MONITORAGGIO STRUTTURALE
•
controllo del progredire dei fenomeni patologici
(degrado, dissesti)  tempi lunghi
•
per conoscere il comportamento di una struttura sotto i
carichi di servizio, le azioni ambientali (vibrazioni, ecc),
fenomeni ciclici (variazioni di temperatura, ecc) 
tempi brevi
1
MONITORAGGIO DEI FENOMENI DI DISSESTO
Per distinguere l'evoluzione del dissesto dai fenomeni
ciclici, è necessario protrarre il monitoraggio per un
tempo abbastanza lungo, almeno un anno
T1
35
° C
30
25
temperatura
20
15
10
5
0
03/08/00
22/09/00
11/11/00
31/12/00
19/02/01
10/04/01
30/05/01
P 8
0 .5 0
m
m
0 .4 0
0 .3 0
ampiezza
della lesione
0 .2 0
0 .1 0
0 .0 0
- 0 .1 0
2
- 0 .2 0
0 3 /0 8 /0 0
2 2 /0 9 /0 0
1 1 /1 1 /0 0
3 1 /1 2 /0 0
1 9 /0 2 /0 1
1 0 /0 4 /0 1
3 0 /0 5 /0 1
Monitoraggio delle lesioni
consiste nel rilevare, non l'ampiezza delle lesioni, bensì la
variazione nel tempo: aumento o diminuzione
Il monitoraggio può essere effettuato:
•
con strumenti meccanici
•
•
•
discontinuo
economici
pratici da usare
con strumenti elettronici e centrale di acquisizione e
registrazione dati
continuo o discontinuo
•
•
•
permette la lettura a distanza
la memorizzazione dei dati
permette di impostare allarmi
3
Disposizione dei punti di misura e dei fessurimetri
20
cm
A
I riferimenti sono applicati alla distanza di 20 cm, a
cavallo della lesione, in direzione circa ortogonale alla
direttrice fessurativa.
A'
20 cm
20 cm
A \
A''
A'
I riferimenti sono applicati a cavallo della lesione in
modo tale che le direzioni AA', AA'' formino un angolo
il più possibile prossimo a 90°.
d
il monitoraggio serve non solo a misurare il progredire del
fenomeno di dissesto, ma aiuta ad individuare la direzione del
movimento relativo delle due parti della struttura, ovvero la
natura del dissesto
4
Modalità di applicazione: lesioni d’angolo
5
Monitoraggio di lesioni
sistema obsoleto
VETRINI
6
Monitoraggio di lesioni
con deformometri meccanici
FESSURIMETRI
7
FESSURIMETRI
• basso costo
• bassa precisione
8
ESTENSIMETRI
MECCANICI
COLTELLO MOBILE
COMPARATORE
COLTELLO FISSO
Gli estensimetri meccanici trasformano il segnale da misurare per
mezzo di leve o ingranaggi che amplificano l'allungamento
trasmettendolo ad un comparatore.
Forniscono misure di variazione di lunghezza, per differenza da
una lettura iniziale, la misura di 0, a cui sono riferite le letture
successive.
Alla categoria degli estensimetri meccanici appartengono un gran
numero di tipi funzionanti tutti sul principio di trasmettere il moto
relativo di due organi (uno collegato col coltello fisso e l'altro con il
coltello mobile) ad un dispositivo ad ingranaggi, che trasforma un
movimento traslazionale in uno rotazionale, amplificandolo:
9
comparatore di misura.
La risoluzione va dal 1/100 mm al 1/1000 mm.
Per la misura della variazione di ampiezza delle lesioni
nelle strutture è adeguato l'estensimetro centesimale.
L'azzeramento degli estensimetri meccanici, la cui misura di
riferimento potrebbe variare con le condizioni ambientali,
viene fatto attraverso la misurazione di una "dima", barra di
Invar, materiale a bassissimo coefficiente di dilatazione
termica, la cui lunghezza si considera praticamente
invariabile nel tempo.
Nel caso di misura di ampiezza di lesioni, lo strumento non
fornisce l'ampiezza ma solo l'eventuale variazione di
ampiezza nel tempo, come differenza di misure successive.
10
misura della distanza di basi di riferimento
calibro estensimetrico
misura della dima
di riferimento
11
Modalità di applicazione delle basi di misura
12
Strumenti di misura elettronici
strumenti di misura di tipo elettronico (potenziometrici o induttivi)
varie modalità di applicazione:
• trasduttori di spostamento
• trasduttori di spostamento a filo
• flessimetri
• fessurimetri
• inclinometri
• livellometri
• sonde di temperatura
centrale di acquisizione con diverse opzioni di acquisizione:
• continua
• periodica
• allarme
possibilità di trasmettere dati a distanza
13
Trasduttori di spostamento relativo
I trasduttori di spostamento sono dispositivi per trasformare degli
spostamenti meccanici in segnali elettrici.
Il trasduttore è costituito da un nucleo,
scorrevole entro un telaio cilindrico
contenente un avvolgimento primario e
due avvolgimenti secondari, disposti
assialmente l'uno di seguito all'altro. A
seconda che il nucleo sia più o meno
immerso nel campo magnetico generato
dalla corrente nell'avvolgimento
primario, nel secondario si genera una
corrente di maggiore o minore intensità:
SEGNALE
NUCLEO
SCORREVOLE
TELAIO CILINDRICO
14
Se il nucleo ed il telaio cilindrico sono solidali con due
elementi che si spostano relativamente l’uno all’altro, lo
spostamento relativo dei due elementi coincide con lo
spostamento del nucleo rispetto al cilindro.
In queste condizioni, il segnale fornito dal trasduttore
rappresenta la misura dello spostamento relativo dei due
elementi.
d


15
Fessurimetri
Trasduttori di spostamento utilizzati come fessurimetri
16
Fessurimetri
Trasduttori di spostamento utilizzati come fessurimetri
17
Sistema di monitoraggio con misure in remoto
• ridotta invasività, sia dal punto di vista estetico che di
connessione alle reti elettriche ed informatiche esistenti
• minima necessità di intervento da parte degli operatori per le
operazioni di gestione e misura
termocoppia
trasduttori di
spostamento
18
Trasduttori di spostamento orizzontale





19
20
Trasduttore di spostamento a filo

21
Trasduttore di rotazione relativa

d

d
22
Inclinometri –
trasduttori di rotazione assoluta

l
l
23
Livellometri
24
Tutti questi strumenti hanno bisogno di una centrale di
acquisizione dati, che amplifica il segnale e lo registra.
Tutte le centrali di acquisizione hanno la possibilità di
programmare la lettura in base a scadenze temporali
oppure in base al superamento di un certo valore di soglia.
25
Risultati del monitoraggio strutturale
Grafici dell’andamento dell’ampiezza di una lesione e della temperatura
26
normalmente si analizzano i risultati dopo un periodo
abbastanza lungo, in maniera da distinguere gli effetti delle
variazioni stagionali dal progredire del dissesto
il fenomeno si è
STABILIZZATO
si può proseguire effettuando
misure meno frequenti
27
il fenomeno sta
PROGREDENDO
occorre riparare l'edificio o
continuare il monitoraggio
il fenomeno sta
probabilmente
STABILIZZANDOSI
continuare il monitoraggio
28
Monitoraggio a breve termine
si esegue sulle strutture esistenti:
• per la verifica strutturale
• per quantificare il degrado
• per verificare l'efficacia degli interventi
in un piano di sorveglianza: a cadenza programmata per
controllare l'evoluzione del degrado
29
consiste nel registrare la risposta della struttura alle azioni
sollecitanti:
• nel normale funzionamento della costruzione
• applicate appositamente
• prove di carico statiche
• prove dinamiche
un caso frequente è la registrazione delle vibrazioni dovute a
fattori ambientali (traffico, macchine, sismi, ecc)
30
Prove di carico statiche
Si eseguono applicando i carichi sugli orizzontamenti e
registrandone gli effetti in termini di deformazioni, sui solai e
sulle strutture più direttamente interessate (travi, pilastri)
E' fondamentale ricordare che dalla sola prova di carico non si
ricava la "resistenza" di una struttura, se non quando la si
spinga fino a rottura, ma ciò in genere non è desiderabile.
31
Il fatto che un solaio, ad es., abbia superato con esito positivo
una prova spinta fino al carico di servizio, non è sufficiente
per affermare che quel solaio ha resistenza sufficiente: infatti
potrebbe entrare in crisi per un carico leggermente più alto e
pertanto non possedere il necessario margine di sicurezza
La prova serve a misurare la deformabilità della struttura ed il
tipo di risposta ai carichi imposti: se i risultati, in termini di
deformabilità, sono congruenti con le previsioni teoriche, allora
può essere lecito considerare valide anche le valutazioni teoriche
in termini di resistenza e, quindi, di grado di sicurezza.
32
PROGETTO DELLA PROVA DI CARICO
• per determinare il carico massimo di prova
• per scegliere opportunamente gli strumenti da utilizzare
• per avere dati teorici da confrontare con quelli sperimentali
Prima dell'esecuzione della prova, occorre effettuare tutti i rilievi
e i saggi necessari per determinare la natura dei materiali e la
geometria degli elementi portanti.
•
•
dal rilievo si deducono le
caratteristiche
geometriche e statiche, ed
i carichi permanenti
si può valutare la
resistenza
33
Sulla base del rilievo, si costruisce un modello per:
• determinare il carico massimo di prova
carico di prova
carico permanente
Tmax
verifiche di sicurezza
Mmax
determinazione carico massimo di prova
Modello del solaio con carico permanente più carico di prova
(valore da determinare):
- si valutano le massime caratteristiche di sollecitazione
(funzione del carico di prova incognito) e si pongono uguali
alle resistenze;
- risolvendo si ricava il carico massimo di prova
34
• valutare le deformazioni sotto i carichi di prova
carico di prova
c
scelta degli strumenti
c
sp
esito della prova di carico
Modello del solaio col solo carico di prova :
- si valutano gli abbassamenti sotto il singolo gradino di carico
di prova e sotto il carico massimo;
- si scelgono gli strumenti adatti per effettuare le misure
(risoluzione adatta per la misura corrispondente al singolo
gradino, portata adatta all'abbassamento sotto il carico
massimo)
- durante e a fine prova si confrontano le misure con i valori
calcolati
35
Collaborazione degli elementi non strutturali
Massetti di pavimentazione, tramezzature, tamponamenti sotto i
normali carichi di prova rimangono connessi con la struttura,
collaborando in flessione con gli elementi provati o trasferendo
parte dei carichi ad altre membrature (effetto arco).
Le strutture secondarie portate collaborano in rigidezza con
quelle portanti, alterando la risposta statica in termini
deformativi, senza modificarla apprezzabilmente sotto l'aspetto
della sicurezza.
36
Collaborazione degli elementi non caricati
Quando non si carica un
intero solaio ma soltanto
una striscia nella direzione
di orditura, occorre
considerare la collaborazione delle parti di solaio
non caricate.
Anche se il solaio è formato da elementi lineari affiancati fra loro,
generalmente esiste una connessione, più o meno forte, fra tali
elementi.
Gli elementi direttamente caricati si inflettono, ma con essi anche gli
elementi adiacenti, che quindi assorbono una parte del carico.
37
Il calcolo delle inflessioni della striscia direttamente caricata
deve essere condotto con riferimento non all'intero carico di
prova ma solo alla quota parte di competenza.
Tale quota parte può essere determinata direttamente durante la
prova.
Si dispongono lungo l'asse di
mezzeria del solaio,
ortogonalmente alla striscia
caricata, un certo numero di
flessimetri con i quali si può
rilevare la linea d'inflessione
trasversale mediana.
38
Si può assumere, con
accettabile
approssimazione, che
ogni striscia di solaio
assorba una quota di
carico proporzionale
alla corrispondente
freccia.
39
Mezzi di carico
Carichi diretti
si realizzano con l'impiego di pesi
il miglior materiale è l'acqua
40
41
42
43
44
Mezzi di carico
Dispositivi per imporre le
deformazioni: martinetti idraulici
45
martinetto idraulico
è costituito da:
- un cilindro cavo, chiuso ad
un'estremità, atto a ricevere al suo
interno un fluido in pressione;
- un pistone massiccio, scorrevole nel
cilindro, dotato di un giunto a
tenuta stagna nell'estremità interna
al cilindro e di una piastra articolata
all'estremo opposto;
- ghiera di bloccaggio, per mantenere
la corsa del pistone senza dover
mantenere la pressione del fluido;
46
- foro di sicurezza, per lo scarico del fluido, onde evitare
la fuoriuscita del pistone dal cilindro.
- molle per il richiamo automatico del pistone in fase di
scarico
Tramite una pompa, si immette liquido (generalmente olio)
in pressione nel cilindro provocando lo scorrimento del
pistone.
Se il martinetto è inserito a contrasto fra la struttura in
prova ed altra struttura apposita (struttura di contrasto), lo
spostamento del pistone genera una coppia di forze uguali e
contrarie sulle due strutture.
47
Sul circuito dell'olio può
essere inserito un
manometro o un
trasduttore di pressione
(fornisce un segnale
elettrico) per misurare la
pressione.
Poiché la forza applicata dal martinetto è proporzionale alla
pressione dell'olio nel cilindro, il manometro fornisce una misura
indiretta del carico applicato.
Di solito, la relazione fra pressione e carichi si ottiene per taratura
del sistema: si confrontano i valori mostrati dal manometro con le
misure dei carichi fornite da un dinamometro o una cella di carico.
48
Hanno un ingombro minimo e consentono la graduale
applicazione del carico
In commercio si trovano martinetti di misure e prestazioni le
più varie.
Collegando più martinetti ad un'unica pompa, si può realizzare
la applicazione del carico della stessa entità in più punti della
struttura contemporaneamente.
La struttura di contrasto deve essere più resistente della
struttura in prova e molto rigida, perché la corsa è limitata.
49
svantaggi:
• si possono realizzare solo carichi concentrati
• occorre una struttura di contrasto di resistenza almeno uguale
a quella della struttura da provare
vantaggi:
• possono agire in qualsiasi direzione
• sono molto maneggevoli e di facile uso: rapidità di carico e
scarico, possibilità di realizzare gradini di carico
• sono molto "sicuri": se la struttura cede, il carico diminuisce
50
Misure e strumenti
Nelle prove di carico di solito si misurano le inflessioni, ma
anche deformazioni, rotazioni, apertura di lesioni preesistenti,
ecc.
Gli strumenti di più largo impiego sono:
• flessimetri meccanici: comparatori in postazione diretta o
comandati da filo
• flessimetri di tipo elettrico: trasduttori di spostamento in
postazione diretta o comandati da filo
• inclinometri
• trasduttori di rotazione
• estensimetri per la misura delle dilatazioni
• .....
51
Flessimetri






52
Flessimetri meccanici
53
Carico massimo di prova
• dovrebbe riprodurre, insieme ai carichi già presenti sulla
struttura, le massime sollecitazioni di progetto
• in genere è pari al carico di esercizio, aumentato di un
carico corrispondente al peso delle finiture, se queste non
sono ancora in opera
• non sempre il carico che produce il massimo momento
flettente riproduce anche il taglio massimo, e viceversa
• se il carico non è distribuito su tutto il solaio, occorre
realizzare due condizioni di carico diverse per poter
raggiungere le sollecitazioni massime
54
• se si carica solo una striscia nella direzione di orditura
del solaio, si può applicare un carico maggiorato, tale che
produca le sollecitazioni massime di prova, tenendo
conto della collaborazione degli elementi non caricati
• occorre fare attenzione che il carico applicato su una
striscia non produca sconnessioni con le strisce adiacenti
• la striscia caricata può anche essere ortogonale alla
direzione di orditura del solaio; in questo caso il carico
che riproduce il max momento, dà luogo ad un taglio
molto minore del max (circa ½)
• se il carico è applicato con martinetti, occorre utilizzare
adeguate piastre di ripartizione e verificare il solaio
superiore, se usato come contrasto
55
Disposizione degli strumenti di misura
Il minimo di strumenti da utilizzare è costituito da:
• strumenti in corrispondenza dei vincoli della struttura in
prova
• uno strumento dove si prevede la deformazione massima (se
si misurano inflessioni: in mezzeria di una struttura vincolata
ad entrambi gli estremi, all'estremità di uno sbalzo; se si
misurano rotazioni, alle estremità vincolate, ecc.).
Tutte le misure sono da riferirsi alla misura di 0, effettuata a
struttura scarica.
La deformabilità di ogni struttura è legata ad eventuali
cedimenti delle strutture di appoggio che devono, perciò,
essere sempre misurati.
56
Un esempio: prova di carico su solaio
Interessa misurare le inflessioni del solaio per confrontarle con i
dati di calcolo
Nello studio teorico, le inflessioni sono calcolate con
riferimento agli appoggi, ovvero pensando che gli appoggi siano
fissi
Nella prova, le inflessioni devono essere depurate degli
abbassamenti degli appoggi, anch'essi misurati
 a1   a 2
  m 
2
57
N
scale
445
pilastro 30x30
zona caricata (*) cm
9
aula
180
pilastro 30x30
8
150
123
1
2
3
4
140
100
5
620
137
12
140
34
117
150
44
7
A
A
pilastro 30x30
210
75
6
607
ingresso scuola
Lato via Passo Volpe
sez. A-A
altezza battente d'acqua 32 cm.
altezza battente d'acqua 18 cm.
altezza battente d'acqua 5 cm.
solaio H=40 cm
1
2
3-8-9
7-6
4
5
(*) le dimensioni della superficie caricata sono variabili in funzione del livello di riempimento
comparatore centesimale
58
59
Conduzione di una prova di carico
La prima operazione è la lettura degli strumenti in assenza di
carichi: la lettura di "0"
Per quanto possibile i carichi si applicano con gradualità.
E' opportuno condurre la prova per gradini: aumentare i carichi
fino a livelli prestabiliti ed in corrispondenza leggere gli
strumenti e registrare le misure; attendere che l'assetto si sia
stabilizzato prima di procedere ad aumentare i carichi
Registrare orari e temperature ed eventuali altri fattori di
influenza
Durante tutto il corso della prova condurre rilievi a vista dello
stato delle strutture direttamente o indirettamente influenzate dal
carico
60
La conduzione della prova per gradini permette di:
• tenere sotto controllo l'andamento della prova:
* se uno strumento non funziona correttamente, siamo
in tempo a provvedere
* se l'andamento della prova non rispetta le previsioni
(l'abbassamento misurato sotto ogni gradino di carico
non corrisponde a quello calcolato), occorre rendersi
conto dei motivi, prima di procedere
• condurre la prova in maggior sicurezza: inattesi o
improvvisi cedimenti sono più facilmente individuabili
disponendo di grafici di risposta
61
Una volta raggiunto il carico massimo che si intende applicare
alla struttura, si effettuano le misure
Se è possibile si mantiene il carico per un certo periodo di tempo
per evidenziare eventuali fenomeni lenti e si ripetono le misure
Si procede allo scarico, eventualmente per gradini
Si registrano le misure allo scarico per valutare le deformazioni
residue: se queste risultano grandi, in rapporto alle deformazioni
massime raggiunte, sono indice di comportamento non elastico
della struttura. In tal caso, se è possibile, conviene ripetere la
prova
Se gli esiti della prova non sono del tutto convincenti, può
essere opportuno ripeterla
62
Esito della prova
Il giudizio sull'esito di una prova di carico si compone di
molteplici aspetti:
• se non si sono rilevati danni
• se i risultati rispettano le previsioni
• se l'accrescimento delle deformazioni è più o meno lineare
con i carichi
• se l'entità delle deformazioni residue allo scarico è una quota
piuttosto piccola (10%?) delle deformazioni massime
63
esempio
ora
10.05
10.20
10.37
11.04
11.22
11.50
12.10
12.32
12.45
T (°C)
25.8
25.6
25.9
25.9
26.0
26.3
26.2
26.6
26.7
32.0
5.0
0.0
Atezza del battente in acqua [cm]
Fase di carico
0
Comparatore
N°
5.0
12.0
12.0
18.0
32.0
[mm/100]
lettura lettura

lettura

lettura

lettura

lettura

lettura

lettura

lettura

1
635
637
2
639
4
639
4
641
6
646
11
646
11
640
5
639
4
2
858
864
6
871
13
871
13
877
19
890
32
891
33
870
12
866
8
3
782
788
6
798
16
798
16
807
25
824
42
826
44
796
14
790
8
4
804
807
3
814
10
814
10
821
17
834
30
835
31
813
9
808
4
5
949
949
0
952
3
952
3
953
4
956
7
956
7
951
2
949
0
6
813
819
6
824
11
825
12
830
17
840
27
840
27
823
10
819
6
7
679
686
7
696
17
696
17
706
27
725
46
725
46
696
17
689
10
8
674
677
3
687
13
687
13
691
17
715
41
716
42
689
15
686
12
9
674
680
6
687
13
687
13
693
19
704
30
704
30
687
13
683
9
64
Diagramma carico-inflessione
35
cm
d'acqua
30
25
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50

[mm/100]
65
Catene di archi e volte
Gli archi e le volte sono strutture
spingenti, ovvero a fronte di azioni
verticali nascono reazioni orizzontali:
quanto più la struttura è rigida, tanto
minore è la spinta orizzontale che nasce.
Quindi è proprio la deformabilità della
struttura a dare luogo a tali reazioni
orizzontali.
Questa spinta orizzontale è altamente
nociva, specie nelle strutture in muratura
che lavorano a compressione e non
resistono a trazione.
La presenza di una catena permette di
assorbire tutta o in parte la spinta
orizzontale, a seconda della propria
rigidità, così da impedire la traslazione
relativa delle due estremità dell'arco.

H
H-N
H
N
H-N
66
Altre strutture spingenti
non spingente
spingente
tanto più spingente quanto
meno rigida la trave di colmo
67
Determinazione del tiro nelle catene di
archi e volte
la determinazione dell'efficienza e dello stato di sollecitazione è
utile per la valutazione dell'equilibrio di strutture con elementi
esistenti o dissestate
se ripetuta a distanza di tempo, può valere da monitoraggio di
una struttura dissestata
la determinazione del tiro può essere effettuata tramite prove
statiche e/o dinamiche, il cui principio si basa sul fatto che sia la
risposta ai carichi statici (inflessione) che la risposta dinamica
(frequenza propria di vibrazione) dipendono, oltre che dalle
caratteristiche elastiche, anche dal tiro presente.
68
Metodo statico
P
kA
kB
N

A
B
Poiché le catene sono strutture piuttosto flessibili, gli effetti del
secondo ordine sono importanti.
Nella catena tesa e caricata trasversalmente, il momento flettente
in ciascuna sezione dipende, oltre che dal carico P, dall’effetto del
tiro N per la corrispondente inflessione .
M   N  M 0
momento flettente dovuto al
solo carico P
derivando due volte:
M ' '  2 M  0
2  
N
EJ
69
kA
P
kB
N
A

B
modello strutturale di una catena:
trave molto snella vincolata alle estremità con incastri cedevoli
(molle rotazionali di rigidezze kA, kB)
l'abbassamento di una sezione sotto un qualsiasi carico dipende,
oltre che dalla rigidezza flessionale della catena (che si suppone
nota), anche dal tiro N e dalle rigidezze delle molle
risolvendo l'equazione differenziale, si ottengono le espressioni
degli abbassamenti  nelle diverse sezioni in funzione di
N, kA, kB
70
Conduzione della prova
si applica un peso P noto in diverse posizioni lungo la catena (es.
ai terzi della luce)
in corrispondenza di ciascuna posizione di P, si misura
l'abbassamento in diverse posizioni (es. ai terzi della luce)
in definitiva disponiamo di 9 valori di misure di abbassamento
Si
1
kA
2
1
3
P1
2
P2
kA
kB
3
kB
N
N
 11
A
l/4
 21
l/4
 31
l/4
 12
A
B
l/4
l/4
l/4
1
2
 22
B
 32
l/4
l/4
3
P3
kA
kB
N
 13
A
l/4
 23
l/4
B
 33
l/4
l/4
71
Elaborazione dei dati

corrispondentemente, disponiamo di espressioni matematiche
che forniscono gli abbassamenti Qi in funzione del carico P e
di N, kA, kB

errore quadratico totale = somma degli scarti fra i valori
sperimentali e di calcolo:

si ricercano i valori di kA, kB, N che rendono minimo E2
Il procedimento dà risultati tanto meglio approssimati quanto più
la catena è snella
72
Riferimenti bibliografici
Beconcini M.L.: "Un metodo pratico per la determinazione del
tiro nelle catene", Costruire in laterizio, n. 54, 1996
73