Vibrazioni e danni edifici. Come individuare i parametri e classificare il danneggiamento

Le civili abitazioni, gli edifici, le infrastrutture ed i monumenti sono soggetti a deterioramento e degrado a causa della costante interazione con l’ambiente esterno.

Allo stesso modo con cui il corpo umano con il passare del tempo si indebolisce a causa del naturale invecchiamento, anche i materiali tendono a ridurre le loro performance e richiedono interventi di manutenzione e prevenzione.

Il fenomeno delle vibrazioni meccaniche inserito nel contesto del patrimonio edilizio italiano si traduce in situazioni particolarmente problematiche e sensibili per ragioni legate alla vetustà degli immobili e ad un’impostazione progettuale sviluppata in un’epoca dove tale fenomeno risultava limitato e comunque non considerato con la dovuta attenzione.

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In questo articolo tratto dal volume Il monitoraggio dinamico delle strutture di Alessio Pierdicca e Fabio Mattiauda, edito da Maggioli Editore, analizziamo quali sono i parametri di cui tenere conto e come le tipologie costruttive determinano il modo con cui l’edificio risponde alla sorgente di vibrazione esterna.

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Vibrazioni: l’influenza delle tipologie costruttive e dei materiali

I fenomeni fisici responsabili delle vibrazioni che interessano le costruzioni possono essere di diversa entità e provenienza. È possibile classificare le sorgenti in due distinti gruppi:

• sorgente interna al manufatto: macchinari che operano all’interno delle costruzioni, come motori elettrici, gruppi elettrogeni, trasformatori elettrici, strumenti rotativi, piegatrici e tutti gli impianti tecnologici inseriti negli edifici, specialmente nei contesti produttivi;
• sorgente esterna al manufatto: traffico veicolare, sia stradale che ferroviario, sia superficiale che sotterraneo, eventi sportivi o musicali all’interno di stadi, attività industriali quali scavi, realizzazione di tunnel, perforazioni, battitura ed infissione di pali ed ovviamente quelle di origine ambientale come vento, terremoti e moti ondosi.

Affinché le vibrazioni si trasferiscano dalla sorgente all’edificio è necessario un mezzo, che nel nostro caso risulta essere il terreno.

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Le onde che verranno trasmesse saranno onde di compressione P, onde di taglio S ed onde di superficie R (Rayleigh). Queste ultime sono quelle che possono indurre danni maggiori grazie alla loro capacità di dissipare meno energia durante il tragitto.

Il legame tra intensità di una vibrazione e danneggiamento di un edificio dipende non solo dalle caratteristiche della sorgente di vibrazione, ma anche dalle caratteristiche dell’edificio e del mezzo in cui esse si propagano.

In particolare i parametri che devono essere tenuti in considerazione sono:

• caratteristiche costruttive dell’edificio;
• caratteristiche meccaniche dei materiali che compongono l’edificio;
• stato di conservazione;
• tipologia delle fondazioni;
• caratteristiche meccaniche del terreno;
• presenza pregressa di danni o situazioni critiche sotto il profilo strutturale.

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La tipologia costruttiva, i materiali che compongono l’edificio, le masse in gioco e le caratteristiche inerziali e di rigidezza determinano il modo con cui l’edificio stesso risponde alla sorgente di vibrazione esterna. In base alla tipologia costruttiva le norme classificano in maniera semplificata gli edifici in tre categorie:

• costruzioni industriali e costruzioni strutturalmente simili;
• costruzioni residenziali e costruzioni strutturalmente simili;
• costruzioni che, per la loro sensibilità particolare alle vibrazioni, non rientrano nella classificazione delle prime due categorie o sono di grande valore intrinseco (per esempio edifici monumentali soggetti a tutela).

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Rilievi e indagini per individuare i parametri

È in ogni caso opportuno, ove possibile, effettuare una caratterizzazione più dettagliata dell’edificio mediante rilievi e indagini dinamiche al fine di individuare i parametri dinamici in gioco (frequenze proprie, forme modali, smorzamenti associati).

Lo stato di conservazione dell’edificio può essere di notevole influenza sull’entità del danno che le vibrazioni possono provocare. Il degrado si manifesta con la presenza di lesioni, distacchi di intonaco, in genere dovuti a cause diverse dalle vibrazioni. È dunque sempre auspicabile una verifica diretta del quadro fessurativo e deformativo esistente, per identificare eventuali fenomeni di degrado in atto e le loro cause.

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Le caratteristiche del terreno e la tipologia delle fondazioni possono influire in modo importante sull’ampiezza della risposta. La sorgente di vibrazione esterna all’edificio genera onde elastiche che si propagano nel mezzo e raggiungono le fondazioni, trasferendosi infine nelle componenti strutturali dell’edificio.

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Le onde quindi si attenuano durante il percorso di propagazione man mano che ci si allontana dalla sorgente per effetto dissipativo del terreno. È quindi importante tenere in considerazione anche le caratteristiche fisiche del terreno, reperibili da indagini geofisiche e geotecniche.

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Anche la dimensione e tipologia di fondazioni giocano un ruolo importante nella propagazione delle vibrazioni. Ad esempio, fondazioni massicce e molto rigide possono avere una funzione di filtro per componenti ad alta frequenza.

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Tenendo in considerazione questi aspetti va quindi valutato, mediante le misurazioni, l’entità del danno a seguito di fenomeni vibratori.

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Geotecnica applicata per progettisti

Nella progettazione strutturale il tema geotecnico è fondamentale ed è quindi necessario saper modellare il terreno e condurre le verifiche di sicurezza.A tale proposito, la letteratura che tratta questo argomento appare spesso molto dispersiva.Il progettista deve necessariamente confrontarsi con il terreno, ad esempio, ma non solo, per la realizzazione di opere di fondazione, per il calcolo delle spinte sulle opere di sostegno e per lo studio dei pendii.L’opera offre al lettore un testo organico e comprensibile, anche a chi non ha una approfondita conoscenza della geologia, con gli strumenti per definire le procedure per le applicazioni pratiche che riguardano i rapporti tra strutture e terreno.Nel testo sono trattate anche la dinamica dei terreni e la risposta sismica locale, in modo da introdurre la tematica relativa alla progettazione in zone sismiche con riferimento all’importanza che assume il terreno nella propagazione delle onde sismiche.Al testo sono stati associati dei fogli Excel che risultano utilissimi nella pratica progettuale e che compendiano i numerosi esempi di calcolo illustrati passo per passo.Santino FerrettiIngegnere, svolge la libera professione nel settore delle costruzioni, occupandosi di progettazione geotecnica e di strutture antisismiche, nonché di adeguamento sismico delle strutture. Ha approfondito particolarmente la dinamica strutturale e la modellazione dei materiali sia in campo lineare che non lineare.

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Come classificare il danno da vibrazioni

La classificazione dei danni a seguito di eventi oscillatori non legati a fenomeni sismici può essere la seguente:

• danni lievi o di soglia, includono solo elementi architettonici e non strutturali;
• danni minori, presentano fessure di entità maggiore come distacco di intonaco, fessure su giunti e laterizi;
• danni maggiori, lesioni su elementi con funzioni strutturali come travi o pilastri, fessurazioni su elementi accessori e pareti, evidenti lesioni, tali lesioni possono compromettere la fruibilità dell’edificio.

La norma UNI 9916:2004 in ogni caso si limita agli effetti delle vibrazioni che possono comportare l’insorgere di “danno lieve o di soglia”, rimandando ad ulteriori valutazioni ed approfondimenti specifici nei casi di insorgenza di “danno maggiore”.

Per saperne di più sulla metodologia per la valutazione dell’entità delle vibrazioni, continua a leggere dal volume Il monitoraggio dinamico delle strutture. Il testo, oltre a trattare l’effetto delle vibrazioni sugli edifici e sull’uomo, 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.

Consigliamo

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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Foto: iStock.com/Chalabala