Comportamento strutturale: perché eseguire il monitoraggio dinamico?

“Può un modello numerico rappresentare correttamente le reali caratteristiche dinamiche di una struttura?”

La metodologia utilizzata per dare una risposta affermativa a questa domanda è l’identificazione dinamica.

La procedura consiste nell’osservazione della struttura in uno specifico istante temporale registrando le accelerazioni a cui la struttura stessa è sottoposta.

Per questa ragione le condizioni ambientali e operative sono aspetti determinanti, come:

• la scelta del tipo di sensore e della centralina di acquisizione,
• la loro posizione nella struttura e
• la durata delle acquisizioni.

Si tratta di una domanda chiave alla quale il volume Il monitoraggio dinamico delle strutture,   degli autori Alessio Pierdicca e Fabio Mattiauda, cerca di dare una risposta. Vediamo meglio di cosa si tratta con questo articolo estratto dal volume citato.

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Monitoraggio dinamico delle strutture e l’analisi modale

Il comportamento dinamico delle costruzioni civili può essere determinato attraverso test sperimentali utilizzando un input noto. Questa procedura viene chiamata Analisi Modale Sperimentale (Experimental Modal Analysis – EMA). Essa consente l’identificazione dei parametri dinamici della struttura attraverso la conoscenza dell’input e la misurazione dell’output mediante i sensori.

Questo tipo di approccio soffre però di alcune limitazioni, quali:

• la necessità di un’eccitazione esterna che consenta di determinare la Funzione di Risposta in Frequenza (Frequency Response Function – FRF). In alcuni casi, specialmente per strutture di grandi dimensioni, è molto impegnativo e costoso e a volte impossibile, fornire un’adeguata fonte di eccitazione esterna da fornire alla struttura (ad esempio con una vibrodina);
• costi elevati;
• possibilità di danneggiamento della struttura mediante l’utilizzo di fonti di vibrazioni esterne.

Per queste e per altre motivazioni, negli ultimi anni particolare attenzione è stata posta all’Analisi Modale Operazionale (Operational Modal Analysis – OMA). A differenza dell’EMA, essa consiste nella misurazione della sola risposta strutturale (output) senza la necessità di dover eccitare artificialmente la struttura.

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La fonte di eccitazione (input) rimane dunque un’incognita; per questo motivo la tecnica OMA viene anche chiamata “output-only modal analysis”.

L’OMA è una tecnica molto interessante grazie ad una serie di vantaggi rispetto all’EMA, tra cui:

• facilità ed economicità della tecnica;
• non sono necessarie attrezzature esterne per mettere in vibrazione la struttura;
• il test non interferisce con l’utilizzo della struttura che può mantenere il normale utilizzo durante il monitoraggio.

D’altro canto è necessario che i segnali acquisiti abbiano un rapporto segnale- rumore molto più elevato rispetto alla tecnica EMA. Ciò si traduce nell’utilizzo di sensori particolarmente sensibili e in un’accuratezza sul trattamento dei segnali più elevata.

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Il monitoraggio strutturale: classificazioni in base alla durata

Una prima distinzione tra le tecniche di monitoraggio strutturale può essere fatta classificando le varie tecniche in base alla durata o periodo di osservazione del fenomeno. Il monitoraggio può dunque essere a breve termine, continuo, periodico o impostando dei valori soglia (o trigger):

• Monitoraggio a breve termine. Viene effettuato per esaminare lo stato della struttura in uno specifico momento temporale. L’identificazione consente quindi di conoscere il comportamento dinamico della struttura ad un certo istante. Solitamente le acquisizioni per questo tipo di test vengono svolte nell’arco di una giornata.
• Monitoraggio in continuo. In questo caso la struttura viene monitorata per un lasso temporale molto elevato, dell’ordine di mesi, anni o per l’intera vita utile della struttura. Una delle applicazioni più comuni consiste nel monitorare l’evoluzione dinamica della struttura nel tempo, al fine di identificare eventuali fenomeni di danneggiamento o semplicemente quantificare il naturale invecchiamento della costruzione. Esso contente inoltre di effettuare diagnosi strutturali a seguito di eventi calamitosi imprevedibili, come ad esempio l’azione sismica, consentendo una rapida diagnosi post-evento.
• Monitoraggio periodico. Quando vengono ripetuti diversi monitoraggi a breve termine ad una determinata cadenza temporale si parla di monitoraggio periodico. Esso è utile per verificare eventuali modifiche al comportamento dinamico in determinate condizioni, come ad esempio durante interventi di adeguamento sismico di un edificio in cui è possibile quantificare le modifiche ante operam e post operam.
• Triggered monitoring. Durante i monitoraggi dinamici le acquisizioni possono essere effettuate anche al superamento di valori soglia imposti dal progettista o dalle normative tecniche. In questo modo vengono salvati solo i dati di interesse per l’operatore. Inoltre, al superamento dei valori soglia, è possibile attivare allarmi o segnali utili in caso di emergenza.

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Il monitoraggio strutturale: classificazioni in base all’area interessata

Un’altra importante classificazione del monitoraggio strutturale è basata sull’estensione della struttura coinvolta nel monitoraggio.

• Monitoraggio locale. Consiste nell’osservazione di alcune porzioni strutturali e fenomeni di natura locale, come il monitoraggio dinamico di catene metalliche o il monitoraggio di fessure. Il monitoraggio locale non è in grado di determinare le condizioni di salute dell’intero edificio, ma è molto efficace soprattutto se combinato con il monitoraggio globale.
• Monitoraggio globale. Consiste nell’osservazione dell’intero complesso strutturale. Una tipica applicazione è il monitoraggio dei parametri modali della struttura, come frequenze proprie, smorzamenti e forme modali.

Tali parametri possono poi essere correlati con i risultati ottenuti da simulazioni numeriche mediante modelli FEM in modo da ottenere modelli affidabili e tarati sulle indagini sperimentali.

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Il monitoraggio strutturale: classificazioni in base alla frequenza di osservazione

Un’ultima importante classificazione è basata sulla frequenza temporale con cui viene osservato un fenomeno. Si parla in questo caso di monitoraggio statico e dinamico.

• Monitoraggio statico. È il caso di misure per fenomeni meccanici come inclinazioni, deformazioni, quadri fessurativi, temperatura o umidità. In questo caso viene acquisito un numero limitato di dati, nell’ordine di 1 campione ogni secondo (1 Hz).
• Monitoraggio dinamico. In questo caso il numero di campioni che vengono osservati e salvati è molto più alto rispetto al monitoraggio statico. Si passa infatti da circa 1 campione al secondo (1 Hz) a circa 1.000 campioni al secondo (1.000 Hz). La misura delle accelerazioni è un tipico esempio di monitoraggio dinamico, in cui viene osservata la risposta dinamica strutturale.

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Il monitoraggio dinamico delle strutture

La diagnostica strutturale degli edifici riveste da anni un ruolo determinante per la conoscenza delle strutture civili, dalla caratterizzazione dei materiali con cui sono realizzate alla comprensione del loro comportamento statico.Interventi come miglioramenti e adeguamenti sismici richiedono una conoscenza approfondita di queste strutture, sia dal punto di vista statico che dinamico.Inoltre è sempre più utile e auspicabile utilizzare tecniche diagnostiche che siano poco distruttive, al fine di limitare l’invasività delle prove in situ.Il monitoraggio dinamico degli edifici ha assunto negli ultimi anni un grandissimo interesse nel campo dei controlli non distruttivi (CND) grazie al fatto che questa tecnica risulta del tutto non distruttiva e non invasiva.Un secondo aspetto che ha permesso la diffusione di questa tecnica consiste nel supporto che è in grado di fornire alla progettazione strutturale, al fine di calibrare i modelli numerici a elementi finiti (Finite Element Method – FEM) utilizzati dai progettisti per le analisi sismiche.Il testo esamina i differenti aspetti del monitoraggio dinamico, dalle basi della teoria dei segnali agli algoritmi di identificazione dinamica, mostrando alcune semplici applicazioni e approfondendo le tematiche con casi studio su differenti tipologie strutturali.Il libro tratta inoltre l’effetto delle vibrazioni sugli edifici e sull’uomo.Tali tematiche sono al giorno d’oggi particolarmente sensibili in quanto le sorgenti di vibrazioni possono causare all’edificio danni cosmetici o strutturali, oltre che causare disturbo alle persone.Anche su questa tematica viene fornita una panoramica sulle attuali normative e vengono mostrate alcune applicazioni su casi studio reali.Verrà infine fatto cenno ad ulteriori applicazioni in ambito strutturale che appartengono alla famiglia delle indagini di tipo dinamico: la determinazione del tiro delle catene metalliche mediante la misura delle vibrazioni e le prove dinamiche sulle fondazioni profonde.Alessio PierdiccaIngegnere libero professionista, dottore di ricerca in Ingegneria nell’ambito del monitoraggio dinamico. Opera nel campo della diagnostica strutturale degli edifici ed è specializzato nell’identificazione dinamica e monitoraggio delle strutture. Ingegnere progettista presso CapStudio srl, autore di numerose pubblicazioni scientifiche in riviste nazionali ed internazionali.Fabio MattiaudaIngegnere libero professionista, esperto in diagnostica strutturale. Client Account Manager presso DRC Italia srl.

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Aggiornata con le Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni 2018 (c.d. NTC 2018 contenute nel d.m. 17 gennaio 2018), l’Opera offre al lettore le basi necessarie alla comprensione dei meccanismi propri del controllo e del monitoraggio strutturale, compreso il loro rapporto con le disposizioni normative vigenti.Il testo tratta altresì delle possibili cause dei fenomeni degradanti che possono verificarsi nelle strutture e sui relativi metodi di indagine oggi disponibili, prendendo in esame strutture in cemento armato, muratura, legno e acciaio.Con un’ampia trattazione di carattere tecnico-pratico e l’analisi dettagliata di alcuni esempi applicativi,caratterizzati da diverse peculiarità e gradi di complessità (da edifici per civile abitazione multipiano in c.a. a infrastrutture complesse come l’Allianz Stadium e il grattacielo Intesa Sanpaolo).Fabio Manzone, nato a Racconigi (Cuneo) nel 1973, ingegnere Edile e Dottore di Ricerca in Sistemi Edilizi e Territoriali è docente a contratto del Politecnico di Torino dal 2004 per i corsi di Produzione Edilizia ed Ergotecnica Edile. Dal 1998 svolge la libera professione ed ha ricoperto il ruolo di Direttore Tecnico di un centro di trasformazione carpenteria metallica. Stefano Bellaz, nato a Torino nel 1992, si laurea nel 2016 in ingegneria Edile al Politecnico di Torino con una tesi che affronta il tema dei controlli strutturali di edifici complessi. Svolge la libera professio- ne collaborando a progetti di manutenzione e riqualificazione di importanti impianti sportivi come gli stadi di calcio di Torino, Genova, Napoli e Roma.Volumi collegati:F. Cortesi, L. Ludovisi,V. Mariani, La progettazione strutturale di edifici esistenti, 1° ed. 2018A. Barocci, Norme tecniche per le costruzioni 2018, 1° ed. 2018M. Felitti, L.R. Mecca, Il degrado delle strutture in calcestruzzo armato, 1° ed. 2018

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