Monitoraggio e controllo di strutture in c.a. di nuova realizzazione: un caso studio con l’utilizzo della fibra ottica

INTRODUZIONE

Oggi il controllo del patrimonio edilizio esistente e la verifica di strutture di nuova realizzazione, mediante la predisposizione di sistemi di monitoraggio, è un argomento di notevole interesse tra gli operatori del settore. Una delle cause di innesco di questo interesse sono state le NTC08, le quali hanno enfatizzato il controllo strutturale mediante monitoraggio, fornendo alcune utili indicazioni per la soluzione di problemi inerenti i temi della verifica del patrimonio edilizio esistente ed il controllo strutturale. In pratica, il nuovo testo normativo ha finalmente ampliato il concetto di verifica, inteso, non solo come azione eseguita a valle e cioè quando l’opera è già sede di un dissesto evidente, ma come un insieme di attività finalizzate ad evitare tali situazioni.

Il monitoraggio sulle strutture esistenti viene correntemente affrontato mediante l’applicazione di architetture di monitoraggio di pelle, acquisendo velocità, accelerazioni o progressioni fessurative, semplicemente ponendo a contatto delle superfici sensori di spostamento. La procedura di controllo è gestita attraverso la individuazione di valori di soglia, che indicano lo stato di conservazione o di danneggiamento di una membratura.

In riferimento invece alle strutture di nuova realizzazione, l’approccio è relativamente più semplice, in quanto, essendo l’opera ancora non realizzata, è possibile ricorrere all’adozione di sistemi residenti di monitoraggio quali i rilevatori a fibra ottica, riuscendo quindi a perseguire diversi obiettivi ossia: il controllo delle fasi costruttive, la identificazione delle sollecitazioni che nascono a seguito di una prova di collaudo e non ultimo, il controllo periodico in esercizio gestito attraverso la disponibilità di un dedicato piano di manutenzione.
Su quest’ultimo argomento e cioè le strutture di nuova realizzazione, è stato incentrato il presente lavoro nel quale, con riferimento alle metodologie sperimentali maggiormente in uso verrà presentato un caso di studio relativo ad un edificio di nuova costruzione.

1. SISTEMI DI MONITORAGGIO RESIDENTI SU STRUTTURE DI NUOVA REALIZZAZIONE

Per opere di nuova realizzazione intendiamo la famiglia costituita da edifici, ponti, capannoni, opere di sostegno, in pratica qualsiasi struttura dove è utile controllare regimi di spostamento, di deformazione e di tensione sia nel corso della realizzazione, del collaudo che in esercizio. L’attività di controllo oggi, è implementata facendo uso di sistemi residenti inglobati nel calcestruzzo armato basati su tecnologia a fibra ottica. Le campagne sperimentali in genere, sono costituite da acquisizioni mirate al controllo di particolari eventi o in continuo per esercitare una azione di verifica di tipo routinaria sia nelle fasi costruttive, che in esercizio.
Il monitoraggio inteso come azione di osservazione e di acquisizione di grandezze, sia fisiche che meccaniche, durante le fasi realizzative o di esercizio, ha origine nel settore industriale. Usuale in questo campo, è il controllo di componenti attraverso l’acquisizione di parametri guida mentre essi vengono prodotti e comunque prima di essere assemblati, così come pure è usuale, rilevare periodicamente grandezze fisiche e meccaniche di parti di aeromobili nel corso di esercizio.
In ambito civile negli ultimi anni, questa metodologia di controllo ha iniziato a diffondersi, occupando via via spazi, sia nelle costruzioni per civile abitazione, che nelle opere geotecniche e in quelle infrastrutturali, quali i ponti. Con il termine monitoraggio strutturale si intendono pertanto operazioni finalizzate alla raccolta di dati, inerenti a parametri della struttura, quali spostamenti e deformazioni, che vengono successivamente interpretati per fornire una visione di insieme sul comportamento dell’opera, sia durante le fasi costruttive, che nel corso della vita utile.
Concretamente, sulle strutture in calcestruzzo armato, siano esse intese come parti resistenti di un ponte o di una opera di sostegno o di un elemento portante di un edificio multipiano, l’azione di monitoraggio può essere effettuata seguendo i regimi di deformazione presenti sulle armature disposte nelle sezioni resistenti. Infatti, la misura di questa grandezza, anche in via indiretta, consentirà di verificare una graduale crescita dell’impegno statico in fase costruttiva, di rilevare una ridistribuzione dei regimi di sforzo quando, per cause non previste e non prevedibili, la struttura monitorata modifica la sua configurazione originaria relativa alla fase di entrata in servizio.
Limitando la discussione al solo caso del controllo statico, possiamo riconoscere in un sistema di monitoraggio prevalentemente: elementi attivi rappresentati dai sensori a fibra ottica, ossia rilevatori di spostamento e quindi di deformazione, elementi passivi, rappresentati dai cavi di collegamento, unità di lettura e un sistema di trasmissioni dati in remoto gestito il più delle volte da un personal computer. I rilevatori di deformazione o di spostamento sono applicati sulle barre d’armatura durante il corso delle fasi costruttive dell’opera, in corrispondenza di sezioni guida, identificate queste ultime sulla struttura, nella fase di ideazione dell’architettura del sistema di controllo e secondo le esigenze di normativa e di committenza. La campagna sperimentale è essenzialmente suddivisa in due grandi fasi, durante le quali i dati acquisiti avranno una valenza molto diversa: la prima fase dedicata alla costruzione, la seconda orientata principalmente al controllo in esercizio.
Nella figura 1, con riferimento ad una membratura monitorata, ed in particolare al regime di deformazione acquisito per una singola barra d’acciaio, sono riportate le fasi prima descritte con l’indicazione di tre gruppi di dati che convenzionalmente costituiscono l’insieme complessivo delle misurazioni.

fig. 1 – Andamento delle deformazioni nel tempo con suddivisione in fasi e gruppi di misure.

In riferimento ai tre gruppi di dati citati in figura, essi altro non sono che misure di spostamento. Spostamenti letti al passare del tempo su una base di misura identificata su una barra d’acciaio e trasformati in deformazione. Ogni gruppo di dati ha delle prerogative e delle finalità ben precise che possono sinteticamente esprimersi come segue:

- Il primo gruppo, è costituito dall’insieme dalle misure rilevate alla data di installazione dei sensori. L’insieme di queste grandezze non ha alcuna prerogativa tecnica per consentire la valutazione di regimi di sforzo o di sollecitazione, è semplicemente una certificazione di funzionamento di quanto installato. In pratica, si tratta di acquisizioni atte a giustificare la consegna di architetture di monitoraggio in numero e con funzionamento, per come da contratto. Solo in casi particolari, in cui lo sperimentatore verifica che, l’operazione di getto, montaggio e indurimento del cls, non disturba il parametro sperimentale, il valore di spostamento letto in fase di montaggio potrà rappresentare misura di riferimento per la valutazione delle deformate future e quindi degli sforzi che verranno a prodursi.
- Il secondo gruppo è invece rappresentato da tutte le misure eseguite sui sensori dal momento in cui il calcestruzzo della membratura oggetto di analisi, è diventato strutturale, ha estinto in parte gli effetti del ritiro e pertanto, è in grado di sopportare regimi di sforzo. Tutte le acquisizioni effettuate per ogni membratura, a partire dal verificarsi di queste condizioni, consentiranno di seguire l’evoluzione della realizzazione della costruzione. Pertanto, in questa fase potranno essere opportunamente valutate le variazioni di sforzo in virtù della realizzazione delle strutture in c.a., del posizionamento dei carichi permanenti fino all’entrata in servizio dell’opera. La finalità osservazionale, insita nella disponibilità dei dati sperimentali del secondo gruppo, appare chiaramente orientata alla verifica della qualità costruttiva, alla possibilità di escludere difetti di montaggio e realizzativi ed in ultimo, a testare l’affidabilità del modellatore strutturale utilizzato per la progettazione strutturale.
- Il terzo e ultimo gruppo di dati sperimentali, è invece costituito da valori di spostamento acquisiti dall’entrata in servizio dell’edificio e pertanto, in presenza di carichi sia di peso proprio, di permanente, che accidentale. In questo caso, la campagna sperimentale è orientata alla creazione di un data base relativo alla valutazione di tutte le perturbazioni indotte, dalle condizioni ambientali, ai regimi di sforzo oramai consolidati e definitivi. In pratica, si tratta di registrare, per un periodo sufficientemente rappresentativo, su tutte le basi di misura, le oscillazioni di spostamento opportunamente correlate con le misure di temperatura interne ed esterne al fabbricato. L’insieme di queste acquisizioni verrà utilizzato per eseguire controlli periodici con metodologia comparativa nel corso della vita utile.

Illustrate sinteticamente le prerogative della disponibilità in opera di una architettura di monitoraggio, nelle sezioni seguenti verrà presentato, con riferimento alle fasi costruttive, un caso guida sul quale è stato attuato un programma di controllo finalizzato alla verifica di assenza di difetti costruttivi, di rispetto delle disposizioni progettuali e di costruzione di una banca dati per la conduzione, di verifiche periodiche, secondo le disposizioni del piano di manutenzione. Per brevità nel prosieguo verranno illustrati i dati sperimentali relativi a quest’ultima azione.

3. UNA ARCHITETTURA DI MONITORAGGIO SU UN EDIFICO MULTIPIANO

Il caso sperimentale in discussione è costituito da un edifico multipiano di nuova realizzazione e di tipo residenziale. Per come già anticipato, l’attività sperimentale condotta sul fabbricato e che verrà presentata nel presente lavoro, è quella relativa alla realizzazione di una consistente banca dati costituita da misure acquisite mediante rilevatori di spostamento collocati all’interno delle membrature portanti in calcestruzzo armato.

La banca dati ha la prerogativa di garantire nel corso della vita utile controlli sull’immobile sia per le usuali condizioni di esercizio sia per condizioni di carico non previste e di grossa portata, quali il sisma o condizioni di carico eccezionali. In pratica, l’insieme delle misure costituisce uno strumento comparativo per eseguire il controllo di affidabilità e di conservazione delle caratteristiche di sicurezza conferite all’origine all’opera, il tutto secondo quanto stabilito dal piano di manutenzione dell’edificio.

L’immobile oggetto di monitoraggio è ubicato a Cosenza ed è stato denominato Skyline. Già dalle fasi di costruzione, l’intervento è stato riconosciuto dagli operatori del settore come una realizzazione di notevole pregio architettonico, collocandosi tra le più interessanti realizzazioni nel sud Italia, sia per la gradevolezza estetica, che per impegno statico, ed anche, come uno dei pochi interventi ingegneristici nel Meridione dove, sono state impiegate tecniche innovative per il controllo delle strutture e dei materiali.

Complessivamente l’edificio è costituito da 23 piani fuori terra più un interrato, raggiungendo una altezza totale dallo spiccato delle fondazioni di circa 80 m. La parte interrata ed il primo livello presentano una estensione planimetrica di notevoli dimensioni sulla quale si erge una torre con destinazione residenziale (fig.2).

fig. 2 a,b – Edificio in cemento armato oggetto di monitoraggio:Skyline

La progettazione strutturale dell’immobile effettuata in riferimento alle normative vigenti all’epoca della realizzazione, ha previsto condizioni di carico relative alle zone sismiche di prima categoria richiedendo accorgimenti tecnici di calcolo e di realizzazione non usuali per gli edifici con geometria classica e per quanto l’altezza non sia estremamente impegnativa, la struttura resistente ricalca i sistemi portanti con nucleo centrale irrigidente.

In fondazione, l’edificio presenta un sistema di trasmissione dei carichi di tipo profondo. Gli scarichi prodotti dalla sovrastruttura sono distribuiti su una palificata, solidarizzata ad un piastra continua con spessore di tre metri. La struttura portante in elevazione è stata realizzata mediante elementi monodimensionali, ossia travi e pilastri in c.a. con alcune pareti a taglio, tutte collegate, mediante impalcati rigidi al nucleo - irrigidente coincidente con il vano scala e con i vani ascensori.

Il sistema di monitoraggio installato sullo Skyline, è stato progettato e realizzato in funzione di precise richieste tecniche, le quali, hanno consentito di perseguire i seguenti obiettivi:

- Verificare le fasi costruttive controllando la oggettiva congruenza con i requisiti di progetto;
- Effettuare un controllo mirato all’entrata in servizio dell’opera in presenza di tutti i carichi verticali sia propri che accidentali;
- Dotare l’immobile di un sistema di controllo per poter eseguire, con metodologia comparativa, verifiche di affidabilità statica nel corso della vita utile.