Vibrazione da camminamento di impalcati prefabbricati di grande luce per edifici civili o per uffici

Il problema del risentimento provocato dalla vibrazione di solai in edifici civili o per uffici indotta da camminamento, tipicamente affrontato per tecnologie strutturali leggere in acciaio o in legno, può diventare critico anche per la progettazione di impalcati in calcestruzzo armato, in particolare se realizzato con elementi prefabbricati snelli e leggeri grazie all’utilizzo della precompressione.

Nel presente lavoro viene analizzato questo problema applicato ad una particolare tecnologia costruttiva con solai di grande luce in elementi prefabbricati precompressi attraverso un caso studio sperimentale e numerico. Per questo, è stata realizzata una serie di prove dinamiche, impiegando tecniche classiche e innovative, su una struttura prototipo con due impalcati realizzata con la tecnologia costruttiva presa in esame.

L’analisi delle storie temporali di vibrazione dei solai permette di caratterizzare le proprietà dinamiche fondamentali della struttura. Tali informazioni sono utilizzate per la validazione di un modello numerico agli elementi finiti. Viene infine svolta una analisi parametrica con lo scopo di inquadrare le situazioni critiche per la percezione delle vibrazioni e i parametri progettuali più influenti per la mitigazione del fenomeno.

L'utilizzo di tegoli snelli e leggeri in solai calpesatbili può portare a problemi

L’innovazione tecnologica nel campo delle costruzioni di solai prefabbricati, grazie all’utilizzo combinato di materiali con speciali caratteristiche meccaniche e della tecnologia della precompressione, ha consentito la realizzazione di tegoli sempre più snelli e leggeri in grado di coprire luci anche superiori ai 40 m nelle coperture industriali (Dal Lago 2017).

L’utilizzo delle medesime tecnologie e metodologie di progetto applicate ai tegoli di impalcati intermedi di edifici residenziali o per uffici possono portare, a parità di spessore di solaio al lordo di finiture e passaggi impiantistici, anche ad un raddoppio della luce massima consentita con metodi costruttivi tradizionali.

L’utilizzo di tegoli particolarmente snelli e leggeri in solai calpestabili può però portare a problemi legati al risentimento degli utilizzatori alle vibrazioni in esercizio.

Questa problematica, tipicamente affrontata per impalcati in acciaio o in legno caratterizzati da un basso valore di massa, è stata considerata in letteratura per strutture in calcestruzzo armato principalmente con riferimento a passerelle pedonali (Shahabpoor et al. 2016), e sono rare le ricerche su impalcati civili (Allen et al. 1979, Pavic et al. 2001,2002, Liu et al. 2017).

Questa memoria riporta i principali risultati di una ricerca sperimentale e numerica rivolta allo studio della problematica delle vibrazioni applicata allo specifico caso di una tecnologia costruttiva, la quale prevede la realizzazione di impalcati attraverso l’affiancamento di elementi prefabbricati precompressi di tipo scatolare posati a secco (Dal Lago & Dal Lago 2018). In particolare, si intende caratterizzare il comportamento vibratorio di questi impalcati e fornire indicazioni progettuali sulle possibili strategie di mitigazione del fenomeno.

La metodologia adottata a tal fine è quella dell’analisi strutturale dinamica lineare attraverso modelli ad elementi finiti. Le strategie di modellazione vengono validate attraverso un confronto tra risultati numerici e sperimentali ottenuti su un prototipo con due impalcati realizzati con la tecnologia oggetto di studio.

I risultati delle analisi vengono poi criticamente confrontati con i limiti suggeriti dai riferimenti normativi più diffusi (UNI 9614:1990, ISO 10137:2007, HI-VOSS). Utilizzando le tecniche di modellazione validate con il confronto sperimentale, si mostrano i risultati di un’analisi parametrica con diverse soluzioni progettuali (rigidezza trasversale, massa, smorzamento) effettuata allo scopo di indagare l’efficacia dei parametri studiati nel mitigare il problema vibrazionale.

Sperimentazione

La tipologia di impalcato oggetto di studio è composta da tegoli con sezione avente nucleo a cassone, bulbi di precompressione esterni collegati ad esso e soletta inferiore piana (Fig. 1) disposti in adiacenza con lastre in calcestruzzo armato alloggiate superiormente in appositi recessi per creare un solaio piano anche superiormente. Un edificio prototipale con due impalcati di questa tipologia è stato sottoposto a prova sperimentale.

L’edificio, mostrato in Fig. 2, rappresenta un tipico modulo di appartamento con 4 tegoli di solaio di luce 11 m disposti su ciascuno dei due impalcati realizzati. I tegoli del piano terra sono appoggiati alle estremità sulle travi di fondazione, mentre i tegoli della copertura sono spinottati ai muri portanti in corrispondenza delle nervature che protrudono dal tegolo e che sono inserite in appositi recessi ottenuti nei muri (Fig. 3).

FIGURA 1: Sezione trasversale del tegolo facente parte del sistema di prefabbricazione oggetto di studio.

FIGURA 2: Vista globale del prototipo strutturale.

FIGURA 3: Tegoli del prototipo strutturale in stoccaggio (i due inferiori dell’impalcato di copertura e i due superiori di quello del piano terra).

Tutti i tegoli sono dotati di connessioni mutue saldate in 6 punti distribuite principalmente verso le estremità per ragioni di rigidezza di diaframma per azioni orizzontali (Dal Lago & Ferrara 2018, Dal Lago et al. 2019). Tale effetto è stato studiato in solai del tutto analoghi nell’ambito di prove sismiche pseudodinamiche su un prototipo di edificio per uffici di 3 piani in scala al vero (Bournas et al. 2013, Dal Lago et al. 2017,2018). Nel solo impalcato del piano terra, inoltre, si è ricreato un traverso centrale con la saldatura di angolari metallici disposti a croce tra tegolo e tegolo per incrementare la collaborazio- ne trasversale degli stessi.

Le prove sperimentali si sono svolte con l’ausilio di 4 accelerometri piezoelettrici e di una centralina mobile di raccolta dati. Gli strumenti sono stati disposti alternativamente in direzione longitudinale e trasversale rispetto ad un tegolo centrale (Fig. 4). Sono state effettuate prove impulsive (colpo di tacco) e prove dinamiche di camminata, sia sul posto che lungo il tegolo, su entrambi gli impalcati e con 2 diversi pedoni, per un totale di 26 prove.

Vengono mostrati nella memoria solamente alcuni risultati significativi. Sono stati inoltre utilizzati in alcune prove degli accelerometri MEMS contenuti in dispositivi telefonici mobili (smartphones) di comune utilizzo al fine sia di verificarne l’affidabilità con il confronto con i dati registrati dagli accelerometri professionali, sia di registrare il segnale in ingresso installando il dispositivo sul pedone durante la prova. Ulteriori informazioni sono contenute in Catena et al. (2019) e Martinelli et al. (2020).

L’analisi dei segnali ottenuti durante le prove ha permesso di identificare le proprietà dinamiche degli impalcati, che sono riportate in Tab. 1 in termini di frequenza e di smorzamento relativo al critico per ciascuno dei primi 4 modi di vibrare di ciascun impalcato.

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La presente memoria è tratta da Italian Concrete Days - Aprile 2021

organizzati da aicap e CTE

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