Il monitoraggio dinamico in continua: la valutazione delle vibrazioni in un edificio industriale

Il monitoraggio dinamico per la quantificazione di vibrazioni percepite all’interno di una costruzione industriale. 

Ogni struttura è caratterizzata da una serie di frequenze proprie, ognuna delle quali dotata del relativo smorzamento e della propria deformata modale. Quando una sorgente di natura dinamica, come ad esempio il sisma, agisce su di una struttura, fornisce alla stessa un certo quantitativo di energia che, rispondendo a tale input, inizia ad oscillare con una deformata più o meno complessa.

Le vibrazioni sugli edifici possono essere causa, oltre che di disturbo per le persone, anche di riduzione dell’efficienza operativa degli stessi, fino a raggiungere condizioni di pericolo per la loro integrità architettonica e soprattutto strutturale; possono, inoltre, essere causa di malfunzionamento di impianti e di apparecchiature presenti al loro interno.

Il comportamento dinamico delle strutture, o di componenti strutturali, ha un’importanza rilevante come elemento d’ausilio alla progettazione e come efficace strumento di verifica. 

A tal riguardo Indagini Strutturali srl effettua studi dinamici mediante l’acquisizione (acquisitore a 16 canali) di grandezze vibratorie (tramite accelerometri o velocimetri) artificiali [sollecitando le strutture con forzanti (martelli strumentati, vibrodine, etc)] – INDAGINI EMA (Experimental Modal Analysis) - o naturali – INDAGINI OMA (Operational Modal Analysis). In quest’ultimo caso, la struttura viene esaminata in condizioni operative, sollecitata unicamente da quelle sorgenti che si presentano nel normale esercizio, come ad esempio agenti atmosferici, traffico veicolare, macchinari o altro. 

L’analisi modale della struttura consente di ricavare informazioni in merito a frequenze proprie, smorzamenti e deformate modali, che sono i parametri che definiscono in maniera esauriente il comportamento dinamico. 

Quest’esposizione ha l’obiettivo d’illustrare l’analisi dinamica effettuata da Indagini Strutturali srl per valutare il disturbo indotto da vibrazioni percepite all’interno di un edificio in acciaio appartenente, secondo la classificazione riportata nelle Norme UNI 9916:2004 (§3.1), alla Classe 1 (costruzioni industriali).

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Lo studio delle vibrazioni nel caso di edificio industriale in acciaio

Il caso studio ha riguardato, come accennato in premessa, lo studio delle vibrazioni definite, secondo la classificazione delle norme UNI9916:2004, vibrazioni di breve durata in quanto percepite occasionalmente.

Gli obiettivi principali a tal fine sono stati:

  1. Comprendere la fonte di tali vibrazioni
  2. Quantificare le vibrazioni trasmesse e confrontarle con i minimi di Norma.

A seguito di un sopralluogo preliminare, Indagini Strutturali srl , come ipotesi primaria di valutazione, ha imputato ad alcuni macchinari presenti nell’edificio la fonte delle vibrazioni percepite [si è constatato, infatti, che le tubazioni di questi macchinari vengono sorrette da pendini collegati direttamente alle travi in acciaio del solaio di calpestio appartenente al piano interessato dalle vibrazioni].

È stato quindi progettato un piano di monitoraggio che ha previsto quanto di seguito indicato.

La valutazione preliminare 

L’obiettivo della valutazione preliminare è stato quello di andare a caratterizzare dinamicamente:

  • le travi sulle quali erano disposti i pendini che sorreggono le tubazioni dei macchinari
  • la zona di solaio di calpestio del piano interessato dalle vibrazioni
  • alcuni dei macchinari ipotizzati come fonte di vibrazioni

Si è così potuto testare se la forzante impressa dai macchinari alla struttura portante dell’edificio tendesse, o meno, ad amplificare le frequenze proprie delle travi e/o dei solai.

Il monitoraggio in continua delle vibrazioni

A seguito della valutazione preliminare, si è proseguito con l’installazione di un monitoraggio delle vibrazioni in continua al fine di garantire la quantificazione delle effettive vibrazioni trasmesse per poi poterle confrontare con i minimi di Norma (Norme UNI9916:2004 e UNI9614:2017). 

L’attrezzatura utilizzata per l’esecuzione delle indagini è stata la seguente:

  • Accelerometri piezoelettrici: trasduttori d’accelerazione di tipo “piezoelettico”, con elettronica interna di condizionamento, in grado di fornire in uscita un segnale elettrico a bassa impedenza. Sono caratterizzati da valori di sensibilità molto elevati e sono particolarmente adatti a misurare basse frequenze e piccoli valori di accelerazione. Tali caratteristiche li rendono particolarmente adatti per misure in campo civile, dove le sollecitazioni in gioco sono estremamente basse e i range di frequenza limitati. 
  • Acquisitore: L’unità di condizionamento del segnale è costituita da un apparato modulare formato da una centralina di conversione A/D e da un modulo di interfaccia per il collegamento con i sensori di tipo piezoelettrico. L’unità primaria è dotata di convertitore analogico/digitale ottimizzato per le misurazioni in campo dinamico, in grado di ospitare diversi moduli per l’acquisizione di molteplici canali.
  • Attuatore (martello strumentato): consiste in un sensore di forza di tipo piezoelettrico (quarzo) montato sulla testa dello stesso. Esso permette di eccitare le strutture tramite una forza di tipo impulsivo, il cui range di frequenza può essere variato per mezzo di punte intercambiabili aventi differenti rigidezze.
  • Software d’acquisizione: Il software utilizzato per l’acquisizione ed elaborazione dati consente di costruire in maniera rapida ed intuitiva fogli di calcolo che permettono di eseguire analisi in tempo reale e di elaborare dati memorizzati in tempi differiti dall’acquisizione. La post elaborazione permette analisi di tipo matematico, statistico, e svolge le più diffuse operazioni nel dominio delle frequenze (FFT, FRF, funzioni di Correlazione, analisi in banda di ottava, ecc.). Inoltre, è in grado di gestire diversi parametri dell’unità di acquisizione, come la frequenza di campionamento e il filtraggio sui dati in ingresso.  

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