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Il monitoraggio strutturale come strumento per la salvaguardia dellesistente e per il collaudo del nuovo Giorgio MONTI Ordinario di Tecnica delle Costruzioni Sapienza Università di Roma [email protected]

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Il monitoraggio strutturale come strumento

per la salvaguardia dell’esistente e

per il collaudo del nuovo

Giorgio MONTI Ordinario di Tecnica delle Costruzioni

Sapienza Università di Roma

[email protected]

La valutazione dinamica sperimentale

dell’Anfiteatro Flavio

Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Giorgio MONTI Ordinario di Tecnica delle Costruzioni

Sapienza Università di Roma

[email protected]

Il monitoraggio dinamico del Colosseo Pag. 3

Introduzione Inquadramento geografico

Anfiteatro Flavio

(Colosseo) Roma

Il monitoraggio dinamico del Colosseo Pag. 4

Introduzione Inquadramento storico

La costruzione del Colosseo iniziò sotto

l’impero di Vespasiano (69-79 d.C.) e

terminò con Domiziano (81-96 d.C.)

L’Anfiteatro occupa un’area tra la Velia, il

Colle Oppio e il Celio, in corrispondenza

di un lago fatto scavare da Nerone per la

propria Domus Aurea.

Le dimensioni massime in pianta sono di

circa 188 m per 156 m, e l’altezza di 48.5

m dal piano di ingresso dalla piazza.

Il monitoraggio dinamico del Colosseo Pag. 5

Introduzione L’Anfiteatro oggi

La parete esterna è mancante sul

lato sud, cosi come parte degli

ambulacri esterni e porzioni della

cavea.

Lo stato di degrado in cui versano

le strutture dell’anfiteatro è dovuto

principalmente a:

eventi sismici (484 e 1349 d.C.)

degrado dei materiali

riutilizzo dei materiali per nuove

costruzioni

Il monitoraggio dinamico del Colosseo Pag. 6

Introduzione Inquadramento geologico

La maggior parte dei dissesti si concentra nella zona orientale, a

causa di cedimenti in fondazione dovuti alla particolare

conformazione litologica.

Conformazione che, in caso di eventi sismici e comunque azioni

dinamiche, determina fenomeni di amplificazione non omogenei.

Pag. 7

Deposito alluvionale

olocenico

Depositi vulcanici e

sedimenti pleistocenici

Strato roccioso pliocenico

Le proprietà geotecniche non sono omogenee

La parte nord del Colosseo è situata su uno strato di deposito continentale pleistocenico

mentre la parte sud (dove manca la parete originale esterna) poggia su materiale

alluvionale olocenico più recente e molto più soffice

Sedimenti pleistocenici (parte nord)

Velocità stimata delle onde di taglio 400 m/s; densità 1900 kg/m3

Deposito alluvionale olocenico (parte sud)

Velocità stimata delle onde di taglio 150 m/s; densità 1800 kg/m3

Deposito alluvionale

olocenico

Sedimenti

pleistocenici

Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Introduzione Inquadramento geologico

Pag. 8

20 meters

La nuova linea C

della Metro

Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Azioni esterne Azioni di tipo dinamico

Pag. 9

Modello agli elementi finiti

Caratteristiche del modello

Elementi brick (anche truss)

No. di nodi 26.169

No. di gradi di libertà 75.867

Materiali isotropi lineari elastici (questa

assunzione vale unicamente ai fini

dell’analisi modale e dell’aggiornamento

del modello basata sulle vibrazioni)

Materiale Densità (kg/m3) Modulo elastico (N/mm2) Coefficiente di Poisson

Travertino 2.450 10.000 0,10

Muratura 1.800 2.000 0,20

Tufo 1.800 4.500 0,15

Calcestruzzo volte 2.000 1.600 0,10

Calcestruzzo fondazioni 2.400 1.500 0,10

Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Pag. 10

Analisi agli elementi finiti Analisi modale – Prima e seconda forma modale

2

Prima forma modale

1.05 Hz

Seconda forma modale

1.08 Hz

1

Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Pag. 11

Analisi agli elementi finiti Analisi modale – Terza e quarta forma modale

3 4

Terza forma modale

1.37 Hz

Quarta forma modale

1.45 Hz

Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Pag. 12

Analisi agli elementi finiti Analisi modale – Quinta e sesta forma modale

5 6

Quinta forma modale

1.69 Hz

Sesta forma modale

1.82 Hz

Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Pag. 13

Analisi modale – Settima e ottava forma modale

7 8

Settima forma modale

2.05 Hz

Ottava forma modale

2.35 Hz

Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Analisi agli elementi finiti

Pag. 14

Analisi modale – Nona e decima forma modale

9 10

Nona forma modale

2.46 Hz

Decima forma modale

2.59 Hz

Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Analisi agli elementi finiti

Pag. 15

Analisi modale – Masse partecipanti

Alcune considerazioni sui risultati ottenuti dall’analisi modale

Le prime due forme modali sono due modi flessionali che coinvolgono

entrambi gli speroni di Stern e di Valadier

Le forme divengono più articolate per modi superiori (5 e 6).

Per questi si attendono masse partecipanti maggiori (vd. tavola sotto)

I modi 9 e 10 riguardano la parte sud del monumento

Modo X (%) Y (%) Z (%)

1 0.65 0.11 0.00

2 0.87 0.05 0.00

3 0.16 0.02 0.00

4 0.63 0.00 0.00

5 0.69 1.96 0.00

6 0.29 7.51 0.00

7 0.01 1.28 0.00

8 0.25 0.30 0.00

9 0.10 0.22 0.00

10 0.05 0.38 0.00

Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Analisi agli elementi finiti

Pag. 16

Analisi agli elementi finiti Considerazioni sul Modello

E’ evidente come le azioni dinamiche tendono ad eccitare la parete nord

Si nota inoltre come sulla parete, le zone maggiormente sollecitate si

trovano in corrispondenza del cambio di curvatura della parete stessa.

Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Pag. 17

Questo fenomeno poi va ad

aggravare una situazione già

precaria a causa dei dissesti e

dei fuori piombo della parete.

Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Analisi agli elementi finiti Considerazioni sul Modello

Il monitoraggio dinamico del Colosseo Pag. 18

Un monitoraggio dinamico guarda al monumento nel suo complesso.

Il monitoraggio dinamico del monumento, effettuato con una rete di

accelerometri, consente di ottenere informazioni sulla risposta

strutturale in presenza di azioni dinamiche:

frequenti (traffico, vento)

rare (terremoti)

eccezionali (vibrazioni dovute agli scavi per la realizzazione della

Metro C)

Le registrazioni dinamiche possono essere analizzate ed elaborate per

fornire informazioni utili a supportare i processi decisionali relativi a:

studi di vulnerabilità

programmi di manutenzione

Monitoraggio Caratterizzazione dinamica

Il monitoraggio dinamico del Colosseo Pag. 19

Il piano di monitoraggio dinamico ha un duplice obiettivo:

Aumentare l’affidabilità dei modelli interpretativi del comportamento

strutturale

individuazione di porzioni strutturali tra loro indipendenti

identificazione dinamica

Monitorare l’evoluzione dello stato di dissesto presente

In entrambi i casi si ottiene un incremento del livello di conoscenza,

unico fattore per conseguire una reale tutela del manufatto.

Monitoraggio Caratterizzazione dinamica

Pag. 20

Gli accelerometri sono tecnologicamente affidabili e non molto costosi

da poter essere impiegati in reti estese di sensori

Un aspetto cruciale sono i disturbi dovuti a rumori nelle misurazioni: se

il livello di rumore è eccessivamente alto, allora l’estrazione delle

risposte strutturali da segnali rumorosi è molto difficile e meno

affidabile

Gli aspetti di maggior importanza per migliorare la robustezza verso il

rumore strumentale sono:

- Informazioni sulla risoluzione del sistema: densità di rumore, dynamic

range, larghezza di banda dell’accelerometro, velocità del microcontroller

counter

- Numero e posizioni dei punti di misura

- Tecniche di processazione del segnale (de-noising, re-sampling, etc.)

Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Monitoraggio del comportamento dinamico

mediante accelerometri Scelta delle misurazioni

Pag. 21

Dai risultati dell’analisi modale sul modello FEM, si evince che la parte

significativa di massa coinvolta nei primi modi di vibrare si concentra nella

parete nord.

E’ allora su questa parete che, a diversi livelli di quota, sarà installato il maggior

numero di sensori accelerometrici.

Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Monitoraggio Posizionamento dei sensori

Pag. 22

Tale porzione del monumento è la più esposta alle azioni dinamiche esterne, ossia:

Traffico (via dei Fori Imperiali)

Vicinanza stazione Colosseo e canna della metro B

Vicinanza futuri scavi per la realizzazione della metro C

Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Monitoraggio Posizionamento dei sensori

La presenza di punti di

discontinuità strutturale, quali

colonne isolate ed archi a spinta

non contrastata, e di uno stato di

conservazione eterogeneo ha

portato alla scelta di un’ulteriore

zona di indagine, identificata negli

Ipogei.

Pag. 23 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Monitoraggio La rete di monitoraggio – Gli accelerometri

Pag. 24 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Oltre alle caratteristiche tecniche idonee al segnale da

acquisire, la strumentazione utilizzata ha i seguenti vantaggi:

Centralina piccola e maneggevole

Collegamento dei sensori su due bus seriali

Sensori schermati ai campi elettromagnetici

Trasferimento del segnale in formato digitale

Ciò consente di:

Realizzare sistemi di monitoraggio poco invasivi

Ridurre i tempi di installazione e smontaggio del sistema

Ottenere un sistema insensibile ai disturbi elettromagnetici

Ottimizzare la sincronizzazione tra i sensori

• Temperatura di funzionamento -20° C + 80° C

• Frequenza di campionamento tra 20 e 80 Hz

• Range accelerazione ± 1500 mg

• Rumore 0,32 mg a 20 Hz

CE

NT

RA

LIN

A

Monitoraggio La strumentazione – Caratteristiche tecniche

AC

CE

LE

RO

ME

TR

O

Pag. 25 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

La semplicità della strumentazione e dei cablaggi assume grande importanza anche in

relazione alla accessibilità dei punti da monitorare…….

Monitoraggio L’installazione

Pag. 26 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

I risultati che ci si propone di ottenere da queste attività di monitoraggio dovranno essere da

supporto alla gestione del monumento ovvero alla programmazione e progettazione degli

interventi di manutenzione ordinaria e straordinaria.

Monitoraggio I risultati attesi

ANALISI NEI DOMINI DEL TEMPO E DELLA FREQUENZA

Queste analisi avranno due finalità:

Definire il livello di adeguatezza delle ipotesi che sono alla base delle successive

elaborazioni (identificazione dei parametri modali)

La caratterizzazione fisica della risposta strutturale e della corrispondente forzante

dinamica, realizzando il supporto necessario alle analisi di vulnerabilità

Pag. 27 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

I risultati che ci si propone di ottenere da queste attività di monitoraggio dovranno essere da

supporto alla gestione del monumento ovvero alla programmazione e progettazione degli

interventi di manutenzione ordinaria e straordinaria.

Monitoraggio I risultati attesi

ANALISI DELLA VULNERABILITA’ ALLE VIBRAZIONI

Lo scopo di questa analisi è quello di fornire una valutazione del livello di vulnerabilità

estetica-architettonica del monumento soggetto a vibrazioni.

In queste analisi si assume che:

Non sia possibile associare danni strutturali a fenomeni vibratori frequenti cui il

monumento è sottoposto

A queste vibrazioni vengono associati i “danni di soglia” che si possono presentare

sotto forma di nuove fessure, accrescimento di fessure esistenti e danneggiamenti di

elementi architettonici. Si tratta quindi di aspetti sentiti nella conservazione di edifici

monumentali.

Pag. 28 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

I risultati che ci si propone di ottenere da queste attività di monitoraggio dovranno essere da

supporto alla gestione del monumento ovvero alla programmazione e progettazione degli

interventi di manutenzione ordinaria e straordinaria.

Monitoraggio I risultati attesi

IDENTIFICAZIONE MODALE E MODEL UPDATING

Si tratta dell’identificazione dei parametri modali della struttura, frequenze naturali,

smorzamento e forme modali. Queste grandezze sono degli indicatori il cui

andamento nel tempo consente di stimare l ’entità dei fenomeni di degrado e

danneggiamento.

Con queste grandezze è possibile aggiornare il modello FEM, minimizzando la

differenza tra le frequenze naturali misurate sperimentalmente e quelle calcolate

numericamente dal modello stesso.

Ciò consente di ottenere un modello matematico più congruente alle evidenze

sperimentali e quindi vicino al reale stato di conservazione del bene.

Effetto delle vibrazioni sul patrimonio culturale

• Vibrazioni ambientali derivanti da sorgenti artificiali (ad esempio

attività di costruzione, veicoli e traffico ferroviario) potrebbero

interferire con l’ambiente costruito circostante

• Particolare attenzione va posta sulle costruzioni storiche soggette a

vibrazioni ambientali

– Le vibrazioni di piccola ampiezza non rappresentano, in generale, un

pericolo impellente, ma possono aumentare (nel corso degli anni), la

vulnerabilità strutturale di elementi danneggiati e/o deteriorati di edifici

storici.

• Valutazione

– Metodi numerici

– Metodi sperimentali

Pag. 29 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Caratterizzazione dinamica

• Descrittori cinematici

– Velocità, da 0.2 a 50 mm/s per le vibrazioni indotte dal traffico

(ISO 4866:1990)

• Peak Particle Velocity (PPV)

• Peak Component Particle Velocity (PCPV)

– Accelerazione, da 0.02 a 1 m/s2 per le vibrazioni indotte dal traffico

(ISO 4866:1990)

• Durata

– Continua

– Occasionale

• Contenuto in frequenza

– La maggior parte dei danni di origine antropica sugli edifici avvengono

nell’intervallo di frequenza da 1 Hz a 150 Hz (ISO 4866:1990)

– Alcuni criteri sono dati in funzione della frequenza

Pag. 30 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

DIN 4150-3 (UNI 9916)

Tipo di edificio

Limiti per PCPV per vibrazioni di breve durata [mm/s]

Fondazioni Piani alti

1-10 Hz 10-50 Hz 50-100 Hz Tutte le

frequenze

Edifici tutelati 3 3-8 8-10

8

(orizzontale)

≤ 20

(verticale)

Tipo di edificio Limiti per PCPV per vibrazioni di lunga durata [mm/s]

(piani alti, tutte le frequenze)

Edifici tutelati 2.5 (orizzontale)

≤ 10 (verticale, UNI 9916)

Pag. 31 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

SN 640312 a (UNI 9916)

Tipo di edificio Limiti per PPV [mm/s]

8-30 Hz 30-60 Hz 60-150 Hz

Edifici storici

sotto tutela

Vibrazioni

occasionali Fra 7.5 e 15 Fra 10 e 20 Fra 15 e 30

Vibrazioni

frequenti Fra 3 e 6 Fra 4 e 8 Fra 6 e 12

Vibrazioni

continue Fra 1.5 e 3 Fra 2 e 4 Fra 3 e 6

Pag. 32 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Metropolitana di Vienna

• Criteri per i limiti alle vibrazioni (Döller et al., 1976)

– Attività di cantiere: 0.20 m/s2

– Vibrazioni continue: 0.02 m/s2

– Vibrazioni occasionali: 0.05 m/s2

Pag. 33 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

California Department of Transportation

Intervallo di frequenza Limiti per PPV [mm/s] per

vibrazioni occasionali

Limiti per PPV [mm/s] per

vibrazioni continue

1-10 Hz 6.35 3.05

10-40 Hz 6.35 - 12.70 3.05 - 6.35

40-100 Hz 12.70 6.35

Tipo di edificio Limite per PPV [mm/s] per vibrazioni continue

Massimo limite raccomandato per

rovine e monumenti antichi 2.03

Konon & Schuring, 1985

Whiffin & Leonard, 1971

Pag. 34 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Metropolitana Diameter Line a Pechino

• Criteri per i limiti (Jia et al., 2008) (PPV, 1 orizzontale & 1 verticale)

– Mura della città della dinastia Ming: 1.8 mm/s

– Rovine della stazione Jingfeng e Porta Zhengyang: 3.0 mm/s

Ming Dynasty City Wall Zhengyang Gate Jingfeng Railway Station Relic

Pag. 35 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

GB/T 50452-2008

Velocità vibrazionale ammissibile per strutture in muratura [mm/s]

Livello di tutela Vp [m/s]

< 1600 1600-2100 > 2100

Nazionale 0.15 0.15-0.20 0.20

Provinciale 0.27 0.27-0.36 0.36

Comunale 0.45 0.45-0.60 0.60

Velocità vibrazionale ammissibile per strutture in pietra [mm/s]

Livello di tutela Vp [m/s]

< 2300 2300-2900 > 2900

Nazionale 0.20 0.20-0.25 0.25

Provinciale 0.36 0.36-0.45 0.45

Comunale 0.60 0.60-0.75 0.75

Pag. 36 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Incrocio della Linea Metro 6 e 8 a Pechino

• Criteri per i limiti (GERB, 2012 from GB/T 50452-2008)

– Muratura: 0.15 mm/s

– Pietra: 0.20 mm/s

– Legno: 0.18 mm/s

Pag. 37 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Linea 2 della Metro Chengdu

• Criteri per i limiti (Ma et al., 2011 from GB/T 50452-2008)

Pag. 38 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Selezione dei limiti per il Colosseo

• Aspetti rilevanti

– Effetti delle vibrazioni di lungo termine e breve termine sul monumento

– Nuova Linea C della metropolitana

• Scelta dei limiti vibrazionali

– DIN 4150-3 sono le linee guida più diffuse in questo settore e il loro

utilizzo è anche coperto dalla UNI 9916

– Anche le conclusioni relative alla protezione della cattedrale di Santo

Stefano (Vienna) sono interessanti, perché sono state elaborate per un

caso studio reale

– Anche le velocità ammissibili indicate dalla normativa cinese più recente

sono da considerare

• Criteri per i limiti vibrazionali per il più elevato livello di tutela (“Nazionale”)

• Sono disponibili recenti valori sperimentali di Vp per tufo, travertino e

muratura

Pag. 39 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Monitoraggio dinamico wireless del Colosseo

• Sensori

– No. 4 accelerometri PCB, serie 393B12, con sensitività 10 V/g

– Direzioni (configurazione corrente)

• No. 3 accelerometri in direzione radiale

• No. 1 accelerometri in direzione verticale

– Network è scalabile progettato per monitoraggio continuo

• In futuro possono essere aggiunti ulteriori punti di misura

– Montaggio non distruttivo

• Ogni componente può essere spostato senza procurare danneggiamento

estetico al monumento

Pag. 40 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Monitoraggio dinamico wireless del Colosseo

Pag. 41 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Monitoraggio dinamico wireless del Colosseo

• Trasmissione dei dati

– Wireless

– Network spaziale configurabile

• Acquisizione dei dati, immagazzinamento e accesso

– Parametri configurabili dall’utente per l’acquisizione dei dati

– Repositorio su Web (fino lo spazio disponibile)

• Dati vecchi possono essere trasferiti su archivi locali quando eccedono la

Massimo spazio disponibile sul repositorio su Web

– Accesso in locale (in situ) e in remoto (da Internet)

• Alimentazione

– 9-24 V (batterie)

– Ottimizzazione per bassi consumi

Pag. 42 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Monitoraggio dinamico wireless del Colosseo

Pag. 43 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Monitoraggio dinamico wireless del Colosseo

Rete di sensori

• Acquisizione wireless della risposta accelerometrica mediante una rete di n. 4 sensori installati sulla parete Nord

• I dati vengono archiviati su Dropbox

Conversione

• Le registrazioni sono convertite in un formato utile alle successive elaborazioni

• Sono identificati e gestiti i problemi della trasmissione wireless

Elaborazione

• Le registrazioni sono elaborate in ambiente MATLAB. Mediante integrazione si ottengono le velocità.

• Accelerazioni e velocità sono analizzate in riferimento alle soglie identificate

Pag. 44 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Letture velocimetriche

Pag. 45 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Probabilità di superamento

Pag. 46 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Distribuzione dei picchi giornalieri

Pag. 47 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Considerazioni conclusive

• Modellazione di edifici storici sotto vibrazioni ambientali

– Gli elementi strutturali sono tipicamente in condizioni di deterioramento

variabile; inoltre, cedimenti e spostamenti della struttura possono aver

ridistribuito carichi e tensioni su percorsi non noti

– I modelli meccanici per murature deteriorate da carichi ciclici dinamici

sono di incerta affidabilità

• Valutazione sperimentale tramite monitoraggio dinamico

– Il monitoraggio wireless offre vantaggi sostanziali negli edifici storici

• Affidabilità dei limiti vibrazionali

– I criteri utilizzati sono fortemente empirici

– Per stabilire un criterio, vanno prese in considerazione le caratteristiche

vibrazionali, l’importanza e la condizione di deterioramento del sito,

l’impatto culturale, sociale ed economico

– Un’impostazione probabilistica del problema sarebbe un passo in avanti

significativo.

Pag. 48 Il monitoraggio dinamico del Colosseo

Grazie per l’attenzione

Giorgio MONTI Gruppo di lavoro:

Fabio Fumagalli, Giuseppe Marano, Giuseppe Quaranta