Lezione sulle vibrazioni da traffico sugli edifici

Le vibrazioni da traffico e i possibili danni indotti
agli edifici storico - monumentali
Corso di Acustica_8 Maggio 2008_ Elisa Nannipieri
Introduzione al Problema
• Eventi d’origine naturale
Deterioramento manufatti storici
• Eventi d’origine antropica
• Inquinamento atmosferico.
Traffico veicolare
• Inquinamento acustico.
• Vibrazioni
Il problema delle vibrazioni
•
Gli edifici d’interesse storico - monumentale non
protetti dalle vibrazioni indotte dal traffico
traffico..
sono
•
Le vibrazioni contribuiscono, nel corso degli anni, al
continuo, progressivo ed accelerato deterioramento dei
manufatti..
manufatti
•
Le sollecitazioni del traffico diventano pericolose su
strutture già danneggiate
danneggiate.. Lo stress da vibrazione è una
concausa, che affianca altri tipi di stress
stress..
Metodologia d’analisi
Conoscenza del fenomeno delle vibrazioni indotte dal
traffico.
Analisi dello stato di conservazione del manufatto.
Analisi del traffico.
Analisi del sistema terreno – strada.
Raccolta dati e analisi dei risultati.
Valutazione del comportamento della struttura
relazione a prefissati criteri di accettabilità.
in
Conoscenza del fenomeno
Origine
Contatto ruota - strada
Manufatto architettonico
• Velocità di transito
• Vibrazione su struttura solida
• Irregolarità manto
• Energia sonora
• Massa veicoli
Propagazione
Vibrazioni
Terreno
• Onde superficiali (Raylegh, Love)
• Onde interne (longitudinali, trasversali)
Ricezione
Origine delle vibrazioni
Contatto ruota – manto stradale
Martellamento dei pneumatici sulla strada
Carico dinamico
(Irregolarità del manto stradale, Massa e
Velocità del veicolo).
Frequenza carico dinamico = Frequenza fondamentale strada
Vibrazioni
Propagazione delle vibrazioni
Il veicolo – sorgente immette energia meccanica nel suolo questa si
propaga subendo, a causa della disomogeneità del terreno, fenomeni
d’attenuazione, di rifrazione e di riflessione.
Conoscere i diversi modi di propagazione dell’energia per sapere
l’intensità con cui la perturbazione prodotta raggiungerà l’edificio.
Onde
di
Raylegh
Moto
Onde
trasversale
di
Love
longitudinale
Ricezione delle vibrazioni
Il tipo di fondazione e le caratteristiche strutturali dell’edificio
influenzano la formazione di sollecitazioni e deformazioni.
Elemento strutturale
Frequenze di risonanza
Travi
5 – 50 Hz
Solai e tramezzi
10 – 30 Hz
Finestre
10 – 100 Hz
Contro soffitti in gesso
10 – 20 Hz
Eccitazione per via solida
Le fondazioni di un edificio
creano una discontinuità nel
mezzo di propagazione con
una conseguente riflessione
della perturbazione.
Ogni elemento strutturale ha una propria frequenza di risonanza derivante
dalle sue dimensioni fisiche e dalle sue caratteristiche meccaniche.
Modelli matematici
Tokita e Oda
57 65
65
56
60
•σ
è la scabrosità del
manto stradale (mm).
•v
è la velocità di transito
(km/h).
•m
è la massa del veicolo
(ton).
55 60
54
55
(dB)
Livello
accelerazione
Livello
di di
accelerazione
(dB)
Livello
accelerazione
(dB)
La = 20,8 Log σ + 17,2 Log v + 10 Log m + 14,8 (dB ref. 10-6 mm/s2)
53 55
50
52
51 50
45
50
40
49 45
00 0
51 20
2 10
340 15
Massa (ton)
Scabrosità
(mm)
Velocità
(km/h)
4
205
60
Watts
PPV = 0,028 a (ν
(ν/ 48) tp (r/ 6)x [mm/s]
•a
è la profondità dell’irregolarità
del manto stradale (mm).
•ν
è la velocità di transito
(km/h).
•t
è una costante legata al tipo
di terreno.
•p
è un indice legato all’irregolarità.
•r
è la distanza tra l’irregolarità e
l’edificio [m];
•x
è un parametro legato al tipo di
terreno.
0,16
0,15
0,06
PPV (mm/s)
è il massimo valore di picco
della velocità.
0,12
PPV (mm/s)
(mm/s)
PPV
•PPV
0,1
0,04
0,08
0,05
0,04
0,02
0
000
5
10
15
00
20 2
40 -4manufatto
60
80
6
Distanza
irregolarità
(m) (km/h)
Velocità
Irregolarità
(mm)
Strumenti di misura e acquisizione
Accelerometro
Input
Amplificatore
Analizzatore
Output
X
Z
Y
Y
X
Z
Il Quadro Normativo
• Criteri valutazione
disturbo
• Persone (ISO 2631/2,
UNI 9614, UNI 11048)
• Edifici (DIN 4150/3,
ISO 4866, UNI 9916,
SN 640 312°)
Norme tecniche
• Taratura (UNI 5347)
• Strumentazione
• Montaggio meccanico
trasduttori (UNI 5348)
Norme relative al disturbo recato alle
persone
Le vibrazioni possono costituire una fonte di disturbo per i soggetti
esposti e ridurre il loro stato di benessere.
UNI 2631/2
ISO
9614
Asse di riferimento
Hz
Valore
a (m/s2dell’accelerazione
)
L
di(dB)
riferimento
Uffici
5,0 * 10-3 -3
74
1–4
5,0 * 10 m/s2 + 3 dB per ottava
7,0 * 10-3
77
-3
2
4–8
5,0 * 10 m/s
10,0 * 10-3
80
-3
2
8 – 80 20,0 5,0
* 10*-310 m/s + 6 dB per
86ottava
X-Y
Fabbriche
1–2
Aree critiche
Z
Abitazioni (notte)
Abitazioni (giorno)
2 - 80
40,0 * 10-3
3,6 * 10-3 m/s2 92
3,6 * 10-3 m/s2 + 6 dB per ottava
Norme concernenti gli effetti delle
vibrazioni sugli edifici
Le vibrazioni possono minare l’integrità strutturale e architettonica degli
edifici.
DIN
4150/3
ISO 4866
UNI
9916
Categoria
di strutture
Velocità
limitelimite
VTipi
(mm/
Velocità
Vls)(mm/ s)
V5l < 2,5
3 < Vl <
1
Velocità
di vibrazione (mm/ s)*
Danni
Danni
f<10
Frequenze
diverse
Nessuno su tramezzi
Fessure visibili (>0,02mm)
e
intonaci 20
Edifici commerciali,
2,5
< Vl <e 6simili
industriali
10<f<50
50<f<100
20-40
40-50
Molto improbabili
<<30
su5elementi
principali15-20
e secondari
2 5 < V6
e
5-15
< 10 Fessure
Improbabili
Vl residenziali
l Edifici
simili
40
15
30 < Vl Strutture
<V100
Fessure 3larghe 3-8
su
elementi
principali 8 e
Possibili
l > 10
sensibili, di
8-10
secondari
gran valore intrinseco
3
Vl è= il√valore
(V2x + massimo
V2y + V2z)della velocità di picco
Tecniche di mitigazione
Sorgente
Percorso
Ricevente
Veicoli
Struttura stradale
Manufatto edilizio
Sospensioni
specifiche
Manutenzione
Irrigidimento
Irrigidimento
Sospensioni
elastiche
Miglioramento
sottofondo
Trincea
Interventi sui veicoli
La frequenza dominante e l’ampiezza delle vibrazioni trasmesse al
terreno dipendono, prevalentemente, dal tipo di sospensioni del
veicolo e dalle caratteristiche del sito in esame.
Vibrazione
(10 – 12,5 Hz)
Autobus
Sistema di sospensione “air –bag”
Camion
Sistema di sospensione “steel multi – leaf “
Punto misura
Autobus a 50 km/h
Vibrazione
gamma ampia
Camion a 50 km/h
Il livello
di vibrazione trasmesso0,0517
agli edifici dal transito
di veicoli può
Terreno
0,0237
essere ridotto modificando il loro sistema di sospensioni.
Muro di fondazione
0,0190
0,0104
I° piano, pavimento
0,0457
0,0228
L’intervento a protezione di Villa
Farnesina a Roma
Per proteggere Villa Farnesina a Roma dalle vibrazioni indotte dal traffico
è stata creata, nel 1970, una pavimentazione antivibrante.
LaElementi
campagna
elastici
sperimentale
in gomma
condotta
sono stati
dall’Enea,
interposti
allo scopo
tra unadi struttura
verificare il
comportamento
rigida, su cui poggia
della struttura
la pavimentazione,
isolante, verifica
e la
l’efficacia
fondazione
dell’intervento
stradaleanche
a
dopo
25 anni.
contatto
con il terreno.
Interventi sugli edifici
Per verificare l’efficacia di un sistema di rinforzo da applicare ad un
manufatto soggetto a sollecitazioni di tipo dinamico, sono state
condotte delle verifiche sperimentali su un prototipo di edificio così
come costruito e, successivamente, sullo stesso campione rinforzato
con lamine di materiale composito.
Valore di accelerazione registrato sul modello semplice
Valore di accelerazione registrato sul modello con rinforzo
I risultati della sperimentazione mostrano un diminuzione dell’ampiezza del
segnale e una maggiore rigidezza della struttura, con la messa in opera delle
fibre di rinforzo.
Analisi Sito
Velocità di transito
Caratteristiche traffico.
Origine Vibrazioni
Massa veicoli
Irregolarità manto
stradale
Stato di conservazione
del manto stradale.
Propagazione
vibrazioni
Caratteristiche
del terreno
Parametri fisici e geologici.
Ricezione
vibrazioni
Caratteristiche
strutturali edificio
Conoscere l’opera
analizzata.
L’Acquedotto Mediceo
L’Acquedotto nacque nel vasto
programma di opere intraprese
da Cosimo I.
I lavori continuarono sotto
Ferdinando I, con un nuovo
progetto, attribuito al Buontalenti.
Il lavoro finito presentava diversi
problemi; si rese necessaria la
costruzione di contrafforti.
“Opera rimarchevole, ma avanzo d'altri tempi“. Il terreno in origine
paludoso ha causato numerose lesioni a diverse arcate.
L’Arco n°
n°162 di Via di Pratale
Via di Pratale è a
senso unico di marcia
ed ha origine da un
incrocio trafficato.
Le previsioni di piano
prevedono un aumento di
traffico dovuto all’apertura di
una nuova strada.
0
2m
Analisi caratteristiche e tipologia traffico
Mole traffico
Mezzi a due ruote: 200 veicoli/ora
Autoveicoli: 1000 veicoli/h
Mezzi pesanti: 30 veicoli/h
Velocità traffico
Percentuale dei veicoli transitati alle diverse velocità
11 - 15 km/h
9%
3%
16 - 20 km/h
15%
21 - 25 km/h
12%
26 - 30 km/h
31 - 35 km/h
36 - 40 km/h
41 - 45 km/h
17%
24%
20%
Analisi del sistema terreno - strada
Localizzazione zona
interesse.
di
Sezione tipo.
Rapporto zona di
transito – manufatto.
Analisi dello Stato di conservazione
Degradazioni Portanza
Degradazioni Aderenza
Sconfigurazioni
viabile
piano
Caratteristiche fisiche e geologiche del
terreno
L’area interessata è caratterizzata da depositi alluvionali argillosi, da torbe
palustri e da depositi di colmata (Olocene).
La velocità delle onde longitudinali si avvicina ai 2000 m/s.
Analisi Manufatto
522
530
• Rilievo
Storia del
metrico
cantiere e delle
fasi costruttive
438
Analisi
Fase rilevamento
stato di
Indagine storica
conservazione
LEGENDA
• Rilievo
Storia delle
materico
modificazioni
avvenute
Alterazione
Cromatica
Esfoliazione
Crosta
Fratturazione o
Fessurazione
• Storia dei suoi trascorsi
patologici
Distacco
Mancanza
Efflorescenza
Patina biologica
Erosione
Vegetazione
Infestante
192
Legenda 592
materiali
188
0
pietra
Aggiunta
odierna
sbozzata
Legenda
Marmo
Livello terreno
Mattoni
pieni
primi
del '900
Intonaco
Mancanza
odierna
2m
Il controllo delle vibrazioni
• Misurare i valori di vibrazione
• Criterio Assoluto
Confronto dei valori rilevati con i
limiti
fissati
dalle
diverse
normative.
• Criterio Differenziale
Confronto del degrado di due
manufatti
con
le
stesse
caratteristiche strutturali e materiali
posti in luoghi simili.
Analisi dei risultati: criterio assoluto
Soglie limite, normative:
• UNI 9916
P.P.V. 3 mm/s
• DIN 4150/ 3
Vel. istantanea 2,5 mm/s
• Normativa Svizzera
Vel. istantanea 1,5 mm/s
Soglie limite, letteratura:
• Domenichini, Crispino e
D’Apuzzo.
P.P.V. 1 mm/s
Valori ottenuti:
• Valore
massimo
del
livello di vibrazione di
picco:
P.P.V. 1,1 mm/s
• Valore massimo velocità
istantanea:
Vel. istantanea 1,5 mm/s
Analisi dei risultati: criterio differenziale
Arco n°162
0
2m
Legenda
Arco n°162
Zone colpite dalla
disgregazione della malta
Arco n°173
Zone colpite dalla
disgregazione della malta
Arco n°173
Frequenze tipiche
Picco di velocità (mm/s)
0,30
Stazione A
Stazione B
0,25
Stazione C
0,20
Stazione D
Stazione F
0,15
Stazione G
0,10
Stazione H
Stazione I
0,05
Stazione M
0,00
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Frequenza (Hz)
Le frequenze tipiche del massimo valore della velocità di vibrazione,
indotta dal traffico veicolare, sono comprese nell’intervallo di
frequenza di 10 – 20 Hz.
Velocità di vibrazione media
(mm/s)
Numero veicoli/ora – velocità media di
vibrazione
0,05
0,04
0,03
0,02
y = 1E-05x + 0,0062
0,01
0,00
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
N veicoli /ora
Il livello di vibrazione aumenta con l’incremento del
numero di veicoli transitati sotto l’arco; la relazione
individuata è soddisfacente.
Rapporto terreno – struttura
6,00E-05
Velocità media a Terra (m/s)
5,00E-05
y = 1,0356x + 3E-07
4,00E-05
3,00E-05
2,00E-05
1,00E-05
0,00E+00
0,00E+00
1,00E-05
2,00E-05
3,00E-05
4,00E-05
5,00E-05
6,00E-05
Ve locità m e dia sull'Arco (m /s)
Parte dell’energia meccanica, liberata dal contatto ruota – asfalto,
subisce una riflessione una volta raggiunto l’arco.
Confronto valori misurati e valori stimati
0,5
Applicazione
formula di
Watts
0,4
0,3
0,2
Applicazione
formula di
Tokita e Oda
0,1
0,0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Valore PPV misurato (mm/s)
Strada distante alcuni
metri dall’arco
Valore PPV stimato (mm/s)
Valore PPV stimato (mm/s)
Strada passante sotto
l’arco
0,20
Applicazione
formula di
Watts
0,15
0,10
Applicazione
formula
Tokita - Oda
0,05
0,00
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
Valore PPV misurato (mm/s)
La mappatura nell’interpretazione delle
vibrazioni
• Reticolo di misura
• Rappresentazione
livelli di accelerazione