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Vibrazioni e danni edifici. Come individuare i parametri e classificare il danneggiamento

Le vibrazioni meccaniche possono causare danni e problematiche agli edifici esistenti, progettati in un’epoca dove tale fenomeno risultava limitato. Ecco a cosa sono dovute le vibrazioni e quale tipo di danno provocano

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vibrazioni e danni edifici

Le civili abitazioni, gli edifici, le infrastrutture ed i monumenti sono soggetti a deterioramento e degrado a causa della costante interazione con l’ambiente esterno.

Allo stesso modo con cui il corpo umano con il passare del tempo si indebolisce a causa del naturale invecchiamento, anche i materiali tendono a ridurre le loro performance e richiedono interventi di manutenzione e prevenzione.

Il fenomeno delle vibrazioni meccaniche inserito nel contesto del patrimonio edilizio italiano si traduce in situazioni particolarmente problematiche e sensibili per ragioni legate alla vetustà degli immobili e ad un’impostazione progettuale sviluppata in un’epoca dove tale fenomeno risultava limitato e comunque non considerato con la dovuta attenzione.

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In questo articolo tratto dal volume Il monitoraggio dinamico delle strutture di Alessio Pierdicca e Fabio Mattiauda, edito da Maggioli Editore, analizziamo quali sono i parametri di cui tenere conto e come le tipologie costruttive determinano il modo con cui l’edificio risponde alla sorgente di vibrazione esterna.

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Vibrazioni: l’influenza delle tipologie costruttive e dei materiali

I fenomeni fisici responsabili delle vibrazioni che interessano le costruzioni possono essere di diversa entità e provenienza. È possibile classificare le sorgenti in due distinti gruppi:

  • sorgente interna al manufatto: macchinari che operano all’interno delle costruzioni, come motori elettrici, gruppi elettrogeni, trasformatori elettrici, strumenti rotativi, piegatrici e tutti gli impianti tecnologici inseriti negli edifici, specialmente nei contesti produttivi;
  • sorgente esterna al manufatto: traffico veicolare, sia stradale che ferroviario, sia superficiale che sotterraneo, eventi sportivi o musicali all’interno di stadi, attività industriali quali scavi, realizzazione di tunnel, perforazioni, battitura ed infissione di pali ed ovviamente quelle di origine ambientale come vento, terremoti e moti ondosi.

Affinché le vibrazioni si trasferiscano dalla sorgente all’edificio è necessario un mezzo, che nel nostro caso risulta essere il terreno.

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Le onde che verranno trasmesse saranno onde di compressione P, onde di taglio S ed onde di superficie R (Rayleigh). Queste ultime sono quelle che possono indurre danni maggiori grazie alla loro capacità di dissipare meno energia durante il tragitto.

Danni vibrazioni edifici
Fig. 1_ Propagazione delle vibrazioni: modello sorgente-ricevitore ©Il monitoraggio dinamico delle strutture – Maggioli Editore

Il legame tra intensità di una vibrazione e danneggiamento di un edificio dipende non solo dalle caratteristiche della sorgente di vibrazione, ma anche dalle caratteristiche dell’edificio e del mezzo in cui esse si propagano.

In particolare i parametri che devono essere tenuti in considerazione sono:

  • caratteristiche costruttive dell’edificio;
  • caratteristiche meccaniche dei materiali che compongono l’edificio;
  • stato di conservazione;
  • tipologia delle fondazioni;
  • caratteristiche meccaniche del terreno;
  • presenza pregressa di danni o situazioni critiche sotto il profilo strutturale.

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La tipologia costruttiva, i materiali che compongono l’edificio, le masse in gioco e le caratteristiche inerziali e di rigidezza determinano il modo con cui l’edificio stesso risponde alla sorgente di vibrazione esterna. In base alla tipologia costruttiva le norme classificano in maniera semplificata gli edifici in tre categorie:

  • costruzioni industriali e costruzioni strutturalmente simili;
  • costruzioni residenziali e costruzioni strutturalmente simili;
  • costruzioni che, per la loro sensibilità particolare alle vibrazioni, non rientrano nella classificazione delle prime due categorie o sono di grande valore intrinseco (per esempio edifici monumentali soggetti a tutela).

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Rilievi e indagini per individuare i parametri

È in ogni caso opportuno, ove possibile, effettuare una caratterizzazione più dettagliata dell’edificio mediante rilievi e indagini dinamiche al fine di individuare i parametri dinamici in gioco (frequenze proprie, forme modali, smorzamenti associati).

Lo stato di conservazione dell’edificio può essere di notevole influenza sull’entità del danno che le vibrazioni possono provocare. Il degrado si manifesta con la presenza di lesioni, distacchi di intonaco, in genere dovuti a cause diverse dalle vibrazioni. È dunque sempre auspicabile una verifica diretta del quadro fessurativo e deformativo esistente, per identificare eventuali fenomeni di degrado in atto e le loro cause.

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Le caratteristiche del terreno e la tipologia delle fondazioni possono influire in modo importante sull’ampiezza della risposta. La sorgente di vibrazione esterna all’edificio genera onde elastiche che si propagano nel mezzo e raggiungono le fondazioni, trasferendosi infine nelle componenti strutturali dell’edificio.

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Le onde quindi si attenuano durante il percorso di propagazione man mano che ci si allontana dalla sorgente per effetto dissipativo del terreno. È quindi importante tenere in considerazione anche le caratteristiche fisiche del terreno, reperibili da indagini geofisiche e geotecniche.

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Anche la dimensione e tipologia di fondazioni giocano un ruolo importante nella propagazione delle vibrazioni. Ad esempio, fondazioni massicce e molto rigide possono avere una funzione di filtro per componenti ad alta frequenza.

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Tenendo in considerazione questi aspetti va quindi valutato, mediante le misurazioni, l’entità del danno a seguito di fenomeni vibratori.

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Come classificare il danno da vibrazioni

La classificazione dei danni a seguito di eventi oscillatori non legati a fenomeni sismici può essere la seguente:

  • danni lievi o di soglia, includono solo elementi architettonici e non strutturali;
  • danni minori, presentano fessure di entità maggiore come distacco di intonaco, fessure su giunti e laterizi;
  • danni maggiori, lesioni su elementi con funzioni strutturali come travi o pilastri, fessurazioni su elementi accessori e pareti, evidenti lesioni, tali lesioni possono compromettere la fruibilità dell’edificio.

La norma UNI 9916:2004 in ogni caso si limita agli effetti delle vibrazioni che possono comportare l’insorgere di “danno lieve o di soglia”, rimandando ad ulteriori valutazioni ed approfondimenti specifici nei casi di insorgenza di “danno maggiore”.

Per saperne di più sulla metodologia per la valutazione dell’entità delle vibrazioni, continua a leggere dal volume Il monitoraggio dinamico delle strutture. Il testo, oltre a trattare l’effetto delle vibrazioni sugli edifici e sull’uomo, esamina i differenti aspetti del monitoraggio dinamico, dalle basi della teoria dei segnali agli algoritmi di identificazione dinamica, mostrando alcune semplici applicazioni e approfondendo le tematiche con casi studio su differenti tipologie strutturali.

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Foto: iStock.com/Chalabala


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