Conoscenza delle strutture mediante tecniche di identificazione dinamica: la tecnica OMA e quella con vibrodina

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.

Il monitoraggio dinamico degli edifici ha assunto negli ultimi anni un grandissimo interesse nel campo dei controlli non distruttivi (CND) per diversi motivi, primo fra tutti il fatto che questa tecnica è del tutto non distruttiva e non invasiva. Un secondo fondamentale aspetto che ha permesso una grandissima diffusione di questa tecnica consiste nel supporto alla progettazione strutturale, al fine di calibrare i modelli numerici a elementi finiti (Finite Element Method – FEM) utilizzati dai progettisti per le analisi sismiche.

In questo lavoro vengono presentati due casi studio in cui vengono identificati i parametri dinamici di strutture scolastiche, sia mediante la misura della risposta strutturale alle vibrazioni ambientali (Operational Modal Analysis – OMA) che attraverso l’eccitazione forzata della struttura mediante vibrodina (EMA – Experimental Modal Analysis) con lo scopo di calibrare opportunamente i modelli numerici affinché rappresentino fedelmente la struttura oggetto di calcolo strutturale.

Conoscenza dinamica delle strutture

La serie di terremoti distruttivi che hanno colpito l’Italia nell’ultimo ventennio – dal sisma umbro-marchigiano degli anni ’90 fino al recentissimo sisma del Centro-Italia 2016-2017 – hanno posto l’attenzione sulla vulnerabilità degli edifici esistenti [1], in particolare su quelli ad uso pubblico come le scuole.
Molti di questi manufatti sono stati realizzati nel dopoguerra, privi quindi degli accorgimenti tecnici e tecnologici che risulterebbero essenziali alla luce delle attuali normative sismiche [2, 3].

Il tema di come intervenire per garantire la sicurezza in caso di sisma di queste strutture è quanto mai attuale, ed è ormai parere consolidato che l’intervento deve essere preceduto da una fase preliminare di profonda conoscenza dello stato di fatto e da una corretta modellazione del sistema strutturale in fase di calcolo.

I modelli numerici che usualmente vengono utilizzati per riprodurre il comportamento degli edifici esistenti sono spesso non sufficientemente raffinati e non sempre in grado di cogliere a pieno le reali caratteristiche dinamiche delle strutture indagate. Inoltre le indagini condotte sui materiali costituenti, a volte, non sono sempre sufficienti a fornire una conoscenza affidabile dell’edificio, con il rischio di condurre il progettista a valutazioni erronee o quanto meno distanti dalla realtà.

L’introduzione delle tecniche di identificazione dinamica puntano a risolvere queste incertezze. Tali tecniche forniscono un’affidabile riproduzione del comportamento dinamico della struttura indagata, della sua risposta sotto i carichi di esercizio e dell’effettiva incidenza di difetti costruttivi e deterioramento dei materiali, ai fini di consentire una modellazione del comportamento quanto più vicino a quello dell’edificio reale [4,5].

In questo articolo vengono presentati 2 interessanti casi studio

Il primo lavoro consiste nell’intervento di miglioramento sismico di un edificio scolastico in calcestruzzo armato ed il suo monitoraggio dinamico prima, durante ed a completamento dei lavori, con l’obiettivo di mostrare le potenzialità delle tecniche di identificazione dinamica di tipo OMA (Operational Modal Analysis) nel cogliere le variazioni del comportamento dinamico della struttura durante le modificazioni subite.

Il secondo caso studio mostra invece i risultati preliminari di acquisizioni dinamiche eseguite sia mediante tecniche OMA che mediante forzante esterna artificiale. In quest’ultima applicazione la struttura è stata eccitata mediante un’innovativa vibrodina lineare in grado di controllare la forzante imposta mantenendola costante al variare della frequenza.

Evoluzione del comportamento dinamico di un edificio scolastico in cemento armato soggetto a miglioramento sismico

Descrizione della struttura e intervento di miglioramento sismico

Il primo caso studio presentato illustra il risultato di una campagna di indagini dinamiche condotte nell’arco di un intero anno, eseguite su una struttura scolastica in cemento armato soggetta ad un profondo intervento di riabilitazione strutturale.

La struttura scolastica in oggetto è situata in Ostra Vetere (AN). Lo schema strutturale è semplice e geometricamente regolare: la pianta è costituita da un rettangolo di 41m x 12m, mentre l’altezza della costruzione è pari a 15 m, distribuiti in 3 livelli. L’organismo strutturale, in calcestruzzo armato gettato in opera, è organizzato con telai piani formati da travi e pilastri fondati su travi rovesce. Nella figura 1 è stata evidenziata la posizione del giunto che divide la scuola dall’adiacente palestra, giunto che – come sarà meglio descritto di seguito – gioca un ruolo fondamentale nel comportamento dinamico della struttura.

L’estesa attività di conoscenza dell’edificio, con un dettagliato rilievo geometrico e con una campagna di prove distruttive e non per ricavare informazioni sui materiali e sui dettagli costruttivi [6], hanno consentito di evidenziare numerose vulnerabilità tipiche [7]. Per questo è stato eseguito un profondo intervento di miglioramento sismico, le cui principali caratteristiche sono riepilogate di seguito:

– incamiciatura dei pilastri con calcestruzzo ad alta resistenza (figura 1);

– l’introduzione di nuove armature longitudinali e trasversali;

– il confinamento dei nodi con staffe di contenimento aggiuntive;

– fasciatura delle estremità delle travi con materiali compositi (CFRP), con l’obiettivo di scongiurare l’attivazione di meccanismi fragili.

Fig. 1 − (a) pianta tipo, (b) un pilastro prima dell’intervento di incamiciatura appena sconnesso dalle tamponature (Ottobre 2015) (c) un pilastro dopo l’intervento di incamiciatura (gennaio 2016); (d) fine delle lavorazioni strutturali sull’edificio (aprile 2016)

Per fornire ulteriori strumenti conoscitivi della struttura in esame sono state condotte indagini dinamiche in condizioni operazionali e successivi aggiornamenti dei modelli numerici FEM con lo scopo di ottenere informazioni utili sul comportamento dinamico dell’edificio e ridurre le incertezze di modellazione.

L’identificazione dinamica e la stima dei parametri caratteristici della struttura

Diversi sono i metodi per l’identificazione dinamica delle strutture basata sulla misura delle vibrazioni [8,9]. Tali metodi consentono di ottenere i principali parametri dinamici della struttura (frequenze proprie, smorzamenti e forme modali) fondamentali per calibrare i modelli di calcolo da utilizzare [10,11], oltre che per capire il comportamento dinamico della struttura e il livello della sua vulnerabilità sismica.

Nel presente lavoro sono state eseguite una serie di misure della risposta dinamica dell’edificio alle azioni ambientali (Ambient Vibration Survey – AVS). Tali misurazioni sono state effettuate in 4 differenti fasi di intervento a cui corrispondono diverse configurazioni strutturali:

– AVS n. 1: i sensori sono stati installati prima dell’inizio dei lavori;

– AVS n. 2: tutte le membrature in c.a. sconnesse dalle tamponature, ma prima del consolidamento delle stesse;

– AVS n. 3: tutte le membrature sconnesse dalle tamponature ma già consolidate;

– AVS n. 4: al termine dei lavori.

Tutte le misure sono state effettuate avendo cura di posizionare i sensori (accelerometri ad alta sensibilità) a contatto diretto con gli elementi in c.a., dislocandoli in punti differenti per ogni livello. In particolare i sensori sono stati posizionati agli spigoli estremi dell’edificio al fine di cogliere i modi traslazionali principali e i modi torsionali. Le specifiche tecniche dei sensori sono disponibili nella didascalia della figura 2.

Fig. 2 − Strumentazione usata per le varie AVS: (a) Centralina di acquisizione Digital Recorder DaTa500 DRCsrl, cavi RG58, Condizionatori di Segnale M28 eM32, (b) KS48C e KB12VD sensori piezoelettrici DRCsrl (sensitività 1-10V/g)

Le acquisizioni sono state eseguite ad una frequenza campionamento pari a 1000Hz e protratte per una durata compresa tra i 40 ed i 60 minuti. L’algoritmo di identificazione utilizzato è in grado di effettuare le analisi nel dominio del tempo mediante algoritmo Cov-SSI (Covariance Stocastic Subspace Identification). La stima dei modi è stata eseguita attraverso i diagrammi di stabilizzazione che mostrano l’allineamento dei poli stabili per valori di ordine del modello incrementali. La procedura ha consentito di individuare i principali modi traslazionali e rotazionali così da cogliere gli aspetti fondamentali del comportamento dinamico della struttura (tabella 1), mentre nella figura 3 sono mostrate graficamente le identificazioni condotte nelle 4 fasi della campagna di monitoraggio: già solamente analizzando queste informazioni preliminari appare evidente come nel corso dei lavori il comportamento della strut- tura si sia modificato, manifestando un notevole incremento di rigidezza globale.

Fig. 3 – Processo di identificazione dinamica corrispondente a ciascun Ambient Vibration Surveys (AVS): localizzazione dei sensori e diagrammi di stabilizzazione. (a) AVS1, (b) AVS2, (c) AVS3, (d) AVS4

Tab. 1 – Parametri strutturali identificati durante i monitoraggi dinamici 

Sebbene a livello qualitativo non emergano grosse differenze tra l’acquisizione AVS1 e la AVS2 (i primi tre modi interessano le stesse direzioni nelle due acquisizioni), si può notare un significativo calo di rigidezza globale (circa 20% per il primo modo, 29% per il secondo, 11% per il terzo). Questi valori corrispondono al contributo offerto dalle tamponature in termini di rigidezza globale che spesso in fase di modellazione viene trascurato. L’acquisizione AVS3 vede la comparsa di un nuovo modo traslazionale in direzione Y (il primo, in questo caso) e si rileva un importante incremento di rigidezza (circa del 20% per il secondo modo, del 7% per il terzo e del 6% per il quarto) a causa dell’aumento delle sezioni dei pilastri. Nell’ultima acquisizione (ASV4) vengono identificati gli stessi quattro modi principali ottenuti in AVS3. La riconnessione delle tamponature con la struttura portante in c.a. produce un ulteriore incremento delle frequenze naturali della struttura.

Le simulazioni numeriche e model updating

Per ognuna delle fasi di monitoraggio esposte in precedenza, è stato messo a punto un modello agli elementi finiti in grado di riprodurre con sufficiente precisione i risultati delle acquisizioni svolte [12]. Il primo modo di vibrare risulta, differentemente dalle aspettative, di tipo torsionale. Grazie all’analisi parametrica condotta con il modello FEM è stato possibile attribuire tale fenomeno all’assenza di una chiara separazione strutturale con l’edificio adiacente alla scuola, in corrispondenza del blocco scale. Nella seconda configurazione strutturale (AVS2), le tamponature sono completamente staccate dal telaio portante: è la fase preparatoria all’intervento di incamiciatura. Il modello numerico è stato calibrato sulla scorta delle informazioni ottenute dall’identificazione e vengono confermate le stesse forme modali ottenute nel primo modello numerico in quanto la struttura è ancora affetta dall’inefficacia del giunto strutturale con l’edificio adiacente. L’assenza dei pannelli di tamponatura ha determinato una riduzione della rigidezza strutturale di circa il 20%. Nel terzo monitoraggio (AVS3) le prime due frequenze accoppiate corrispondono in questo caso a due forme modali completamente differenti rispetto ai primi 2 modelli. Il primo modo coinvolge principalmente la direzione Y mentre il secondo corrisponde ad un modo torsionale. Modificando le condizioni di vincolo in corrispondenza del giunto strutturale, le forme modali ottenute dal modello numerico tornano a combaciare con quelle misurate, come mostrato in figura 4. Ciò è in accordo con il fatto che tra l’acquisizione AVS2 e quella AVS3 il giunto ha subito operazioni di pulitura e di rimozione di elementi che, di fatto, connettevano le due strutture. Nella quarta ed ultima configurazione (AVS4) i pilastri hanno subito l’intervento di incremento di sezione e le tamponature sono state ripristinate e quindi si trovano nuovamente in adiacenza al telaio. L’incremento di rigidezza globale determinato rispetto al precedente AVS3 dovuto alla presenza delle tamponature è quantificabile in circa il 10%.

Fig. 4 – Confronto tra i modelli numerici e le forme modali ottenute (AVS1 e AVS4)

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L'articolo fa parte degli ATTI del Congresso Nazionale dell’Associazione MASTER (MATERIALS AND STRUCTURES,TESTING AND RESEARCH) - ANNO 2019