Prove dinamiche in Marocco

> Tecnologie
Controls-Wykeham Farrance
di Pier Luigi Raviolo
Prove dinamiche
in Marocco
Nell’ambito della
caratterizzazione
geologica e
geotecnica le
analisi dinamiche
hanno riguardato
e riguardano
genericamente
tutto il territorio
del Marocco, dai
rilievi del Rif alla
catena montuosa
dell’Atlante.
Una terra splendida,
fertile e purtroppo
anche sismica, che
oggi costituisce
una delle più
importanti realtà
economiche del
continente africano
L
e prove dinamiche sono state utilizzate per la prima volta in Marocco nel 1977 per
lo studio della diga di Dchar
El Oued; successivamente nel 1980 per
la diga di Ait Chouarit e nel 1983 la diga
sull’Oued Martil.
L’esecuzione di queste prove si è resa necessaria in particolare per le dighe in progetto nelle zone considerate ad alta sismicità come nella regione di Tétouan al Nord
(Hachef e Smir), nella regione di Agadir al
Sud (Aoulouz) e per le grandi dighe realizzate in siti influenzati dall’attività sismica di queste zone (M’jara, M’Dez, Garde
Sebou, Sidi Mohamed BenAbdellah).
Le caratteristiche dinamiche di un terreno vengono solitamente determinate sia
mediante prove in sito che di laboratorio:
queste ultime allo scopo di riprodurre in
laboratorio su un provino in cella triassiale
lo stesso livello di vibrazione, urto o tensione ciclica rilevato in sito, in modo da
fornire ai progettisti i necessari parametri
per una corretta e realistica valutazione del
comportamento del terreno.
Sistema triassale presso l’LPEE
Il sistema triassiale dinamico di cui parleremo è stato installato presso la Società
Laboratoire Public d’Essais et d’Etudes
(LPEE) in Marocco. L’LPEE è l’organismo
di ricerca nel settore dell’ingegneria civile
più importante del Marocco. L’istituto è
organizzato attraverso un Centro Specialistico centrale con sede a Casablanca e un
insieme di Centri Tecnici e Laboratori regionali localizzati nelle principali regioni
del Marocco, realizzati al fine di costituire
una rete di servizi in grado di coprire tutto il territorio nazionale. I settori di intervento riguardano sostanzialmente le costruzioni, le opere pubbliche e le strutture
industriali, in modo da offrire e garantire
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una serie di servizi che vanno dalle indagini sperimentali alla progettazione e consulenza, dagli studi alle analisi e ai controlli in
corso d’opera, all’assistenza tecnica.
Queste attività sono di supporto sia al
settore pubblico che a quello privato per
quanti operano nei diversi ambiti delle
costruzioni, in particolare: geotecnica e
geologia; costruzioni, strutture, scienza
dei materiali; infrastrutture dei trasporti; opere idrauliche, marittime e portuali;
prevenzione inquinamento e salvaguardia dell’ambiente; industria; Ricerca e
Sviluppo.
In altre parole l’LPEE si pone come missione quella di garantire qualità, continuità
alle opere e alle infrastrutture, sicurezza e
servizi alla popolazione, sviluppandosi altresì nel settore della ricerca. A tale scopo,
al suo potenziale interno l’Istituto unisce
gruppi di ricercatori formatisi nelle migliori università e nelle scuole di tecnologia di
avanguardia del paese. In tal modo, grazie
alla ricerca e al trasferimento tecnologico
l’LPEE persegue l’obiettivo della formazione permanente, assicurando nuove prospettive di lavoro alle professioni di base,
la specializzazione e l’indirizzamento verso
specifici settori innovativi.
Dispone di oltre 1.000 dipendenti e rappresenta una realtà importante e competitiva per lo sviluppo del Marocco, oltre a investire più del 3% del suo fatturato in formazione permanente, nel consolidamento
e aggiornamento delle proprie risorse e capacità sostanzialmente nella ricerca innovativa e nella sperimentazione.
Di pari passo, la diversificazione dei settori
di intervento nei quali opera attualmente
l’Istituto ha portato quest’ultimo ad arricchire e rinforzare le proprie risorse umane
con l’acquisizione di specialisti ed esperti,
in modo da rispondere a nuove e più specifiche richieste e problematiche del mercato. L’LPEE si è dotato di tutti i mezzi specifici che gli permettano di fornire prestazioni
specialistiche di elevato livello qualitativo,
internazionalmente riconosciute.
Ciò nell’intento di continuare ad accrescere la propria competitività imprenditoriale grazie ad una oculata politica di investimenti, di formazione e di perfezionamento, di ricerca e sviluppo con l’obiettivo di
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Continua la tradizione del CES con Wykeham Farrance
rispondere ad un mercato sempre più esigente e diversificato.
Per quanto riguarda nello specifico il settore sperimentale, tra le attrezzature di base
di cui dispone l’LPEE si possono citare: attrezzature geotecniche (meccanica dei terreni e delle rocce, geofisica); attrezzature di
sondaggio e di prove in sito; attrezzature
specifiche per prove stradali (profilografo,
gammadensimetro, piastra, pressa giratoria, profilografo trasversale, MTM); sistemi di acquisizione, trattamento ed elaborazione dati; laboratorio mobile di analisi
dell’aria e misura delle emissioni di agenti
inquinanti, analisi batteriologiche; laboratorio di analisi fisico-chimiche e microbiologiche, planctonologia e parassitologia; laboratorio modelli idraulici in scala, completi di generatori d’onda, invasi, sistemi
di acquisizione; strumentazioni per misure
elettriche, dimensionali e di forza.
Nell’ambito dell’LPEE, poi, opera la divisione Centre Experimental Des Sols (C.E.S).
L’attività “scienza delle terre” all’interno
della divisione C.E.S. raggruppa i settori
della geologia, della geofisica, dell’idrologia e della geotecnica. Il C.E.S. può essere
definito come il punto di riferimento del
Marocco per quanto riguarda l’insieme
delle opere di ingegneria civile. Le sue attività si sviluppano intorno alle indagini e
alle sperimentazioni in sito e in laboratorio
attraverso studi ed esperienze. Attualmente, i settori di ricerca prevalenti e di maggiore interesse, che più si accomunano alla
realtà geologica marocchina e per i quali
è fondamentale definire parametrizzazioni
e modelli di calcolo, sono rivolti essenzialmente ai: terreni non saturi; terreni soggetti a rigonfiamento; terreni interessati
da opere di fondazione superficiali.
Il sistema triassiale ciclico del CES
È in quest’ambito che è stato installato il sistema triassiale dinamico
Mod. 31-WF7050 della Wykeham Farrance, la Soil Mechanics Division di Controls.
Questo sistema triassiale, retroazionato a
loop chiuso, consente di applicare sollecitazioni cicliche o dinamiche al provino fino
a una frequenza di 70 Hz. Il sistema servopneumatico effettua il controllo digitale retroazionato, contemporaneamente su tre
assi: carico/spostamento assiale, pressione
in cella e contropressione.
L’attrezzatura base comprende il sistema
di controllo integrato multiasse IMACS,
l’attuatore a controllo digitale da 5 kN, la
macchina triassiale Tritech 50 da 50 kN, il
serbatoio di accumulo ausiliario, completo
di due servovalvole di controllo per la pressione in cella e la contropressione e il sistema di acquisizione ed elaborazione dati.
Il sistema comprende il software per prove
cicliche e a stress path controllato. L’attuatore pneumatico a doppio effetto esercita
il carico assiale ciclico in termini di carico
(N), sforzo (kPa), spostamento (mm) o deformazione (%). Le due servovalvole pneumatiche a controllo digitale applicano la
pressione in cella e la contropressione.
Le prove dinamiche vengono solitamente
effettuate in abbinamento all’applicazione
al provino di determinati livelli tensionali
in condizioni statiche.
Ciò significa che il provino, in aggiunta
all’applicazione delle condizioni dinamiche, può essere sottoposto a saturazione,
consolidazione per diversi livelli di tensione (isotropico, anisotropico, K0, eccetera)
e portato a rottura in condizioni statiche.
Pertanto, questo Sistema Triassiale Statico
e Dinamico Ciclico permette di realizza-
re le seguenti prove: prove triassiali standard UU, CU, CD comprendenti saturazione, consolidazione isotropa e anisotropa
con misura di pressione interstiziale e di
variazione di volume; prove a stress path
controllato (inclusa consolidazione K 0);
prove triassiali cicliche in controllo di carico; misure di resistenza e deformazione
dinamica; valutazione del potenziale di liquefazione; modulo elastico e proprietà di
smorzamento.
Le suddette prove vengono realizzate secondo le normative ASTM D 5311 (Standard test method for load controlled cyclic
triaxial strength of soil) e ASTM D 3999
(Standard test methods for the determination of the modulus and damping properties of soils using the cyclic triaxial apparatus).
Sono altresì disponibili procedure non
standard nelle quali è possibile applicare
condizioni cicliche sia alla pressione assiale
che alla pressione radiale: Multi cycle test
e Single cycle test.
Il sistema può lavorare con diversi modelli
di celle triassiali per provini di dimensioni
da 50, 70, 100, 150 mm di diametro.
L’operatore del laboratorio
assiste alla prova
te per applicare il carico assiale al provino,
mentre nella fase di compressione monotonica il pistone è invece bloccato, in modo che il carico assiale venga applicato al
provino dal piatto della pressa, azionato
meccanicamente a velocità costante, e trasferito alla traversa superiore del telaio.
L’attuatore a doppio effetto
L’attuatore a doppio effetto, a controllo
digitale, richiede un’alimentazione ad aria
compressa di circa 800 kPa. I segnali elaborati dal convertitore di pressione tramite il
sistema di controllo IMACS vengono gestiti da PC per la regolazione dei carichi applicati al provino. L’attuatore incorpora il
trasduttore lineare, consentendo quindi
l’esecuzione della prova sia in controllo di
carico che di spostamento.
L’attuatore è in grado di generare frequenze fino a 70 Hz. Tuttavia la frequenza applicabile dipende essenzialmente dal tipo di provino e dalle condizioni di prova.
Materiali teneri sono soggetti a notevoli
deformazioni e quindi a una corsa maggiore dell’attuatore, mentre materiali più
compatti richiedono carichi elevati con
conseguente diminuzione della frequenza per entrambi i casi. Ciò non rappresenta
comunque un problema nel caso di prove
su terreni, soprattutto nel caso della determinazione del potenziale di liquefazione in
cui carichi e frequenze sono molto bassi.
Il Sistema IMACS
Telaio di carico
La macchina triassiale standard TRITECH
50 è stata modificata per l’inserimento, sulla traversa superiore, dell’attuatore pneumatico, dotato di uno specifico sistema di
bloccaggio che può intervenire per qualsiasi posizione dello stelo. Questo sistema
permette l’applicazione di livelli di forza
superiori alla capacità dell’attuatore stesso,
facendo affidamento esclusivamente sulla portata della Tritech 50, in modo che il
provino possa essere portato a rottura una
volta terminata la fase dinamica.
Nel corso della fase dinamica dunque l’attuatore è libero di muoversi verticalmen-
Il Sistema IMACS (Integrated Multi-Axis
Control System) è costituito da un’unità integrata compatta che svolge tutte le
operazioni di controllo e di messa in fase, incluse le scansioni temporali, le acquisizioni dei dati e i segnali dei trasduttori.
L’unità IMACS dialoga con il PC mediante
porta USB o seriale RS232.
Il modulo di controllo dispone di tre assi
per la retroazione delle varie grandezze che
intervengono nella prova:
• Asse 1: Carico e spostamento assiale
• Asse 2: Pressione in cella e spostamento
radiale (opzionale).
• Asse 3: Contropressione.
Ciascun asse di controllo è gestito dall’operatore attraverso specifici parametri di retroazione PID (Proporzionale, Integrativo e
Derivativo), selezionati in maniera immediata mediante pulsanti a video. I pulsanti
con frecce Up/Down permettono di modificare immediatamente ciascun parametro
con valori incrementali che possono essere
selezionati tra 1, 10, 100 e 1.000.
I cablaggi degli assi di controllo, della comunicazione e dei trasduttori terminano
con specifici connettori collegati sul pannello frontale dell’IMACS. L’Unità IMACS
controlla direttamente le servovalvole per
applicare le grandezze impostate: velocità di carico, forma d’onda e frequenza, livelli di pressione in cella e contropressione. A tali controlli si aggiunge una valvola solenoide on/off che viene attivata via
software, automaticamente o dall’utente,
per controllare le condizioni di drenaggio e
l’applicazione della contropressione.
Il modulo di acquisizione dati comprende
fino a 13 canali d’ingresso per trasduttori
normalizzati (±10V). I segnali sono digitalizzati da un convertitore A/D da 20 bit ad
alta velocità e precisione per l’analisi e la
visualizzazione dei dati.
Applicazione
di trasduttori
locali
(on sample
transducers)
Al modulo di acquisizione vengono collegati trasduttori addizionali, ad esempio per
il monitoraggio delle seguenti grandezze:
pressione interstiziale; variazione di volume; deformazione locale, mediante l’inserimento all’interno della cella triassiale di
tre trasduttori “on sample” direttamente
sul provino (due assiali e uno radiale).
I due moduli (di retroazione e di acquisizione dati) dispongono di distinte interfacce di comunicazione USB ad alta velocità (10 b/s) o RS232, che consentono la
simultanea comunicazione con il PC, con
notevole incremento di velocità operativa
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Mentre il provino è sottoposto alle sollecitazioni di carico, l’IMACS cattura i dati dai
trasduttori e li trasferisce, tramite l’uscita
USB o RS232 al PC per elaborazione dati,
visualizzazione e memorizzazione.
Contenuto del software
Una videata del software concernente la saturazione
e di flessibilità. Sotto la supervisione del PC,
l’IMACS controlla automaticamente l’applicazione del livello di carico per le singole
fasi di prova. Il sistema controlla diretta-
mente e contemporaneamente le tre servovalvole per l’applicazione del gradiente
di carico o della forma d’onda richieste,
la pressione in cella e la contropressione.
Il sistema Wykeham Farrance qui descritto permette in primo luogo di riportare
un campione indisturbato nelle condizioni
geostatiche precedenti al prelievo, quindi
di applicare livelli tensionali che simulano
l’interazione con le opere (siano esse fondazioni, scavi, reinterri, opere di sostegno,
eccetera), di simulare correttamente eventuali fenomeni ciclici o dinamici e, infine, di
valutarne gli effetti in termini di variazione
complessiva di resistenza.
Con questa acquisizione la Divisione
del C.E.S. ha allargato il suo campo di
intervento, peraltro già notevole, confermandosi sempre più un centro fondamentale nell’ambito dell’ingegneria
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civile in Marocco.