Un’introduzione al monitoraggio sismico

Importanza del monitoraggio sismico

Il monitoraggio sismico in Italia è a tutt’oggi ancora poco diffuso, contrariamente ad altri sistemi di protezione e sicurezza, come ad esempio il sistema antincendio. Nonostante anche gli incendi all’interno degli edifici industriali siano piuttosto rari, nessuno penserebbe di non installare strumenti per la prevenzione incendi; e allora perché non installare un sistema di monitoraggio sismico? Inoltre si è visto purtroppo che i terremoti non sono così rari. Con una cadenza sorprendente ogni 5 anni in Italia si verifica un sisma che provoca danni ingenti (1997 Umbria - Marche, 2003 San Giuliano di Puglia, 2009 Abruzzo, 2012 Emilia). L’atteggiamento della collettività o dello Stato è quello di affidare ai privati gli oneri a seguito di un’emergenza sismica. La direzione, che coincide anche conquella di altri Paesi, è ormai stata tracciata e in futuro ogni privato dovrà presumibilmente assumersi totalmente i costi derivanti dai danni sismici.
Questo scenario apre a numerose implicazioni e obbliga il privato a guardare da un altro punto di vista il terremoto. Un passo importante potrà essere quello di stipulare delle assicurazioni contro questo rischio. E’ auspicabile che le assicurazioni valutino il premio in funzione non solo della zona dove è ubicato l’edificio ma anche di come è costruito e dei sistemi di monitoraggio installati. Il sistema di monitoraggio sismico fornisce infatti dati oggettivi sugli effetti del terremoto sulla struttura che possono essere utilizzati per la valutazione dei danni. Uno dei più grandi vantaggi del monitoraggio sismico da un punto di vista economico , è la possibile immediata ripresa immediata dell’attività produttiva in caso di edificio non danneggiato. Si ricorda come evidenziato precedentemente che i costi dovuti all’interruzione di queste attività nell’ultimo terremoto emiliano sia stato pari a 3.1 miliardi di euro e pari a circa il 55% del totale. Questo è dovuto in parte all’attesa di una valutazione da parte di un tecnico esperto. Il sistema di monitoraggio sismico, attraverso la valutazione della risposta strutturale in tempo reale, fornisce informazioni utilizzabili nel processo decisionale per valutare l’agibilità dell’edificio. Nel caso di terremoto di ridotta i ntensità la valutazione dell’assenza di danni, supportata dal sistema di monitoraggio, consentirà una ripresa immediata dell’attività produttiva. Il sistema inoltre comporta un sensibile miglioramento della sicurezza. In caso la struttura sia stata effetti vamente danneggiata dal terremoto, il sistema fornisce un allarme (analogo a quello antincendio) che vieta la ripresa delle attività. Questo potrebbe portare al salvataggio di vite umane i n quei casi in cui in assenza di sistema di monitoraggio si fossero incautamente riprese le normali attività dopo l’evento sismico.

Stato dell’arte dei sistemi di monitoraggio
Monitoraggio sismico in Italia e nel mondo
Il monitoraggio sismico degli edifici è ad oggi diffuso in particolar modo negli Stati Uniti. In particolare si riportano 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. In particolare il CSMIP [14] ha strumentato finora 200 edifici, 27 dighe e 66 ponti, mentre l’USGS [15] ha strumentato 130 edifici e 77 dighe. Negli Stati Uniti l’interesse verso sistemi di monitoraggio sismici è aumentato soprattutto dopo il terremoto di Northridge, che danneggiò in particolar e edifici a telaio in acciaio a livello dei nodi trave colonna. L’interesse verso il monitoraggio è aumentato soprattutto perché se ci fossero stati edifici dotati di sistemi di monitoraggio, non sarebbe stato necessario rimuovere le finiture (con i notevo li costi associati a questa operazione) per ispezionare le strutture.
Le strutture monitorate dall’USGS sono tipicamente strutture in acciaio o in cemento armato. Sugli edifici vengono installati sensori a certi piani con lo scopo di valutare i parametri correlati al danno, come i drift di piano. Il sito dell’USGS riporta come struttura monitorata di esempio l’UCLA Doris and Louis Factor building, un edificio in acciaio a 17 piani dotato di un sistema di monitoraggio costituito da 72 accelerometri, mostrato nella Figura.

Monitoraggio UCLA Factor Building [8]

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 [13]. La prima installazione di un sistema di monitoraggio sismico da parte dell’OSS risale al 1997, con l’installazione di un sistema all’interno dell’Istituto Tecnico Commerciale di Moliterno (PZ), seguito dal sistema installato nell’edificio in muratura che ospita il Poliambulatorio di Pievepelago nel Modenese. Da allora la rete di strutture si è ampliata fino a raggiungere, oggi, il numero di 124 sistemi di monitoraggio (116 in edifici, 7 su ponti e 1 su diga). Un esempio di edificio monitorato sismicamente è la nuova scuola Jovine a San Giuliano di Puglia.
Il monitoraggio condotto dall’OSS consiste nell’utilizzare accelerometri (da 15 a 32 a seconda della dimensione e della complessità della struttura) posti sia all’interno della struttura che sul terreno alla base. Ciascun accelerometro è collegato a un’unità di acquisizione dotata di convertitore analogico-digitale.
Il sistema di monitoraggio locale è collegato ad un sistema di allerta. Nel caso in cui le accelerazioni registrate dagli strumenti superino il valore di soglia pre- impostato, le misure vengono trasmesse attraverso connessione ADSL ad un server centrale situato nella sede del Dipartimento della Protezione Civile a Roma, dove i dati vengono elaborati al fine di stimare il danno. Il danno viene stimato utilizzando come input il moto del terreno registrato calcolando le massime accelerazioni strutturali e i massimi spostamenti relativi di punti caratteristici della struttura per mezzo di un software denominato RADOSS.

Strategia di monitoraggio sismico
Per la stima del danno strutturale indotto da un evento sismico esistono ad oggi diverse strategie, che si rispecchiano in altrettante tipologie di sistema.
(1) Superamento del valore di accelerazione di picco di progetto: viene confrontato il valore di picco dell’accelerazione misurata alla base della struttura e il valore di accelerazione utilizzato nella progettazione della struttura stessa. In questo caso è su fficiente una terna (o più terne se le dimensioni in pianta della struttura sono notevoli) di accelerometri monoassiali disposti nelle tre direzioni ortogonali a livello delle fondazioni (ATC -54). La metodologia è di per sé piuttosto semplice, l’interpreta zione delle misure ha tuttavia delle forti criticità, soprattutto perché il valore di picco dell’accelerazione è in genere scarsamente correlato con il danno strutturale se avviene a frequenze elevate. La strategia ha inoltre il difetto di non riferirsi al la reale struttura in opera, risultando applicabili a un ambito più progettuale che di monitoraggio effettivo.
(2) Misura della time-history di accelerazione durante il sisma e analisi dinamica non lineare della struttura, utilizzando un software agli elementi finiti e imponendo nel modello la time-history di accelerazione regis trata alla base della struttura. La verifica del danno sismico si effettua confrontando le deformazioni e le sollecitazioni nei diversi elementi strutturali indotte dall’evento sismico c on l a capacità resistente (sia in termini di deformazioni che di sollecitazioni) di progetto. Anche in questo caso è sufficiente una terna di accelerometri monoassiali disposti nelle tre direzioni ortogonali a livello delle fondazioni. La principale criticità del metodo risiede nel fatto che esso è basato sui dati di progetto della struttura: resistenze e rigidezze degli elementi in opera possono discostarsi anche notevolmente dai valori di progetto. In sostanza rispetto alla metodologia indicata dalla norm ativa anziché utilizzare accelerogrammi spettro compatibili o naturali ma relativi ad eventi sismici del passato, si utilizza come input la time history reale del terreno.
(3) Confronto delle caratteristiche modali prima, durante e dopo l’evento sismico: viene determinato il periodo dei primi modi di vibrare della struttura attraverso la registrazione di time history di accelerazioni e l’analisi in frequenza della stessa. Al progredire del danneggiamento, si osserva un incremento del periodo, che corrisponde ad un progressivo degrado della rigidezza e quindi ad un danneggiamento. I principali limiti di questa strategia di monitoraggio sono costituiti dal fatto che il metodo fornisce, peraltro attraverso correlazioni piuttosto complesse tra variazione delle carat teristiche modali della struttura e danno subito , unicamente l’indicazione di un danno strutturale, ma non la sua localizzazione.
(4) Calcolo del drift di interpiano, ottenuto combinando linearmente gli spostamenti assoluti dei diversi piani della struttura. In letteratura sono note correlazioni tra il valore di drift e i danni subiti dalla struttura. La scelta di monitorare il drift è suffragata 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 in un edificio [16]. In questi sistemi è opportuno che gli strumenti di misura siano uniformemente distribuiti all’interno della struttura. Tuttavia alcune semplif icazioni, quali l’ipotesi di piano infinitamente rigido, permettono di ridurre ad una doppia terna (per tenere conto anche degli effetti del sisma in direzione verticale) di accelerometri monoassiali per piano il numero di sensori totale ( [17], [18], [19],[20], [21], [22], [23], [24] ). Questa strategia di monitoraggio ha il vantaggio di fornire informazioni sul danno non solo riguardo la sua esistenza, ma anche sulla sua localizzazione , quando invece nel caso di monitoraggio basato sullo studio delle carat teristiche modali della struttura, la localizzazione del danno risulta particolarmente ardua ed incerta. Il metodo consiste nel valutare se durante l’evento sismico i valori del drift hanno superato prefissati valori di soglia, che caratterizzano diversi livelli di danno [16].
Da quanto sopra scritto risulta quindi evidente che nel caso in cui si sia interessati alla localizzazione del danno e non solo ad evidenziarne la presenza, la strategia più idonea è quella di monitorare gli spostamenti assoluti e relativi di particolari punti della struttura.
Sorge il problema di misurare gli spostamenti assoluti. Nel monitoraggio tradizionale (non sismico), gli spostamenti fra due punti vengono in genere determinati per mezzo di appositi trasduttori (es. i trasduttori di spostamento LVDT) che sono dotati di due parti solidali rispettivamente ai due punti. Questo approccio non è possibile per il monitoraggio sismico in quanto manca la possibilità di avere un punto fisso rispetto al quale riferire la misura.
Le tecnologie che ad oggi consentono la misura assoluta degli spostamenti sono quelle basate sull’utilizzo di GPS o quelle basate sull’utilizzo di accelerometri, in cui gli spostamenti sono calcolati mediante doppia integrazione nel tempo delle accelerazioni,
La tecnologia GPS garantisce un’accuratezza delle misure di spostamento nell’ordine di 1 mm ed è possibile acquisire time history di spostamento con una frequenza di campionamento fino a 20 Hz. Con una frequenza di campionamento così limitata, vengono perse le oscillazioni della struttura a frequenze superiori a 2 Hz ed aumentano notevolmente gli errori di misura. Inoltre, il ricevitore GPS deve essere collocato sul tetto dell’edificio per essere in linea di vista con i satelliti; non è pertanto possibile il monitoraggio diffuso dell’edificio. Per questo motivo l’utilizzo del GPS è valido per strutture caratterizzate da un elevato periodo di oscillazione ed un unico modo di vibrare prevalente. In letteratura sono infatti disponibili esperienze di monitoraggio tramite GPS di edifici di grande altezza [25 ], in cui alcuni ricevitori GPS vengono posizionati alla sommità della struttura.
La tecnologia che utilizza gli acceleromtri prevede l’acquisizione continua di misure di accelerazione, l’applicazione di un filtro passa-basso (ovvero l’eliminazione delle componenti di frequenza superiori ad un certo valore limite, generalmente compreso tra 50 e 100 Hz), e la doppia integrazione digitale dei valori di accelerazione, volti al calcolo delle time history di spostamento.
Questa tecnica è stata già applicata con successo dall’USGS negli Stati Uniti, in particolare in alcuni edifici di grande altezza a San Francisco [26]. Il sistema è costituito da un lato server e da un lato client. Il lato server, all’interno della struttura, acquisisce continuamente le accelerazioni di ciascuno dei piani strumentati tramite accelerometri monoassiali disposti in certe posizioni. Le misure vengono salvate a livello locale quando viene superato un valore di soglia, e trasmesse al lato client tramite internet. Il software client scarica le m isure da internet, e calcola per ogni punto monitorato velocità e spostamenti, sulla base dei quali vengono determinati i valori di drift. Ai vari valori di drift vengono automaticamente associati diversi valori di allarme.
Il sistema di monitoraggio Area Prefabbricati prevede l’utilizzo della tecnologia basata sugli accelerometri , che risulta essere ad oggi l’unica in grado di correlare con adeguata affidabilità l’azione sismica con lo stato di danno effettivo di un edificio.