Vibrazioni degli Edifici - Danno

SONORA SRL
ORDINE DEGLI INGEGNERI
DELLA PROVINCIA DI ROMA
RUMORE E VIBRAZIONI IN AMBIENTI DI LAVORO
VIBRAZIONI DEGLI EDIFICI E DELLE STRUTTURE
CIVILI
ORDINE DEGLI INGEGNERI DELLA
PROVINCIA DI ROMA
Commissione Acustica Ambientale
IN COLLABORAZIONE CON
SONORA SRL
28 MAGGIO 2008
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Vibrazioni degli Edifici e
delle strutture civili
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Vibrazioni degli Edifici - Generalità
Negli ultimi anni le vibrazioni degli edifici hanno assunto sempre una maggiore
importanza sia per le diverse tipologie strutturali sia per il moltiplicarsi delle sorgenti di
vibrazioni (scavi, trasporti ferroviari, aumento del traffico ecc…)
Le vibrazioni possono recare disturbo agli occupanti,
malfunzionamento alle attrezzature utilizzate (si pensi ad un
laboratorio) nonché rischi per l’integrità strutturale
Le onde meccaniche investendo la costruzione producono due effetti:
Classificazione del Danno
•Assestamento del terreno sottostante
le fondazioni
“Cosmetico”:
fessure che interessano l’intonaco (in
di aperture
spigoli ecc..), senza il
•Propagazione dalla fondazioniprossimità
alla struttura
in elevazione
coinvolgimento delle murature o degli elementi strutturali
di intonaco
o dei rivestimenti
genere
Tali effetti in corrispondenza di Distacco
alcune frequenze
(risonanza)
possonoinamplificarsi
notevolmente producendo dei danni…
Danno della statica della struttura
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Vibrazioni degli Edifici - Generalità
In Italia non vi sono dei decreti legislativi che trattano il problema delle vibrazioni così
come per l’esposizione dell’uomo negli ambienti di lavoro
Esistono diverse normative tecniche di riferimento quali
Vibrazioni
Edifici
Danno
UNI 9916
Ponti/Viadotti
Gallerie
ferrotranviare
Disturbo
UNI 9614
UNI 11048
UNI 10985
UNI 9942
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Vibrazioni degli Edifici - Danno
Norme di riferimento Internazionali
Parametri
Normativa
Nazionalità
frequenza
ISO 4866
UNI 9916 (2004)
Valore
limite
x
Italia
AFTES
Durata del
fenomeno
Tipo di
terreno
Stato
Edificio
Tipo
fondaz.
Analisi
segnale
x
x
x
x
x
x
x
x
x
P.CP.V.
x
x
P.P.V.
x
x
P.P.V.
x
x
x
Attività
x
Francia
CIRC AMB MIN 93
x
BS 7385-2 (1193)
G.Bretagna
x
P.P.V.
x
x
x
DIN 4150-3 (1999)
Germania
x
P.CP.V.
x
x
x
SN 640312 (1992)
Svizzera
x
P.P.V.
x
x
x
x
P.CP.V.
x
x
x
P.CP.V.
x
x
USBRM 1984
USA
OSMRE
x
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Vibrazioni degli Edifici - Danno
ISO 4866
Non vengono stabiliti valori limiti di soglia, ma viene delineata una metodologia di prova
e di analisi del segnale.
Riporta una dettagliata classificazione delle diverse tipologie di Edifici (valutando la
struttura, le fondazioni e il terreno) in funzione del “grado di resistenza” o meglio in
funzione del grado di tollerabilità alle vibrazioni della struttura.
Per la tipologia strutturale si individuano due gruppi:
Gruppo 1
Edifici antichi, o di recente costruzione
ma realizzati con tecniche e materiali
tradizionali (muratura portante, tufo
mattoni ecc…)
Sono strutture pesanti, caratterizzate da
elevato smorzamento
Gruppo 2
Strutture intelaiate, con elementi
prefabbricati in cemento armato o
precompresso.
Sono strutture leggere con bassi valori di
smorzamento.
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ISO 4866
Per la tipologia delle fondazioni si individuano invece 3 classi:
Classe A: pali legati in calcestruzzo armato, acciaio
o legno, platee rigide in cemento armato.
Classe B: pali non legati in cemento armato o legno
e fondazioni continue a trave rovescia.
Classe C: muri di sostegno leggeri, fondazioni
massicce in pietra o struttura prive di fondazioni
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ISO 4866
Il terreno invece è classificato in sei categorie…
Tipo a: rocce non fessurate o molto solide e leggermente fessurate,
sabbia cementata
Tipo b: terreni compatti a stratificazione orizzontale
Tipo c: come i precedenti ma poco compatti
Tipo d: piani inclinati con superficie di scorrimento potenziale
Tipo e: terreni granulari, sabbie e ghiaie senza coesione o argille
coesive sature
Tipo f: materiale di riporto
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Vibrazioni degli Edifici - Danno
ISO 4866
Per ogni gruppo vengono individuate
8 classi di edifici.
All’aumentare della classe si riduce
la “resistenza alle vibrazioni”
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Vibrazioni degli Edifici - Danno
ISO 4866
La normativa non definisce
dei limiti di vibrazioni ma
delinea una matrice in cui
vengono riportate le diverse
combinazioni (tipologia
strutturale- tipologia delle
fondazioni e del terreno) in
funzione della tollerabilità alle
vibrazioni.
Gli edifici Cd – Ce – Cf della
classe 8 (edifici storici) sono
quelli che hanno una minore
resistenza alle vibrazioni
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ISO 4866
Esistono diverse formule empiriche per il calcolo delle frequenze proprie degli
edifici a forma regolare,una formula proposta è la seguente:
1° modo di vibrare
46
f =
h
2° modo di vibrare
58
f =
h
3° modo di vibrare (torsionale)
72
f =
h
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Vibrazioni degli Edifici - Danno
ISO 4866 – Strumentazione e punti di misura
La norma individua per diverse
sorgenti il range di frequenza, di
ampiezza nonché la grandezza da
misurare (velocità o accelerazione)
Punti di Misura
In fondazione e sul punto più alto nel
caso di edifici fino a 4 piani. Per Edifici
più alti si consiglia di aggiungere un
punto ogni 4 piani.
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Vibrazioni degli Edifici - Danno
ISO 4866
Il fenomeno vibratorio può essere classificato come:
Transitorio
Continuo
Se la durata del fenomeno è
maggiore di 5t
Se la durata del fenomeno è minore
di 5t
t
è il tempo caratteristico della
struttura definito da:
τ=
h
1
2πη f
è lo smorzamento modale (o in bande di ottave)
f
è la frequenza propria del 1° modo eccitato
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Vibrazioni degli Edifici - Danno
ISO 4866
Per classificare il fenomeno vibratorio quindi è fondamentale valutare lo smorzamento
della struttura…
Esistono diversi metodi per il calcolo dello smorzamento:
Half power Bandwidth
Decremento
logaritmico
Si valuta il logaritmo del rapporto
tra la risposta in due cicli
larghezza
di banda
in informazioni
successivi.
Si hanno
corrispondenza
della riduzione
di 3
sullo smorzamento
complessivo!
dB della risposta rispetto al picco
massimo (potenza dimezzata)
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Vibrazioni degli Edifici - Danno
ISO 4866
Valori tipici dello smorzamento
(damping ratio) per edifici sono
compresi tra 1% e il 2 %
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Vibrazioni degli Edifici - Danno
Le normative nazionali, in particolare la UNI 9916 riprende i concetti
fondamentali della ISO 4866, in aggiunta riporta i valori soglia per le diverse
tipologie di edifici definiti nelle altre normative (DIN 4150, BS 7385)
Valori
Valori
di riferimento
di riferimento
per per
vibrazioni
vibrazioni
noncontinue
continue
Valori di riferimento per la velocità
Valori di riferimento
per la velocità
di vibrazione (pcpv mm/s)
di vibrazione
(pcpv mm/s)
Classe
Classe
Tipo di Edificio
Tipo di Edificio
1Hz10Hz
Vel. Verticale
Piano Alto
Solai
Fondazione
10-50 Hztutte le frequenze
50-100Hz
tutte le
tutte le frequenze
frequenze
Vel. Verticale
Solai
tutte le
frequenze
1
Edifici industriali e
costruzioni simili 1
Varia
linearmente
Edifici industriali
e
20
da
20 a 40
costruzioni simili
varia linearmente
10 da 40 a 50
10
40
20
2
Edifici residenziali e
2
simili
Varia
Edifici residenziali
e linearmente
5
da 5 a 15
simili
5
varia linearmente
10
da 15 a 20
15
20
3
Costruzioni sotto tutela Costruzioni sottoVaria
tutelalinearmente
3
(monumenti ecc..) 3 (monumenti ecc..) da 3 a 8
varia linearmente
2.5 da 8 a 10
8
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Vibrazioni degli Edifici - Danno
I limiti riportati nella normativa non sono assoluti ma INDICATIVI. E’ importante lo stato
dell’edificio nonché la storia (carichi accidentali, ecc..)
L’analisi deve tener conto dell’effettiva condizione dell’edificio e delle strutture. In
questo caso la presenza di vistose fessure nelle strutture portanti (edificio in muratura)
evidenzia uno stato di fatiscenza muraria e quindi la non applicabilità dei limiti suddetti.
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Vibrazioni degli Edifici - Danno
Le vibrazioni in strutture vetuste caratterizzate dalla presenza di processi fessurativi
accelerano il processo di propagazione e facilitano l’istaurarsi di condizioni di stabilità
precaria.
Particolarmente dannosi sono gli effetti delle vibrazioni sulle strutture già deformate (ad
es. muri affetti da deformazione a pressoflessione)
Possibili soluzioni e rimedi sono:
•Utilizzo di materiali ad elevato smorzamento (lana di vetro, pavimeneti galleggianti,
ecc)
•Per le vibrazioni dovute al transito stradale ad esempio può essere utile creare un
piano fondale profondo per renderlo meno accessibile alle onde vibratorie (che si
attenuano con il quadrato della distanza)
•Per smorzare le onde superficiali le murature perimetrali possono essere isolate dalla
piattaforma stradale con un’intercapedine riempita di pietrame a secco.
Per strutture in muratura fatiscenti occorre intervenire con lavori di consolidamento atti
a ristabilire la continuità delle masse murarie (cuci e scuci, catenelle murarie, cuciture
metalliche, coli ed iniezioni)
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Vibrazioni degli Edifici - Disturbo
L’uomo a differenza delle strutture è più sensibile alle vibrazioni ad elevata
frequenza…
La normativa italiana di riferimento è la UNI 9614 integrata dalla UNI 11048
Definisce metodologie di misura e analisi del segnale nonché i livelli di
vibrazioni che arrecano disturbo in funzione della durata e della direzione di
oscillazione.
I locali o gli edifici in cui vengono immesse le vibrazioni sono suddivisi in:
•Aree critiche (ospedali laboratori ecc …)
•Abitazioni
•Uffici
•Fabbriche
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Vibrazioni degli Edifici – Disturbo
Analisi del segnale
Le vibrazioni sono caratterizzate dal valore rms (root mean square)
T
1
a=
⋅ ∫ a (t )2 dt
T 0
o dal corrispondente livello di accelerazione (che si misura in decibel dB) ed è
dato da
L = 20 log
a
a0
a 0 = 10 −6 m
s2
Il segnale acquisito – ai fini della valutazione del disturbo - va filtrato con un filtro
passabanda 1-80Hz. Le componenti con frequenza maggiore di 80 Hz non danno
nessun contributo.
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Vibrazioni degli Edifici – Disturbo
Analisi del segnale
1000.0
In alternativa è possibile effettuare l’analisi
in terzi di ottava (nell’intervallo 1-80 Hz) e
sottrarre i valori dei filtri di ponderazione per
ciascuna banda al corrispondente livello di
accelerazione.
Asse X e Y
Asse Z
100.0
Accelerazione [mm/s2]
Gli effetti delle vibrazioni sul corpo umano
differiscono a seconda della frequenza
quindi il segnale va ponderato con dei filtri
che uniformano l’effetto al variare della
frequenza.
10.0
1.0
1
10
Frequenza [Hz]
100
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Vibrazioni degli Edifici – Disturbo
Analisi del segnale
Time History (acquisizione
continua o con trigger)
Spettro in terzi di ottave
Asse Z
60
Ponderazione dei livelli di
ciascuna banda
Asse Z
50
Accelerazione [dB]
40
30
35
Asse X e Y
20
Asse Z
10
Pos. non nota
30
0
0.99
1.25
1.57
1.98
2.50
3.15
3.97
5.00
6.30
7.94
10.00
12.60
15.87 20.00
25.20
31.75
40.00 50.40
63.50
80.00
bande in terzi di ottava [Hz]
⎛ L / 10 t
Lw,tot = 10 log ∑ ⎜⎜10 w , k ⋅ k
t tot
k ⎝
⎞
⎟⎟
⎠
Attenuazione [dB]
Si calcola la media pesata in
funzione della durata di ciascun
evento
25
20
15
10
E se sono stati
acquisiti più eventi?
5
L w ,k = 10 log ∑ 10
L i ,w /10
i
Livello equivalente del singolo evento
0
1
10
Frequenza [Hz]
100
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Vibrazioni degli Edifici – Disturbo
Analisi del segnale
Il livello di accelerazione così calcolato va confrontato con i limiti definiti dalla normativa
Classe
destinazione
d’uso
asse Z
(dB)
asse x e
y (dB)
I
Aree critiche
74
71
II
Abitazioni (notte)
77
74
III
Abitazioni
(giorno)
80
77
IV
Uffici
86
83
V
Fabbriche
92
89
Tali limiti non considerano la contemporanea esposizione dell’uomo alle vibrazioni ed al
rumore.
Per verificare la bontà della misura è opportuno misurare le vibrazioni residue (a sorgente
spenta) e calcolare la differenza dei rispettivi livelli:
L w ,t − L w ,r
diff > 10 dB – la misura non va corretta
L w ,k = 10 log ∑ (10
6 dB < diff < 10 dB – bisogna correggere matematicamente la misura
i
diff < 6 – la misura è solo indicativa
L i ,w /10
− 10
L i ,r /10
)
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Vibrazioni generate nelle gallerie ferrotranviare
La normativa italiana di riferimento è la UNI 9942
È necessario eseguire misure di vibrazioni nelle gallerie per:
• Controlli periodi per verificar ei livelli vibratori massimi
• Galleria di nuova costruzione
• Se la galleria è stata sottoposta ad azioni accidentali
• Modifica all’armamento o ammodernamento dei veicoli con conseguente variazione del carico
per asse
I sensori vanno posizionati come mostrato
in figura:
•Sezione centrale dell’arco rovescio
•Sul corrispondente punto posto in alto
•Sulla parete della galleria posta a 1.20 m
al di sopra del piano dei binari
•Sul piede della rotaia
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Vibrazioni generate nelle gallerie ferrotranviare
Rapporto segnale rumore
diff > 10 dB – la misura non va corretta
6 dB < diff < 10 dB – bisogna correggere matematicamente la misura
diff < 6 – la misura è solo indicativa
Strumenti di misura
Per le misure su rotaia sono consigliabili accelerometri – il range di frequenza è
fino a 2kHz
Per gli altri punti possono essere utilizzati geofoni (velocimetri).
Condizioni di misura
Il treno generalmente deve essere a vuoto; è possibile però fare anche prove a carico diverso
purché sia noto il carico per asse rispetto alla condizione di peso a vuoto. Il passaggio deve
avvenire alle seguenti velocità con convolgio che viaggia per inerzia (assenza di frenate)
40 km/h per vetture tranviare
80 km/h per veicoli di trasporto rapido
60 km/h per treni metropolitani
Velocità massima consentita
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Vibrazioni generate nelle gallerie ferrotranviare
Valori tipici di attenuazione
Percorso a – d: differenza dei livelli
vibratori misurati varia tra i 20 e i 40 dB
Percorso d – b: differenza dei livelli
vibratori misurati varia tra i 10 e i 20 dB
Per valutare il sistema di isolamento delle rotaie il livello di vibrazione nel punto b (parete della
galleria deve essere confrontato con i seguenti valori:
rms < 0.03 mm/s: buone condizioni
0.03 < rms < 0.3 mm/s: condizione di soglia
rms > 0.3 mm/s: condizioni non accettabili
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Vibrazioni- Strumentazione
Sensori
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Vibrazioni degli Edifici - Esperienze
Milano – Stadio San Siro
I residenti lamentavano la presenza di elevati livelli vibratori in
concomitanza di concerti e/o partite
Gli edifici da monitorare erano due. Per ogni Edificio
sono stati fissati due punti di misura
Strumentazione Utilizzata:
velocimetri SYSCOM Ms2003
con acquisitore MR2002
Per ridurre la quantità di dati
registrati in fase di setup è stato
fissato un trigger (di 0.5 mm/s)
Nel caso specifico sono stati
registrati circa 10 min per ogni
punto di misura su due ore di
concerto per un totale di 27
eventi
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Vibrazioni degli Edifici - Esperienze
Milano – Stadio San Siro
L’analisi è stata eseguita con un software sviluppato in
house
Lettura dei segnali registrati
Derivazione nel tempo (per
calcolare le accelerazioni)
Applicazione dei filtri in terzi
di ottave
Calcolo dei livelli di
accelerazione e rispettiva
ponderazione per ciascun
evento
Calcolo dello
smorzamento (decremento
logaritmico)
L w ,k = 10 log ∑ 10
L i ,w /10
200%
i
Asse X
Asse Y
180%
160%
Limite Norma UNI 9614
140%
a/amax
120%
Calcolo del livello equivalente
relativo ad tempo indicativo
(durata della registrazione e
durata del concerto)
100%
80%
Lw,tot
⎛ L / 10 t
= 10 log ∑ ⎜⎜10 w , k ⋅ k
t tot
k ⎝
⎞
⎟⎟
⎠
60%
40%
20%
0%
Ev.2 Ore 21.21.27
Ev.4 Ore 21.24.47
Ev.6 Ore 21.28.41
Ora Eventi
Ev.7 Ore 21.30.01
Ev.10 Ore 23.36.23
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Vibrazioni degli Edifici - Esperienze
Milano – Stadio San Siro
Calcolo dello smorzamento
Lo smorzamento non è un valore certo! Elevata
dispersione dei dati… In alcuni casi lo stesso fenomeno
va considerato continuo o non continuo
EDIFICIO 1
SMORZ
EDIFICIO 2
DEV.STD
[s]
SMOR
Z
DEV.STD
[s]
SALONE
0.011
0.0046
21 ÷ 57
0.0078
0.0021
34 ÷ 58
TERRAZZO
0.008
0.0044
28 ÷ 95
0.0079
0.0013
36 ÷ 50
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Vibrazioni degli Edifici - Esperienze
Salerno – Realizzazione Parcheggio sotterraneo
Al centro di Salerno è stato realizzato un parcheggio
sotterraneo su due livelli. E’ stato realizzato un sistema di
monitoraggio degli edifici continuo, con 6 punti di misura
fissi più 2 mobili.
Il sistema era costituito da:
1 pc con due schede di acquisizione National Istruments per un
totale di 16 ch.
Software labview realizzato ad hoc con registrazione dei livelli rms,
e time histories (con trigger)
Durante alcune operazioni (compattazione) sono
stati registrati dei livelli di vibrazioni tali da
arrecare disturbo. (fenomeno transitorio)
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Vibrazioni degli Edifici - Esperienze
Napoli – Monitoraggio vibrazioni indotte
dall’impianto motrice della Funicolare
Il fenomeno è instazionario ma ripetitivo per l’intera giornata
(dalle 6.00 alle 22.00).
Il sistema utilizzato era costituito da:
2 velocimetri SYSCOM MS2003 con acquisitore
dedicato.
Per l’analisi dei dati è stato utilizzato un software
sviluppato in house
In questo caso il segnale è fortemente instazionario
pertanto è stato necessario svolgere uno studio sia
nel dominio della frequenza sia nel dominio del
tempo
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Vibrazioni degli Edifici - Esperienze
Napoli – Monitoraggio vibrazioni indotte
dall’impianto motrice della Funicolare
Motore in
funzione
Vista l’instazionarietà del fenomeno è stato isolato
un evento tipico (funzionamento del motore fino alla
fermata) e su tale segnale è stato calcolato il livello
di accelerazione.
Sono stati sostituiti gli impianti
(ammodernamento) ed in particolare i
sistemi di isolamento.