monitoraggio strutturale

servizi per l’ingegneria civile e meccanica
indagini a carattere non distruttivo
monitoraggi statici e dinamici
MONITORAGGIO STRUTTURALE
Ing. Giorgio Sforza
Ing. Luca Sbaraglia
•Il monitoraggio strutturale: metodologie e finalità
•Architetture di monitoraggio, tipologie e trasduttori
•Analisi vibrazionali: effetti sulle strutture e disturbi alle persone
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Il monitoraggio strutturale
Il monitoraggio, inteso come serie di misure ad intervalli di tempo
determinati, si differenzia per metodologie e tempi.
Per strutture che presentano evidenti dissesti si prefigge:
la valutazione della progressione del dissesto, della opportunità di un
intervento di consolidamento e delle modalità di come effettuarlo;
il controllo durante un intervento di risanamento-ristrutturazione per
valutare sia l’efficacia dello stesso, sia eventuali effetti collaterali;
la verifica della risposta di una struttura ad un intervento di risanamentoristrutturazione effettuato.
Risulta inoltre particolarmente indicato per valutare il comportamento di
strutture che, pur non presentando alcun problema apparente, si trovano in
zone ad alto rischio sismico oppure risultano soggette ad azioni esterne
gravose, anche se a carattere occasionale (vento su edifici,
sottofondazione o scavi nelle vicinanze, vibrazioni indotte da traffico o
metropolitana, etc.).
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Tipologie di monitoraggio
IN AMBITO CIVILE ED ARCHITETTONICO MONUMENTALE SI PRESENTA SEMPRE
PIU’ SOVENTE LA NECESSITA’ DI MONITORARE STRUTTURE DI VARIA TIPOLOGIA
CHE, PER LORO NATURA, NON DEVONO VARIARE NEL TEMPO LA LORO POSIZIONE
NELLO SPAZIO, LE DIMENSIONI E LA FORMA, OPPURE, IN CONDIZIONI NORMALI,
DEBBONO PRESENTARE VARIAZIONI ENTRO LIMITI PREFISSATI IN BASE ALLE
CARATTERISTICHE DI PROGETTO E ALLA TECNOLOGIA COSTRUTTIVA
Misure inclinometriche in foro
Misure dei cedimenti differenziali
Misure piezometriche
Misure di spostamenti (quadro fessurativo ed aperture giunti)
Misure di rotazione di elementi strutturali
Misure dello stato di deformazione
Misure di forza
Misure di portata delle murature e del terreno
Misure di temperatura ed umidità
Misure di vibrazioni
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Metodologie di monitoraggio
A vista
Manuale con strumento a trasduzione meccanica
Manuale con strumento a trasduzione elettronica
Ad acquisizione automatica con lettura periodica in
loco
Ad acquisizione automatica con lettura periodica a
distanza
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Metodologie di monitoraggio - Esempi
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Metodologie di monitoraggio - esempi
Monitoraggio in continuo dello spostamento relativo di un giunto nelle
tre direzioni a mezzo di un sistema di acquisizione remoto “stand alone”.
Monitoraggio Apertura Lesioni e Temperatura
- periodo 16 mesi 0,2
31
0,18
0,16
0,14
0,12
Media Mobile su 4 per. (pot 3)
29
Media Mobile su 4 per. (pot 1 )
Media Mobile su 4 per. (pot 2)
Media Mobile su 4 per. (°C)
0,1
27
0,08
25
0,04
0,02
0
23
temperatura °C
spostamennto [mm
0,06
-0,02
-0,04
21
-0,06
-0,08
-0,1
19
-0,12
-0,14
-0,16
01-dic-06
30-gen-07
31-mar-07
30-mag-07
29-lug-07
27-set-07
26-nov-07
25-gen-08
17
25-mar-08
tempo (gg)
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Metodologie di monitoraggio - esempi
Sistemi di acquisizione centralizzati multimodulari
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Metodologie di monitoraggio - architettura
Esempio di architettura a moduli multipli a catena, connessi ad una unità
di collazionamento centrale, con possibilità di interrogazione a distanza,
via modem (telemonitoraggio).
s e gna le a na logico
IN
Ingre s s o fino a 256 moduli in re te RS 485
Modulo Conve rtitore
s e ria le da RS 485
a RS 232
12 V DC
Modulo
Alime nta tore
S e gna le digita le “RS 485”
220 V AC - 50/60 Hz
Modulo
Acquis itore 8 ch.
P e rs ona l Compute r
con s oftwa re de dica to
IN
20 mt
0-1 Volt
15 mt
0-1 Volt
s e gna le a na logico
Mode m
Line a te le fonica
P OS TAZIONE
REMOTA
300 mt
250 mt
4-20 mA
10 mt
0-1 Volt
4-20 mA
150 mt
5 mt
0-1 Volt
4-20 mA
4-20 mA
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Metodologie di monitoraggio - esempi
SENSORE
Pot. filo
°C
°C
Minilog 4 canali
Minilog 4 canali
linea RS232
concentratore
linea RS232
PC remoto
modem
linea telefonica
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Misure inclinometriche in foro
La misura con sonda inclinometrica è un mezzo di indagine che
consente di rilevare, nel tempo, nelle strutture fuori terra e nel
sottosuolo, movimenti relativi, con la precisione che può arrivare al
centesimo di millimetro. La misura avviene in fori rivestiti con
particolari tubazioni cementate esternamente.
Cavo elettrico
Cavo sonda testimone
Guida cavo
Visualizzatore
Sonda inclinometrica
Sonda testimone
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Misure inclinometriche in foro
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Misure di cedimenti differenziali
Assestimetri idraulici
Nel caso si voglia realizzare un impianto di monitoraggio fisso, i sensori
assestimetrici di tipo idraulico risultano probabilmente i più adatti.
serbatoio
reference
Sensore
rubinetto
assestimetro
Essi si dividono in due principali tipologie, quelli con misura di pressione e
quelli a vasi comunicanti.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Assestimetri idraulici – Cantiere Ara Pacis
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Misure di cedimenti differenziali
Monitoraggio Topografico
L’operazione con strumento ottico con cui si misura una variazione di quota si
chiama LIVELLAZIONE e viene eseguita oltre che con il tacheometro, anche con
un altro strumento chiamato LIVELLO. Si hanno pertanto livellazioni con visuale
inclinata e livellazioni con visuale orizzontale (livellazione di alta precisione).
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Misure del quadro fessurativo
In un complesso lesionato è di primaria importanza esaminare le lesioni
nelle loro caratteristiche e nei loro successivi sviluppi, con l’intento di
definire l’origine delle cause e quindi predisporre un adeguato piano di
intervento di risanamento o di ristrutturazione.
Il controllo, ad intervalli temporali, del singolo elemento lesionato è
generalmente condotto per mezzo di trasduttori lineari di
spostamento, ad alta sensibilità, a lettura manuale (tensotast,
deformometri), da apporre periodicamente su apposite basette,
oppure disposti permanentemente a cavallo della lesione
(potenziometri, LVDT, biffe estensimetriche) e collegati a periferiche
elettroniche di registrazione .
Applicando in corrispondenza delle lesioni, o comunque dei punti
critici, opportuni trasduttori di spostamento, è possibile registrare
l'andamento nel tempo di aperture/chiusure, scorrimenti di taglio e
scostamenti fuori del piano di giacitura, rotazioni di maschi murari e
di elementi strutturali portanti in c.a. ed i cedimenti degli stessi.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Misure del quadro fessurativo - Progressioni
La progressione, quando presente, può essere ritardata,
accelerata o costante.
La progressione accelerata (grafico A) è caratterizzata
dall’accentuarsi nel tempo delle manifestazioni di
fatiscenza, che inducono il solido interessato dal
quadro fessurativo verso stati di equilibrio sempre più
precari, fino a situazioni che possono essere anche
degenerative.
La progressione ritardata (grafico B) si particolarizza
in manifestazioni che tendono ad attenuarsi e ad
estinguersi per lo stabilirsi di una situazione di
equilibrio definitivo.
Per la progressione costante i dissesti in atto sono in
una sorta di equilibrio indifferente in quanto, a seconda
di eventi disturbatori esterni, possono risolversi in
moti di progressione ritardata o in moti di progressione
accelerata.
Nella realtà i diagrammi possono risultare molto più
complessi per l’alternarsi di fasi differenti.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Deformometro
Il controllo della variazione di ampiezza delle lesioni può essere fatto predisponendo
piastrine di riscontro a cavallo delle stesse e misurando con apposito strumento le
variazioni di distanza reciproca.
Se in corrispondenza ad una determinata
misura le componenti dello spostamento
sono δ1 e δ2 il moto risultante è dato da:
δ = δ 12 + δ 22
inclinato, sull’asse delle x, dell’angolo
β = α 1 + arctg
δ2
δ1
In cui α1 è l’inclinazione della retta congiungente
tra il riscontro singolo e uno dei due dall’altra parte
rispetto alle delle x.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Fessurimetro potenziometrico - Principio
Un potenziometro è composto da un contatto scorrevole e da un avvolgimento. Il segnale d’uscita da
questa periferica si ottiene imponendo una tensione nota alla resistenza totale dell’avvolgimento: esso
sarà proporzionale alla frazione di distanza che il punto di contatto avrà percorso lungo l’avvolgimento.
La risoluzione di un potenziometro è fortemente influenzata dalla costruzione dell’elemento resistente.
Per ottenere valori sufficientemente alti di resistenza in piccoli spazi, si usano resistenze avvolte in
forma di spira. Gli elementi a plastica conduttiva, o i cosiddetti “cermet”, sono convenzionalmente
definiti a risoluzione infinitesima. L’applicazione di un sottile strato di plastica conduttiva in un
convenzionale elemento avvolto consente di ottenere il cosiddetto potenziometro ibrido che combina
le migliori caratteristiche di entrambe le tecnologie, ad un costo ovviamente incrementato.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Fessurimetri potenziometrici - Tipologie
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Potenziometri - Caratteristiche
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Fessurimetri potenziometrici - Installazioni
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
LVDT
L’LVDT è un acronimo di Linear Voltage Differential Transformer (Trasformatore differenziale a tensione
lineare) ed è un trasduttore costituito da un nucleo magnetico (parte mobile solidale al punto che si sta
spostando), libero di muoversi all’interno di una cavità anulare (parte fissa), su cui sono presenti due
avvolgimenti: uno primario ed uno secondario.
Il suo funzionamento si basa sul fatto che il movimento del nucleo centrale causa una mutua induzione
nell’avvolgimento secondario, in virtù del fatto che sul primario viene fatta circolare corrente alternata.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Biffa estensimetrica - Principio
Trattasi di una biffa “elettronica”, strumentata con due estensimetri elettrici a resistenza, da impiegare per
la misura del quadro evolutivo di lesioni su elementi strutturali in muratura ed in calcestruzzo armato. A
seconda della geometria adottata e del materiale impiegato è possibile apprezzare spostamenti dell’ordine
del millesimo di millimetro fino ad un fondo scala di 2,5 mm.
Gli
estensimetri
incollati
in
corrispondenza alla chiave dell’arco
misurano
una
deformazione
essenzialmente dovuta a momento
flettente; quello che interessa ai fini
della misura è l’allontanamento
orizzontale tra i due piedritti. La
relazione, sotto riportata, mostra il
legame tra spostamento (δ ) e carico
applicato
orizzontalmente
per
l’apertura (o la chiusura) tra i due
piedritti (P).
 2
δ =
E ⋅ J
l3
 ( h2 + π ⋅ R ⋅ h + 2 ⋅ R2 )
π ⋅R 
π 2 π 2
⋅  + R ⋅ ( ⋅ l + ⋅ R + 2 ⋅ l ⋅ R) −
+
⋅ P
(
)
⋅
⋅
⋅
+
⋅
E
J
h
R
E
A
3
2
4
2
2
⋅
⋅
π



2
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Biffa estensimetrica – Aspetti tecnologici
Il carbonio, è risultato il materiale più adatto per la sua
intrinseca caratteristica di poter essere conformato su
misura in tessuti o nastri che, impregnati di resina,
assumono consistenza strutturale quando sottoposti a
temperatura e pressione.
Elementi realizzati in carboresina, essendo in pratica
costituiti da plastica rinforzata, non sono soggetti a
fenomeni ossidativi e risultano scarsamente sensibili
alle variazioni termiche (basse deformazioni apparenti)
Per la determinazione della sensibilità sperimentale è stato
appositamente realizzato un dispositivo di calibrazione in
cui si fissa la biffa a due blocchi metallici, liberi di scorrere
su guide verticali, ed azionati, nel loro moto relativo, da una
vite di manovra micrometrica. L’allontanamento (o
avvicinamento) tra i due blocchi, a simulare l’apertura (o la
chiusura) della lesione è misurato da un comparatore
centesimale; la deformazione in chiave dell’arco della biffa è
letta tramite centralina estensimetrica.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Biffa estensimetrica – Effetti termici
Fermo restando che tutti gli effetti termici sull’apparato estensimetrico sono perfettamente compensati,
le deformazioni apparenti che si hanno su una simile struttura iperstatica sono di lieve entità e dovute
soltanto alla presenza delle alette di ancoraggio (effetto ulteriormente enfatizzato dalla presenza dei
tabs di rinforzo in alluminio).
P=−
C D T 10 - A llu n g am e n to ap p ar e n te al var iar e d e lla te m p e r at u r a
30
y = - 7,9289x + 239,39
R 2 = 0,8893
20
Allungamento (micron)
Si riporta di seguito la relazione in
cui si nota la dipendenza della
spinta P alla base del portale ad
arco in funzione di una variazione
termica ∆T: α rappresenta il
coefficiente di dilatazione termica,
in questo caso della carboresina,
inferiore a 10-5/°C. Il segno meno
sta ad indicare che a un aumento
di temperatura corrisponde una
reazione vincolare verso l’interno
del portale.
10
0
27
28
29
30
31
32
33
34
-10
-20
-30
T e m p e r at u r a ( °C )
2 ⋅ R ⋅ α ⋅ ∆T
π ⋅ R 3 (h 2 + π ⋅ R ⋅ h + 2 ⋅ R 2 ) 2 
π ⋅R
1  2 ⋅ h3
2
2
+π ⋅ R⋅h + 4⋅ R ⋅h +
)−
(
+
E⋅J  3
2
2⋅h +π ⋅ R
 2⋅ E ⋅ A
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Biffa estensimetrica – Esempi applicativi
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Misure di rotazione di elementi strutturali
Per la valutazione dell’evoluzione della rotazione di elementi strutturali di diversa natura trovano
efficace impiego gli inclinometri da parete. Installati direttamente su elementi verticali, oppure,
tramite appositi attacchi, sugli orizzontamenti, consentono di determinarne l’evoluzione della
rotazione, ricollegabile a fenomeni di cedimento fondale e/o di schiacciamento strutturale, entrambi di
natura differenziale. A seconda del tipo di trasduttore utilizzato, consentono diversi livelli di
precisione
Per quelli a pendolo ed elettrolitici il principio di funzionamento è pressoché analogo a quello dei
potenziometri, infatti la variazione di inclinazione comporta una variazione negli elementi resistivi del
sensore, riscontrabile in una variazione della tensione in uscita.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Misure di rotazione di elementi strutturali
Diverso è il caso dei servoeccelerometri che si basano sull’impiego di veri e propri acclerometri.
Quest’ultimi sono molto più precisi: nella loro configurazione base (non a bagno d’olio) possono fornire
dati con la precisione di qualche millesimo di grado su campi di misura sufficientemente grandi,
risentendo in modo decisamente marginale degli effetti termici.
Anche con le altre tipologie di inclinometri si possono comunque raggiungere precisioni confrontabili, a
condizione di ridurre il range di misura, compatibilmente con le rotazioni che si stanno misurando
(essendo l’errore complessivo valutato in percento del fondo scale, limitando quest’ultimo si riesce ad
incrementare sensibilmente la precisione).
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Misure di rotazione di elementi strutturali
Tipo Sensore
Servo
Pendolo
Elettrolitico
Fondo scala
±1,±14.5,±30º
±10º
±0.5º, ±1º
±15Vcc
5 – 15 Vcc
8 – 24 Vcc
IN920_IT
ED10/06
Alimentazione
Uscita
± 5000 mV
±173.6 mV
±500 mV ±1000 mV
Consumo
<25mA (mono)
5 mA
50 mA
Linearità
<0.005° ±1
<0.002° altri
0.5%
0.5%
Sensibilità
0.01 %
0.01°
0.1 %
Ripetibilità
<0.002 V
0.03°
0.1 %
0.0005 V/°C
0.02% /°C
0.1 %
-40÷80°C
-20÷70°C
-10÷50°C
Sensibilità in Temp.
Temperatura di funz.
Protezione
Materiale
Dimensioni
Peso
IP 65
IP 65
IP 65
INOX / Poliestere rinforzato
180x111x60 mm
0.875 Kg (completo di staffa di montaggio)
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Misura delle deformazioni – Strain Gages
I sensori che consentono la misura delle deformazioni sono
chiamati estensimetri: possono essere meccanici, acustici ed
elettrici.
Un estensimetro elettrico a resistenza è sostanzialmente costituito dal supporto (elemento di isolamento) e dalla
griglia (elemento resistivo di misura). Il supporto è il materiale sul quale viene incollato il filo estensimetrico.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Strain Gages
– Principio di funzionamento
Il principio di funzionamento degli estensimetri elettrici a resistenza
è fondato sulla dipendenza della resistenza R di un conduttore sottoposto
ad una sollecitazione secondo la relazione a relazione:
L
R= ρ⋅
S
Sotto è riportata la prima relazione fondamentale dell'estensimetria
elettrica valida indipendentemente dalla forma della sezione del conduttore
che costituisce la griglia dell'estensimetro.
1 ∆R
εa = ⋅
F R
Il fattore di taratura viene fornito dal costruttore della serie di estensimetri
che lo ricava incollando un estensimetro campione su una provino di coefficiente
di Poisson noto e producendovi una deformazione e nota.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Strain Gages
– Ponte di Wheatstone
Il ponte di Wheatstone è un particolare circuito elettrico adatto per la misura di piccole variazioni di
resistenze. I collegamenti elettrici in A, B, C e D vengono definiti nodi mentre i lati sono costituiti
dalle resistenze R1, R2, R3 e R4.Il ponte è alimentato tra i nodi C e D. Tra i nodi A e B viene posto
un galvanometro ed in questo caso il ponte viene detto "sensibile a corrente"; nel caso in cui si
impieghi un voltmetro ad elevata impedenza di ingresso il ponte viene detto "sensibile a tensione".
Nell'ipotesi di comportamento lineare del ponte vale il principio
di sovrapposizione degli effetti e si possono dunque sommare i
quattro contributi ed ottenere la relazione generale:
∆e1 ∆e 2 ∆e 3 ∆e 4 ∆e 1  ∆R1 ∆R 2 ∆R 3 ∆R 4 
+
+
+
=
= 
−
+
−

E
E
E
E
E 4  R1
R2
R3
R4 
Utilizzando la prima relazione fondamentale dell’estensimetria
l’espressione di cui sopra si trasforma nella seguente:
∆e F
= ( ε1 − ε 2 + ε 3 − ε 4 )
4
E
Nota come seconda espressione fondamentale dell’ estensimetria
che, nel caso tutt’altro che infrequente nelle applicazioni pratiche, si
utilizzasse un solo estensimetro diventa:
∆e F
= ε1
4
E
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Strain Gages
– Ponte di Wheatstone
Ponte alimentato con la tensione di
1 Volt e perfettamente bilanciato:
tensione nulla tra i nodi A e B.
Ponte alimentato con la tensione di 1 Volt
e sbilanciato a causa della variazione di
resistenza R2: esiste una differenza di
tensione tra i nodi A e B.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Strain Gages
– Correzioni della misura
Tipica curva di correzione in temperatura
per estensimetro autocompensato sia nel
caso di presenza che assenza di capicorda
La lunghezza dei cavi viene tenuta in conto
con apposite formule di correzione
Collegamento a due e a tre fili per una
disposizione a quarto di ponte, per eliminare gli
effetti termici dovuti sulla lunghezza dei cavi.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Strain Gages
– Stati tensionali definiti
Particolari disposizioni circuitali consentono di misurare semplici stati di
sollecitazione, annullando automaticamente tutti gli effetti derivanti da altri
εB =
ε=
∆e
4 ∆e
=2
2 E⋅ F
E⋅ F
4∆e
E⋅ F⋅ 2,6
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Strain Gages
– Configurazioni di misura
Applicazioni statiche in campo con acquisitore monocanale e multiplexer in cascata
Gli estensimetri elettrici a resistenza risultano particolarmente adatti a misure
dinamiche di deformazione, essendo la loro banda passante praticamente infinita.
In questi casi si deve ricorrere agli stessi sistemi di acquisizione usati nella
dinamica ed in grado di effettuare campionamenti simultanei su più canali, a
frequenze elevate.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Strain Gages
– Esempi applicativi
Esempi di applicazioni su calcestruzzo e barre di armatura c.a.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Strain Gages
– Ponte
ANAS Val Nerina
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Strain Gages
– Ponte ANAS Val Nerina
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Strain Gages
– Ponte ANAS Val Nerina
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Strain Gages
– Ponte
ANAS Val Nerina
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Misure di forza
Particolari celle di carico, dalle forme e dimensioni più disparate a seconda dell’applicazione, trovano
applicazione nel monitoraggio dei tiranti e delle catene, delle chiodature e bullonature in galleria,
diaframmi e muri di contenimento, nonché nella determinazione dei carichi applicati all’estremo
vincolato di un elemento trave o sulla testa di un palo, sia durante l’effettuazione di una prova di
carico sia in condizioni di normale esercizio.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Misure di forza
Sotto carico il trasduttore in oggetto subisce una deformazione che viene rilevata dagli estensimetri
i quali, variando il loro valore di resistenza, generano in uscita un segnale elettrico proporzionale al
carico applicato. Le misure si effettuano tramite centraline digitali che alimentano il trasduttore e ne
rilevano il segnale in uscita.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Misure di portata delle murature e del terreno
Nel caso in cui si voglia valutare l’andamento delle tensioni nel piano di giacitura di maschi murari o nel
terreno, man mano che variano le condizioni di carico, possono essere utilizzate celle idrauliche in
pressione inserite orizzontalmente nella struttura.
Trattasi di pattini sottili riempiti con fluido idraulico in pressione e collegati ad un trasduttore
attraverso un tubo flessibile che devono essere inseriti in apposite feritoie orizzontali (nel caso di
murature con corsi di malta regolari l’operazione è agevole, più complessa diventa quando si è in
presenza a pezzame disposto in modo caotico). Effettuato il posizionamento nella sede, una speciale
derivazione consente di applicare un precarico al pattino in modo da porlo ad intimo contatto con la
parte di muratura sottoposta a prova. La variazione di pressione all’interno del pattino, e quindi la
tensione sulla muratura, è monitorata da un trasduttore elettrico di pressione collegato ad un sistema
di acquisizione dati.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA Roma, 12 giugno 2008
Misure di temperatura e umidità
Le misure di temperatura e umidità sono frequentemente effettuate in campo geotecnico e
strutturale per la compensazione di errori che le variazioni di tali grandezze causano alla misura
principale rilevata attraverso i più disparati strumenti.
Quasi sempre un sensore di temperatura è installato in prossimità dello strumento di misura così che
possa essere effettuata una correzione della deriva causata da variazioni termiche. A maggior ragione
quando lo strumento è costituito da aste e fili, oppure siano in esso presenti fluidi idraulici, è
imprescindibile l’abbinamento con un termometro per poter correggere i dati ottenuti e annullare
eventuali effetti di mascheramento. La misura della temperature e dell’umidità è interessante anche
come ricerca di parametri cosiddetti principali laddove si abbia a che fare con processi fortemente
soggetti a tali grandezze.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Panoramica delle applicazioni
CHIESE BAROCCHE
PENNE (CH)
SAN FRANCESCO (CH)
S.MARIA DELLA VITTORIA (RM)
BASILICA GROTTE DI CASTRO (VT)
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Panoramica delle applicazioni
GROMA CENTER SESTO FIORENTINO (FI)
UNIVERSITA’ TOR VERGATA (RM)
Ex ISTITUTO GEOLOGICO (RM)
MACRO - MUSEO ARTE CONTEMPORANEA ROMA (RM)
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
Panoramica delle applicazioni
DIREZIONE NAZ.LE ANTIMAFIA (RM)
BIBLIOTECA HERTZIANA (RM)
COMPLESSO MUSEALE dell’ ARA PACIS (RM)
MIN. DELLA GIUSTIZIA (RM)
S. MARIA DELLA TOMBA SULMONA (AQ)
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO IN CAMPO DINAMICO
La Catena di Misura
•Accelerometri
•Sistema di condizionamento ed alimentazione
•Convertitore A/D
Applicazioni del monitoraggio dinamico
•Effetti Sulle Strutture (UNI 9916)
•Disturbo Alle Persone (UNI 9614)
•Validazione Modelli Numerici
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
accelerometro
Alimentatore
Amplificatore
scheda DAQ
PC
portatile
La catena di misura tipicamente usata nelle attività di
monitoraggio dinamico in campo strutturale è composta da:
• uno o più accelerometri, mono o tri-assiali, di tipo sismico
• sistema multi canale di condizionamento del segnale ed alimentazione dei sensori
• scheda di campionamento ad alta frequenza
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Accelerometri Piezoelettrici
accelerometro
Alimentatore
Amplificatore
scheda DAQ
PC
portatile
Gli accelerometri possono essere sostanzialmente di due tipi: Piezoelettrici oppure Capacitivi
L’accelerometro di tipo Piezoelettrico contiene al suo interno un elemento sensibile che
fornisce una corrente elettrica in funzione della sollecitazione cui è sottoposto. Abitualmente è
impiegato per misurare fenomeni vibratori caratterizzati da:
• elevati valori di accelerazione (qualche centinaia di g),
• alte frequenze (migliaia di Hz)
A queste caratteristiche aggiunge quella di poter raggiungere alte sensibilità (1 Volt/g tipico)
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Accelerometri Piezoelettrici
accelerometro
Alimentatore
Amplificatore
scheda DAQ
PC
portatile
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Accelerometri Piezoelettrici
accelerometro
Alimentatore
Amplificatore
scheda DAQ
PC
portatile
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Accelerometri Piezoelettrici
accelerometro
Alimentatore
Amplificatore
scheda DAQ
PC
portatile
L’accelerometro di tipo Piezoelettrico ha però un grande limite, intrinseco e pertanto non
superabile:
non è in grado di misurare accelerazioni costanti (frequenza nulla)
La generica forza che agisce sull’elemento piezoelettrico genera al suo interno una
migrazione di cariche elettriche nella direzione della forza. Se questa è costante, ben presto
tutte le cariche elettriche troveranno una loro collocazione di equilibrio e cesseranno di
muoversi, dando origine ad una rapida caduta del segnale elettrico.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Accelerometri Capacitivi
accelerometro
Alimentatore
Amplificatore
scheda DAQ
PC
portatile
L’accelerometro di tipo Capacitivo compensa il limite del precedente:
è in grado di misurare accelerazioni costanti (frequenza nulla)
L’elemento sensibile di questo tipo di sensore, molto semplicemente, può essere paragonato
ad un condensatore piano in cui una delle due piastre cariche è libera e l’altra è fissa. Al
variare della distanza tra le due piastre, dovuta per esempio ad una forza esterna, varia il
campo elettrico all’interno del condensatore. Nel caso particolare di una forza costante nel
tempo, il campo elettrico si mantiene costante.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Accelerometri Capacitivi
accelerometro
Alimentatore
Amplificatore
scheda DAQ
PC
portatile
L’accelerometro di tipo Capacitivo, tuttavia, può misurare fenomeni vibratori caratterizzati
da valori massimi di accelerazione e frequenza sensibilmente più bassi di quelli caratteristici
degli accelerometri piezoelettrici:
• limitati valori di accelerazione (qualche decina di g),
• basse frequenze (frequenza di risonanza pari a a qualche centinaio di Hz)
Anche questo sensore può raggiungere alte sensibilità (1 Volt/g tipico)
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Accelerometri Capacitivi
accelerometro
Alimentatore
Amplificatore
scheda DAQ
PC
portatile
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Accelerometri Capacitivi
accelerometro
Alimentatore
Amplificatore
scheda DAQ
PC
portatile
Gli accelerometri piezoelettrici vengono quindi usati quando non
interessa misurare valori costanti di accelerazione bensì fenomeni
vibratori caratterizzati da frequenze poste nel range 1-1000 Hz quali ad
esempio:
•Oscillazioni su elementi portanti (appoggi di solai, catene, strutture
snelle in elevazione, solai) generate dal funzionamento di macchine,
traffico, urti
•Oscillazioni su strutture non portanti ma sensibili dal punto di vista
della sicurezza, quali ad esempio barriere anti rumore, corrimano e
parapetti su macchinari
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Accelerometri Capacitivi
accelerometro
Alimentatore
Amplificatore
scheda DAQ
PC
portatile
Gli accelerometri Capacitivi vengono
invece usati quando siamo in
presenza di oscillazioni a bassa
frequenza (<0,1 Hz) come ad ad
esempio:
•Oscillazioni
di
soggette al vento;
strutture
snelle
•Oscillazioni di grandi strutture
soggette a carichi periodici (ponti
ferroviari);
•In tutti i casi in cui la forzante sial al
di sotto dei 200 Hz ed ambiente non
gravoso dal punto di vista meccanico.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Accelerometri Capacitivi
accelerometro
Alimentatore
Amplificatore
scheda DAQ
PC
portatile
Il sistema di condizionamento ed alimentazione serve ad
alimentare gli accelerometri e filtrare il segnale da loro
fornito, depurandolo di tutti i disturbi posti in una banda di
frequenza maggiore di quella caratteristica del sensore. Se ad
esempio il range utile di un accelerometro capacitivo è 100 Hz,
possono entrare nel segnale contributi di frequenze superiori che
si manifestano come rumore. Il rumore tende a diminuire la
risoluzione dello strumento.
Il sistema di condizionamento deve essere in grado di alimentare
e leggere il segnale dei vari sensori con un intervallo, tra sensore
e sensore, il minore possibile (multi-plexer). Al limite, quando
effettivamente necessario, deve essere di tipo simultaneo.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Sistema di condizionamento e alimentazione
accelerometro
Alimentatore
Amplificatore
scheda DAQ
PC
portatile
Nella maggior parte delle applicazioni in campo civile non è necessario
utilizzare sistemi di acquisizione di tipo simultaneo.
I costi di queste architetture, tipicamente, sono maggiori di 4/5 volte rispetto ai costi di sistemi multi
plexer.
SISTEMA
MULTI-PLEXER
buffer dati
SISTEMA
SIMULTANEO
buffer dati
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Sistema di condizionamento e alimentazione
Se il tempo impiegato dal sistema multiplexer per
interrogare tutti i canali (∆s) è molto minore dell’intervallo
di campionamento ∆c su uno stesso canale, può avere
senso utilizzare un sistema di acquisizione dati di questo
tipo.
accelerometro
Alimentatore
scheda DAQ
Amplificatore
accelerazione
PC
portatile
Consideriamo, ad esempio, un sistema a 40 canali ed una
frequenza di campionamento su ciascun canale pari 200 Hz
(∆c=5 ms).
campione n+1 - ch0
campione n - ch0
g
campione n - ch39
tempo
s
c
Utilizzando un multiplexer di medie prestazioni, dotato di
una frequenza di scansione di circa 300 kHz, possiamo
scansionare i 40 i canali in un tempo ∆s=1/(300⋅103) *
40=0,13 ms, (38 volte inferiore a ∆c). Se obiettivo della
misura è avere una precisione di +/- 0,01 g, e nel tempo
∆s si introduce un errore ∆g pari a +/- 0,005 g, è
ininfluente avere un acquisitore simultaneo e si può
operare con un sistema a multiplexer, senza inficiare la
precisone, e a costi decisamente ridotti.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Convertitore Analogico/Digitale
accelerometri
Alimentatore
Amplificatore
scheda DAQ
PC
portatile
La scheda di acquisizione A/D esegue il campionamento dei segnali provenienti
dall’alimentatore e li converte in un formato digitale adatto ad essere memorizzato da
PC.
E’ importante che la scheda possa convertire il segnale in maniera efficiente, evitando di
perdere informazioni.
Se ad esempio la conversione è a 16 bit vuol dire che la scheda ha a disposizione
216=65.536 punti in cui suddividere l’intero range del segnale elettrico. Disponendo di un
sensore con sensibilità di 1 Volt/g ed un range ±4g, nell’ipotesi di voler sfruttare l’intero
campo di misura del sensore, si ottiene una precisione massima di 8000 mV / 65536 =
0,12 mV, ovvero di 0,00012 g
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Il Monitoraggio Dinamico comprende tutte quelle attività di misura
delle vibrazioni cui sono sottoposti gli edifici, i loro occupanti e le
strutture civili in genere.
Le misure possono essere finalizzate alla determinazione del livello delle
vibrazioni e del loro effetto sulle strutture e/o sulle persone :
•Effetti Sulle Strutture (UNI 9916);
•Disturbo Alle Persone (UNI 9614).
Oppure la misura delle vibrazioni è finalizzata alla validazione di
modelli numerici tramite la determinazione sperimentale dei
parametri modali del manufatto o di parte di esso:
- Validazione Modelli Numerici
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Effetti Sulle Strutture (UNI 9916)
Questa norma prevede l’integrazione degli accelerogrammi rilevati sul campo per
valutare il valore delle velocità provocate sulle strutture dal fenomeno vibratorio
indagato. La norma non fornisce valori ammissibili, bensì intervalli di valori
ritenuti accettabili
Velocità della vibrazione [mm/s]
Misura alla fondazione
Tipi di strutture
Misura al pavimento
dell’ultimo piano
Frequenza [Hz]
<10
10-50
50-100
=
Edifici per scopi commerciali, edifici industriali
20
20-40
40-50
40
Edifici residenziali
5
5-15
15-20
15
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Disturbo Alle Persone (UNI 9614)
In questa norma viene definito il metodo di misura delle vibrazioni di livello
costante, non costante ed impulsive immesse negli edifici ad opera di sorgenti
interne ed esterne. I locali in cui vengono immesse le vibrazioni sono classificati a
seconda della loro destinazione d’uso (aree critiche, abitazioni, uffici e fabbriche).
La giornata è suddivisa in periodo diurno, dalle ore 7.00 alle ore 22.00, ed in un
periodo notturno, dalle ore 22.00 alle ore 7.00. I massimi valori delle accelerazioni
in m/s2 (o i corrispondenti livelli in dB), ponderate in frequenza, sono da
confrontare con i limiti riportati in appositi prospetti.
Le vibrazioni immesse negli edifici da diverse tipologie di sorgenti, sia interne che
esterne, possono costituire una fonte di disturbo per le persone esposte e ridurre
il loro benessere. In tal senso la norma non costituisce una guida per la
valutazione dei possibili danni indotti alle strutture, ma definisce una metodologia
di misura per la definizioni dei livelli di ampiezza che possono arrecare disturbo
agli occupanti e comunque peggiorare la loro qualità di vita
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Disturbo Alle Persone (UNI 9614)
Ad ogni livello misurato a sorgente attiva si sottrae il corrispondente livello previsto dal filtro di ponderazione
ed, utilizzando la formula che segue, si calcola Lw,t
, livello di accelerazione complessiva ponderata in
w,t
frequenza
L / 10
Lw ,t = 10 ⋅ log( ∑ i 10 i ,w )
Si ripete lo stesso procedimento a sorgente inattiva e si calcola, Lw,r
,livello di accelerazione residua
w,r
complessiva ponderata in frequenza
Lw , r = 10 ⋅ log( ∑ i 10
Li , w / 10
)
Al primo valore ottenuto si sottrae il secondo ed il risultato viene confrontato con il prospetto presentato nella
tabella seguente
Asse Z
A (m/s2)
L (dB)
Aree critiche (camere operatorie, laboratori ecc.)
5,0x10-3
74
Abitazione (notte)
7,0x10-3
77
Abitazione (giorno)
10,0x10-3
80
Uffici
20,0x10-3
86
Fabbriche
40,0x10-3
92
Valori (m/s2) e livelli (dB) di accelerazione di soglia ammessi in direzione Z
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Validazione modelli numerici
Viene presentato di seguito un esempio di applicazione pratica. Questo esempio riguarda le
attività di indagine dinamica eseguite su un ponte stradale in località Logonovo nel comune
di Comacchio (FE) finalizzate alla determinazione dei parametri modali della campata
centrale.
Il manufatto è costituito da tre campate isostatiche in cemento armato precompresso
aventi ciascuna luce di circa 18 m. Le campate sono costituite da un’unica trave, realizzata
in stabilimento, avente sezione trasversale rettangolare di dimensioni 730x84 cm e dotata
di nove fori circolari (canne) di 50 cm di diametro, disposti ad intervalli regolari di circa 30
cm. I cavi che garantiscono la precompressione sono costituiti da trefoli, ciascuno con 42
fili di diametro 6 mm.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Validazione modelli numerici
Per la determinazione del comportamento dinamico della campata sottoposta a
prova, sono state individuate 5 posizioni nodali lungo il suo sviluppo longitudinale,
in corrispondenza del centro della carreggiata.
A
5
4
3
2
1
Sono stati utilizzati contemporaneamente sette accelerometri, di cui cinque
solidarizzati ad una posizione nodale, ed altri due, posizionati in corrispondenza
del bordo della carreggiata utilizzati per individuare eventuali moti di torsione
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Validazione modelli numerici
Sensori utilizzati
• n.3 accel. PCB 393A03 (sensibilità 1 V/g; Range ±5 g; Risoluzione 0,00001 g rms);
•n.1 accel. PCB 356B18 (sensibilità 1 V/g; Range ±5 g; Risoluzione 0,00005 g rms);
•n.1 accel. PCB 333 B30 (sensibilità 100 mV/g; Range ±50 g; Risoluzione 0,00015 g rms).
•n.2 accel. capacitivi, modello PCB 3701G3FA3G (sensibilità 1 V/g; Range ±3 g; Risoluzione 0,00003 g rms);
La struttura è stata eccitata mediante carichi impulsivi prodotti dal
transito di un automezzo su dossi artificiali. L’eccitazione impulsiva
è stata impressa in varie posizioni nodali e ciò ha permesso di
mettere la struttura in oscillazione libera.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Validazione modelli numerici
I dati acquisiti sono state elaborati, con opportuni programmi di calcolo, per ottenere le
Funzioni di Risposta in Frequenza da cui ricavare indicazioni sui valori delle frequenze
proprie di vibrazione, sugli smorzamenti strutturali e sulle deformate modali. Le risposte
dinamiche sono efficacemente descritte dalle funzioni di trasferimento che, nel caso in
esame, sono rappresentative della grandezza nota in letteratura come “inertance” o
“accelerance”
[m/Ns2], ovvero il rapporto tra la trasformata di Fourier delle
accelerazioni nei vari punti di misura (risposta) e la trasformata di Fourier delle forza
eccitatrice (stimolo).
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Validazione modelli numerici
Risposta del sistema all’impulso nel nodo 3
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Validazione modelli numerici
Risposta del sistema all’impulso nel nodo 4
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Validazione modelli numerici
(FE
Spostamento del nodo 3
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Validazione modelli numerici
(FE
Spostamento del nodo 4
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Validazione modelli numerici
Il Modello Numerico, è stato sviluppato con il software PRO-Sap (2SI), ed i risultati da esso forniti
sono stati confrontati con quelli ottenuti dall’indagine dinamica. (Frequenze naturali e spostamenti).
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
MONITORAGGIO DINAMICO
Validazione modelli numerici
Indagine dinamica
Modello PRO-Sap
1a Frequenza (Hz)
5,2
4,4
Spostamento Z (mm)
1
3,7
Spostamenti lungo l’asse Z – corrispondenti alla frequenza di 4,4 Hz
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008
servizi per l’ingegneria civile e meccanica
indagini a carattere non distruttivo
monitoraggi statici e dinamici
Si ringraziano tutti i convenuti per la partecipazione
e l’interessamento rivolto alla ESSEBI Srl.
Saremo lieti di fornirVi future consulenze
nel settore diagnostico e di monitoraggio
nelle Vostre attività di progettazione
rivolte al recupero strutturale.
Viale
Viale Giulio
Giulio Agricola,
Agricola, 130
130 –– 00174
00174 Roma
Roma
Tel.
Tel. 06-71.00.152
06-71.00.152 06-710.75.339
06-710.75.339 Fax
Fax 06-64.78.00.53
06-64.78.00.53
www.essebiweb.it
[email protected]
www.essebiweb.it
[email protected]
C.F.
C.F. ee P.
P. Iva
Iva 04322881006
04322881006 -- R.E.A.
R.E.A. di
di Roma
Roma n°756000
n°756000 -- Reg.
Reg. Imprese
Imprese Roma
Roma n°696692
n°696692 -- Cap.
Cap. Soc.
Soc. €€ 10.200,00
10.200,00 i.v.
i.v.
ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA
Roma, 12 giugno 2008