monitoraggio strutturale
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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
