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Safequake: il sistema di monitoraggio sismico real time di edifici
17/10/2016
Davide Trapani
Abstract
Questo contributo affronta il tema del monitoraggio sismico degli edifici esistenti come strumento innovativo per diminuire i costi associati all’emergenza sismica e per aumentare la sicurezza dei cittadini. Viene inoltre sottolineato come misurare in tempo reale sia la domanda sismica che la risposta dinamica dell’edificio sia di estrema importanza per attribuire le responsabilità per eventuali danneggiamenti strutturali.
Dopo una prima parte in cui viene descritto lo stato dell’arte, gli autori si concentrano sugli aspetti tecnici del sistema di monitoraggio SafeQuake, sviluppato da un’azienda startup dell’Università di Trento in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Civile Ambientale e Meccanica. Vengono riportati i risultati della validazione in laboratorio attraverso prove dinamiche su tavola vibrante. In particolare viene mostrato come il sistema permette di misurare sia le accelerazioni a cui è soggetto l’edificio, sia gli spostamenti di interpiano, che vengono assunti come parametro rappresentativo del danneggiamento strutturale. Nell’ultima parte viene infine mostrata un’applicazione reale relativa al monitoraggio sismico di un edificio scolastico in Provincia di Trento

 
1- Perchè avvalersi del monitoraggio sismico?
A dispetto dei considerevoli sforzi fatti per il miglioramento della conoscenza sugli effetti dei terremoti e sulle tecniche di progettazione antisismica delle costruzioni, questi eventi naturali hanno ancora un grande impatto sulla società, sia dal punto di vista della perdita di vite umane che da quello degli alti costi economici associati ([1], [2], [3]). A tal proposito, l’analisi degli effetti dei recenti terremoti italiani porta alla luce alcune considerazioni:
 
  • oltre ai danni diretti (per esempio i collassi strutturali), l’impatto economico è dovuto in larga parte all’interruzione delle attività produttive provocate dall’attesa della valutazione dei danni subiti [4]. A titolo di esempio, nel terremoto emiliano (2012) il costo dovuto all’interruzione delle attività produttive è stato pari a circa il 55% dei danni totali relativi alle stesse attività [4];
  • anche nel caso di terremoti di lieve entità, il responsabile della sicurezza, o il tecnico incaricato di ispezionare l’opera, è spesso incerto sull’azione da intraprendere, sia a causa della grande responsabilità della decisione che dall’incertezza sulla conoscenza dell’effettivo input sismico e quindi dello stato di danno della struttura;
  • risultano particolarmente importanti, nella determinazione degli effetti del terremoto sul costruito, gli effetti di amplificazione locale; a causa di questi è talvolta difficile giustificare il comportamento di una struttura (o di un insieme di strutture) solo con la magnitudo dell’evento sismico;
  • nasce spesso il problema, anche a livello mediatico, dell’attribuzione della responsabilità del danneggiamento o talvolta del crollo di strutture realizzate o adeguate dopo l’emanazione delle norme tecniche.
 
Allo stato attuale le ispezioni visive sono sostanzialmente l’unico strumento utilizzato per le verifiche post-sismiche. Per sua natura il risultato delle ispezioni è di carattere soggettivo e generalmente non molto affidabile a causa dei pochi strumenti a disposizione e del tempo limitato. Inoltre le ispezioni di tipo visivo non sono in grado, in molti casi, di rilevare i danni, soprattutto se di entità limitata, in zone poco visibili o difficilmente ispezionabili (per esempio in presenza di controsoffitti ecc.).
Nei casi di terremoti di maggiore intensità la procedura utilizzata per le ispezioni, condotte tramite l’utilizzo delle schede AeDES, comporta inoltre che i tempi di risposta dei giudizi di agibilità siano piuttosto elevati. Per esempio.
Nel caso del terremoto in Emilia le ispezioni negli edifici sono state circa 39000 in un tempo superiore a due mesi. Al termine delle ispezioni il 37% delle costruzioni è stato dichiarato immediatamente agibile e il 17% temporaneamente inagibile ma agibile con provvedimenti di pronto intervento [4]).
 
Vale inoltre la pena sottolineare in questo contesto due ulteriori aspetti:
  • non è possibile conoscere con esattezza la sollecitazione sismica su una struttura a causa degli effetti di amplificazione locale. L’accelerazione al suolo in corrispondenza di un edificio è quindi nella quasi totalità dei casi incognita;
  • la progettazione di una nuova costruzione o l’adeguamento di una costruzione esistente non implica che la struttura possa resistere a qualunque sollecitazione sismica. Al contrario, una struttura correttamente progettata dissipa energia attraverso il danneggiamento controllato di alcuni elementi. Di conseguenza, anche strutture nuove possono risultate inagibili dopo un terremoto di particolare intensità. Non è quindi facile attribuire le responsabilità a seguito di un evento sismico.
2 - I sistemi di monitoraggio sismico
Queste motivazioni hanno portato negli ultimi anni ad un crescente interesse verso l’installazione di sistemi di monitoraggio strumentale, dapprima a livello di ricerca ed ultimamente a livello commerciale.
Installare un sistema di monitoraggio strumentale all’interno di un edificio significa installare nella struttura un impianto, costituito da un certo numero di sensori, ovvero dispositivi in grado di misurare quantità fisiche, da una unità di archiviazione ed elaborazione dei dati, e dagli elementi di trasmissione dei dati. L’impianto viene gestito in real time da un software, che permette non solo il funzionamento automatico delle componenti, ma anche l’estrazione delle features di interesse per l’utilizzatore. Vale la pena sottolineare, infatti, che i sensori registrano semplicemente le quantità fisiche, senza attribuire a queste alcun significato di tipo ingegneristico. L’interpretazione dei dati, ovvero la correlazione tra le misure fisiche e le quantità ingegneristiche di interesse (come ad esempio la presenza di un danno) passa attraverso un preliminare studio approfondito della struttura da monitorare e la definizione di algoritmi in grado di correlare le misure dei sensori con lo stato in cui versa la struttura.
Il monitoraggio sismico degli edifici è ad oggi diffuso in particolar modo negli Stati Uniti. In particolare si segnalano due programmi, il CSMIP (California Strong Motion Instrumentation Program) e l’USGS (United States Geological Survay), che hanno installato e gestiscono sistemi di monitoraggio sismico per edifici ed infrastrutture, con l’obbiettivo primario di studiare il comportamento delle strutture colpite dal terremoto ed affinare le tecniche di progettazione.
Anche in Italia si riscontrano esperienze di monitoraggio sismico. In particolare il monitoraggio di alcune costruzioni pubbliche tra cui scuole, ospedali e municipi, è attualmente condotto dall’Osservatorio Sismico delle Strutture (OSS) gestito dal Dipartimento della Protezione Civile [5].
Per la stima del danno strutturale indotto da un evento sismico esistono ad oggi diverse strategie quali (1) il confronto con l’accelerazione al suolo di progetto, (2) la misura della time-history di accelerazione durante il sisma e analisi dinamica non lineare della struttura tramite FEM a posteriori, e (3) confronto delle caratteristiche modali prima, durante e dopo l’evento sismico. Tutte queste strategie presentano alcune limitazioni. Per la strategia (1) è noto come la risposta dinamica di una struttura non dipenda solo dall’intensità del sisma in termini di accelerazione al suolo, bensì anche dalle caratteristiche in frequenza dell’input sismico, informazione che viene persa monitorando solo il valore massimo di accelerazione applicato. La strategia (2), certamente più approfondita, dipende fortemente dal modello strutturale e quindi da questo discende l’incertezza del metodo nel determinare gli effetti del terremoto. Per la strategia (3) infine si sottolinea come le proprietà dinamiche di un edificio vengono modificate in caso di danneggiamento importante, mentre per danneggiamenti limitati le variazioni dei parametri possono essere confuse con quelle indotte dalle variazioni termiche.

La strategia comunemente accettata dalla comunità scientifica come più affidabile per molte tipologie strutturali è (4) il calcolo del drift di interpiano, ovvero lo spostamento relativo tra due piani consecutivi della struttura. La scelta di monitorare il drift è suffragata oltre che dalla letteratura anche da studi ed esperienze condotti dall’USGS, le cui prove sperimentali hanno evidenziato che il drift di interpiano è il principale indicatore parametrico dello stato di danno strutturale in un edificio colpito dal sisma [6]. 

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