambientali (e le lavorazioni in atto) ed I fenomeni monitorati, ma non sostanziali variazioni dovute alla progressione del dissesto. f 1 f 2 f 3 f 4 > 32

CONCLUSIONI PRE POST > 33