Lezione sulle vibrazioni da traffico sugli edifici

Introduzione al Problema• Eventi d’origine naturaleDeterioramento manufatti storici• Eventi d’origine antropica• Inquinamento atmosferico.Traffico veicolare• Inquinamento acustico.• Vibrazioni

Metodologia d’analisiConoscenza del fenomeno delle vibrazioni indotte daltraffico.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 inrelazione a prefissati criteri di accettabilità.

Conoscenza del fenomenoOrigineContatto ruota - strada• Velocità di transito• Irregolarità mantoManufatto architettonico• Vibrazione su struttura solida• Energia sonora• Massa veicoliVibrazioniPropagazioneTerreno• Onde superficiali (Raylegh, Love)• Onde interne (longitudinali, trasversali)Ricezione

Origine delle vibrazioniContatto ruota – manto stradaleMartellamento dei pneumatici sulla stradaCarico dinamico(Irregolarità del manto stradale, Massa eVelocità del veicolo).Frequenza carico dinamico = Frequenza fondamentale stradaVibrazioni

Propagazione delle vibrazioniIl veicolo – sorgente immette energia meccanica nel suolo questa sipropaga subendo, a causa della disomogeneità del terreno, fenomenid’attenuazione, di rifrazione e di riflessione.Conoscere i diversi modi di propagazione dell’energia per saperel’intensità con cui la perturbazione prodotta raggiungerà l’edificio.Moto Onde longitudinaletrasversaleRaylegh Love

Ricezione delle vibrazioniIl tipo di fondazione e le caratteristiche strutturali dell’edificioinfluenzano la formazione di sollecitazioni e deformazioni.Elemento strutturaleTraviFrequenze di risonanza5 – 50 HzEccitazione per via solidaSolai e tramezzi10 – 30 HzLe fondazioni di un edificiocreano una discontinuità nelFinestre10 – 100 Hzmezzo di propagazione conContro soffitti in gesso 10 – 20 Hz una conseguente riflessionedella perturbazione.Ogni elemento strutturale ha una propria frequenza di risonanza derivantedalle sue dimensioni fisiche e dalle sue caratteristiche meccaniche.

Tokita e OdaModelli matematiciLa = 20,8 Log σ + 17,2 Log v + 10 Log m + 14,8 (dB ref. 10 -6 mm/s 2 )Livello di di accelerazione (dB)(dB)65 57 6556605560545553 5550 5251 50455040 49 4500 0 51 20 2 10 340 15 4 60 205Massa (ton)Velocità Scabrosità (km/h) (mm)• σ• v• mè la scabrosità delmanto stradale (mm).è la velocità di transito(km/h).è la massa del veicolo(ton).

WattsPPV = 0,028 a (ν/ 48) tp (r/ 6)x [mm/s]•PPV•a•ν•t•p•r•xè il massimo valore di piccodella velocità.è la profondità dell’irregolaritàdel manto stradale (mm).è la velocità di transito(km/h).è una costante legata al tipodi terreno.è un indice legato all’irregolarità.è la distanza tra l’irregolarità el’edificio [m];è un parametro legato al tipo diterreno.PPV (mm/s)PPV (mm/s)0,16 0,15 0,060,120,04 0,10,080,04 0,05 0,0200 5 10 15Distanza 0irregolarità20 2 40-4manufatto60 80 6(m)Irregolarità Velocità (km/h) (mm)

Strumenti di misura e acquisizioneInput Accelerometro Amplificatore Analizzatore OutputZXYYXZ

Il Quadro Normativo• Criteri valutazionedisturbo• 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 meccanicotrasduttori (UNI 5348)

Norme relative al disturbo recato allepersoneLe vibrazioni possono costituire una fonte di disturbo per i soggettiesposti e ridurre il loro stato di benessere.UNI ISO 2631/2 9614Asse di riferimento Hz Valore a (m/s 2 dell’accelerazione )L di (dB)riferimentoAree critiche 5,0 * 10 -3 74Z 1 – 4 5,0 * 10 -3 m/s 2 + 3 dB per ottavaAbitazioni (notte) 7,0 * 10 -3 774 – 8 5,0 * 10Abitazioni (giorno) 10,0 * 10 -3 -3 m/s 280Uffici 8 – 80 20,0 5,0 * 10* -3 10 -3 m/s 2 + 6 dB per 86ottavaFabbriche X - Y 1 – 2 40,0 * 10 -3 3,6 * 10 -3 m/s 2 922 - 80 3,6 * 10 -3 m/s 2 + 6 dB per ottava

Norme concernenti gli effetti dellevibrazioni sugli edificiLe vibrazioni possono minare l’integrità strutturale e architettonica degliedifici.ISO UNI DIN 4866 4150/3 9916Categoria Tipi di strutture Velocità di vibrazione (mm/ s)*Velocità limite V l (mm/ s)Velocità limite V (mm/ s)V l< 2,5V l è= il √ valore (V 2 x + massimo V 2 y + V 2 z) della velocità di piccoDanniNessuno3 < V l< 5 Fessure visibili (>0,02mm) su tramezzi eintonaci1 Edifici commerciali,industriali e simili2,5 < V l< 6 Molto improbabili5 < V l< 30 Fessure su elementi principali e secondari6 < V l< 10 Improbabili2 Edifici residenziali esimiliV l> 10f

Tecniche di mitigazioneSorgentePercorsoRiceventeVeicoliStruttura stradaleManufatto edilizioSospensionispecificheManutenzioneIrrigidimentoMiglioramentosottofondoTrinceaIrrigidimentoSospensionielastiche

Interventi sui veicoliLa frequenza dominante e l’ampiezza delle vibrazioni trasmesse alterreno dipendono, prevalentemente, dal tipo di sospensioni delveicolo e dalle caratteristiche del sito in esame.AutobusSistema di sospensione “air –bag”Vibrazione(10 – 12,5 Hz)Camion Sistema di sospensione “steel multi – leaf “Vibrazionegamma ampiaPunto misura Autobus a 50 km/h Camion a 50 km/hIl livello Terreno di vibrazione trasmesso0,0517 agli edifici dal transito 0,0237 di veicoli puòessere ridotto modificando il loro sistema di sospensioni.Muro di fondazione 0,0190 0,0104I° piano, pavimento 0,0457 0,0228

L’intervento a protezione di VillaFarnesina a RomaPer proteggere Villa Farnesina a Roma dalle vibrazioni indotte dal trafficoè 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 ilcomportamento rigida, su cui poggia della struttura la pavimentazione, isolante, verifica e lal’efficacia fondazione dell’intervento stradaleancheadopo contatto 25 anni. con il terreno.

Interventi sugli edificiPer verificare l’efficacia di un sistema di rinforzo da applicare ad unmanufatto soggetto a sollecitazioni di tipo dinamico, sono statecondotte delle verifiche sperimentali su un prototipo di edificio cosìcome costruito e, successivamente, sullo stesso campione rinforzatocon lamine di materiale composito.Valore di accelerazione registrato sul modello sempliceValore di accelerazione registrato sul modello con rinforzoI risultati della sperimentazione mostrano un diminuzione dell’ampiezza delsegnale e una maggiore rigidezza della struttura, con la messa in opera dellefibre di rinforzo.

Origine VibrazioniAnalisi SitoVelocità di transitoMassa veicoliIrregolarità mantostradaleCaratteristiche traffico.Stato di conservazionedel manto stradale.PropagazionevibrazioniCaratteristichedel terrenoParametri fisici e geologici.RicezionevibrazioniCaratteristichestrutturali edificioConoscere l’operaanalizzata.

L’Acquedotto MediceoL’Acquedotto nacque nel vastoprogramma di opere intrapreseda Cosimo I.I lavori continuarono sottoFerdinando I, con un nuovoprogetto, attribuito al Buontalenti.Il lavoro finito presentava diversiproblemi; si rese necessaria lacostruzione di contrafforti.“Opera rimarchevole, ma avanzo d'altri tempi“. Il terreno in originepaludoso ha causato numerose lesioni a diverse arcate.

Analisi caratteristiche e tipologia trafficoMole trafficoMezzi a due ruote: 200 veicoli/oraAutoveicoli: 1000 veicoli/hMezzi pesanti: 30 veicoli/hVelocità trafficoPercentuale dei veicoli transitati alle diverse velocità9% 3%15%12%17%11 - 15 km/h16 - 20 km/h21 - 25 km/h26 - 30 km/h31 - 35 km/h36 - 40 km/h41 - 45 km/h24%20%

Analisi del sistema terreno - stradaLocalizzazione zona diinteresse.Sezione tipo.Rapporto zona ditransito – manufatto.

Analisi dello Stato di conservazioneDegradazioni PortanzaDegradazioni AderenzaSconfigurazioniviabilepiano

Caratteristiche fisiche e geologiche delterrenoL’area interessata è caratterizzata da depositi alluvionali argillosi, da torbepalustri e da depositi di colmata (Olocene).La velocità delle onde longitudinali si avvicina ai 2000 m/s.

Analisi ManufattoAnalisi Fase rilevamento stato diconservazioneIndagine storica• Storia Rilievo del metrico cantiere e dellefasi costruttiveavvenuteCromaticaAlterazioneLEGENDA• Storia Rilievo delle materico modificazioniEsfoliazione530438522CrostaDistaccopatologiciEfflorescenzaFratturazione oFessurazione• Storia dei suoi trascorsiMancanzaPatina biologica192pietraAggiuntaodierna sbozzataLegenda materiali592 188Marmo LegendaIntonacoLivello terrenoprimiMattonidel '900pieni0 2 mMancanzaodiernaErosioneVegetazioneInfestante

Il controllo delle vibrazioni• Misurare i valori di vibrazione• Criterio AssolutoConfronto dei valori rilevati con ilimiti fissati dalle diversenormative.• Criterio DifferenzialeConfronto del degrado di duemanufatti con le stessecaratteristiche strutturali e materialiposti in luoghi simili.

Analisi dei risultati: criterio assolutoSoglie limite, normative:• UNI 9916P.P.V. 3 mm/s• DIN 4150/ 3Vel. istantanea 2,5 mm/s• Normativa SvizzeraVel. istantanea 1,5 mm/sSoglie limite, letteratura:• Domenichini, Crispino eD’Apuzzo.P.P.V. 1 mm/sValori ottenuti:• Valore massimo dellivello di vibrazione dipicco:P.P.V. 1,1 mm/s• Valore massimo velocitàistantanea:Vel. istantanea 1,5 mm/s

Analisi dei risultati: criterio differenzialeArco n°162LegendaArco n°162 Arco n°173Zone colpite dalladisgregazione della malta02 mZone colpite dalladisgregazione della maltaArco n°173

Frequenze tipiche0,30Stazione APicco di velocità (mm/s)0,250,200,150,100,050,000 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Stazione BStazione CStazione DStazione FStazione GStazione HStazione IStazione MFrequenza (Hz)Le frequenze tipiche del massimo valore della velocità di vibrazione,indotta dal traffico veicolare, sono comprese nell’intervallo difrequenza di 10 – 20 Hz.

Numero veicoli/ora – velocità media divibrazioneVelocità di vibrazione media(mm/s)0,050,040,030,020,010,00y = 1E-05x + 0,00620 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600N veicoli /oraIl livello di vibrazione aumenta con l’incremento delnumero di veicoli transitati sotto l’arco; la relazioneindividuata è soddisfacente.

Rapporto terreno – struttura6,00E-05Velocità media a Terra (m/s)5,00E-054,00E-053,00E-052,00E-051,00E-05y = 1,0356x + 3E-070,00E+000,00E+00 1,00E-05 2,00E-05 3,00E-05 4,00E-05 5,00E-05 6,00E-05Velocità media 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 stimatiStrada passante sottol’arcoStrada distante alcunimetri dall’arcoValore PPV stimato (mm/s)0,50,40,30,20,10,00,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5Valore PPV misurato (mm/s)Applicazioneformula diWattsApplicazioneformula diTokita e OdaValore PPV stimato (mm/s)0,200,150,100,050,000,00 0,05 0,10 0,15 0,20Valore PPV misurato (mm/s)Applicazioneformula diWattsApplicazioneformulaTokita - Oda

La mappatura nell’interpretazione dellevibrazioni• Reticolo di misura• Rappresentazionelivelli di accelerazione