ITVI20100227A1 - Dispositivo per l'energizzazione a impulsi di strutture architettoniche - Google Patents

Description

DISPOSITIVO PER L’ENERGIZZAZIONE A IMPULSI DI STRUTTURE

ARCHITETTONICHE

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La presente invenzione riguarda un dispositivo per l'energizzazione ad impulsi di strutture architettoniche.

In particolare, l'invenzione si inserisce nel campo delle verifiche sismiche delle strutture architettoniche e, più precisamente, riguarda un dispositivo per l’energizzazione a impulsi che utilizza una cella di carico dinamico e uno strumento per l’eccitazione delle strutture da verificare.

Più dettagliatamente, la presente invenzione si riferisce a un dispositivo che permette l’energizzazione e il successivo rilevamento dello spettro di frequenza di una struttura esistente e funzionante, senza la necessità di evacuare la struttura stessa, o di bloccare temporaneamente le attività previste in essa.

Con il termine “energizzare†si intende la sollecitazione della struttura da verificare, tramite un urto istantaneo provocato da uno strumento, che per comodità di seguito sarà chiamato “energizzatore†. Più in generale, l’energizzazione consiste nella propagazione di onde sismiche da parte di una sorgente, ed à ̈ effettuata al fine di rilevare tali onde tramite ricevitori, in modo da effettuare la ricostruzione dell'immagine della struttura sollecitata, mediante l'impiego dei tempi di percorso delle onde sismiche che si propagano attraverso una data sezione.

In relazione alla verifica sismica di strutture, finalizzata agli adempimenti necessari per l’adeguamento sismico, le normative di riferimento sono: l’Ordinanza n. 3274 del 20.03.2003 del Presidente del Consiglio dei Ministri, dal titolo: "Primi elementi in materia di criteri generali per la classificazione sismica del territorio nazionale e di normative tecniche per le costruzioni in zona sismica", pubblicato nel Supplemento Ordinario n. 72 della Gazzetta Ufficiale n. 105 del 8.05.2003, e le Norme Tecniche per le Costruzioni 2008 (NTC 2008 - DM 14/01/2008). Nell'Ordinanza, nelle sue successive modifiche e nelle connesse NTC si richiede la conoscenza della vulnerabilità sismica di tali strutture.

In particolare, oltre alle previste e necessarie prove sui materiali, Ã ̈ necessario conoscere la risposta sismica delle strutture in relazione alle forzanti attese nel sito di costruzione. Le NTC forniscono, salvo casi specifici nei quali le caratteristiche dei terreni richiedano ulteriori accertamenti sperimentali, note le coordinate geografiche ed escluse eccezioni ed effetti di sito relativi alla conformazione locale del terreno, i parametri di calcolo per conoscere tali forzanti.

Una volta definiti tali parametri, à ̈ necessario, all’interno di un piano di manutenzione programmata di una struttura, verificare periodicamente la risposta dinamica della struttura alle sollecitazioni sismiche. Tramite queste verifiche à ̈ possibile diagnosticare il livello di inevitabile degrado in cui incorre qualsiasi edificio o opera civile nel tempo, e di intervenire in tempo per ripristinare la stabilità e l’elasticità della struttura necessarie per evitare danni irreversibili o addirittura un crollo della struttura architettonica.

Per diagnosticare precisamente tale livello di degrado, quindi, à ̈ necessario rilevare, con una precisione dell’ordine di un centesimo di Hertz, la variazione dei tempi di percorso delle onde sismiche attraverso la struttura in diverse sezioni, in modo da individuare eventuale degrado dei materiali, o modificazione dei vincoli tra le parti della struttura.

Per qualunque struttura à ̈ sempre possibile rilevare con metodi geofisici (ad es. rilievo dei microtremori dovuti a movimenti tettonici) la frequenza di risonanza del terreno sul quale à ̈ costruita, lo spettro di accelerazione al suolo e stimare la sua frequenza naturale; rilevati questi parametri, à ̈ facile , assieme ai parametri caratterizzanti i modi di vibrare della struttura, costruire un modello di calcolo ad elementi finiti (e/o perfezionare o validarne uno già esistente). Mentre per i terreni à ̈ possibile rilevare delle misure tomografiche affidabili, la stima della frequenza di risonanza delle strutture architettoniche attraverso i microtremori non ha il grado di precisione richiesto per una corretta valutazione.

Un metodo alternativo, di confronto tra valori teorici e valori sperimentali nelle strutture dove può essere difficoltosa l'esecuzione di una prova sperimentale in campo statico, à ̈ la caratterizzazione dinamica.

Le prove di caratterizzazione dinamica oggi sono considerate tra le tecniche di indagine più complete ed efficaci per la comprensione degli aspetti che caratterizzano il comportamento della struttura nella sua vita o in caso di un sisma. Questo vale soprattutto per quanto riguarda le grandi strutture, quali importanti fabbricati, ponti e viadotti. Nel caso poi di strutture esistenti, le prove dinamiche sono lo strumento in grado di identificare al meglio il reale comportamento nei confronti delle sollecitazioni dinamiche imposte da forzanti antropiche e/o naturali. In particolare, per caratterizzare dinamicamente una struttura à ̈ necessario energizzarla mediante una forzante dinamica che solleciti almeno i suoi modi di vibrare principali e misurarne, attraverso opportuni algoritmi, la risposta dinamica.

Per la rilevazione della risposta dinamica della struttura à ̈ possibile utilizzare strumenti noti, quali celle di carico dinamiche, che devono ricevere la sollecitazione distribuita uniformemente sulla superficie ricevente. Questo significa che, in caso di urto, esso deve essere provocato da un colpo assolutamente preciso nella zona centrale dello strumento, e in assenza di interferenze.

Ciò à ̈ impossibile quando si utilizzano per l’energizzazione mazze o martelli, azionati da un operatore, che per quanto addestrato e allenato per tale tipo di lavoro, non à ̈ in grado di garantire la precisione richiesta nel colpire lo strumento.

Naturalmente quanto più una struttura à ̈ complessa, cioà ̈ composta da sottostrutture (solai, travi, pilastri, muri perimetrali e di spina), tanto più à ̈ complessa la sua energizzazione; al contrario per strutture semplici quali ponti, campanili, torri piezometriche (quindi strutture con condizioni di vincolo semplici e identificabili) l’operazione à ̈ più semplice.

Focalizzando la nostra attenzione su queste ultime, le soluzioni note, fino ad oggi utilizzate per energizzarle sono rispettivamente:

†rumore ambientale, ovvero le vibrazioni naturali generate da forzanti casuali quali traffico, vento forzanti esterne alla struttura;

†forzanti esterne non casuali quali il traffico di mezzi fatti transitare apposta, con una sbandata o frenata, in modo da eccitare le frequenze nel piano orizzontale o verticale;

†fusibili meccanici;

†vibrodina a masse eccentriche;

†shaker elettrodinamico;

†martello strumentato.

Tra questi sei metodi, il primo presenta l’inconveniente di non avere l’energia necessaria per eccitare adeguatamente la struttura, sia in ampiezza che nei vari modi di vibrare.

Il secondo metodo ha lo svantaggio di non consentire le elevate precisioni necessarie per una caratterizzazione dinamica ottimale. Non à ̈ possibile, infatti, riprodurre la stessa sollecitazione a meno di errori dell’ordine di una percentuale fino al 20%, inammissibili per il tipo di verifica necessario.

Il terzo metodo à ̈ svantaggiosamente inapplicabile su molte strutture quali ponti o strutture in elevazione. Anche quando applicabile a tali strutture, esso non consente che qualche indagine al giorno, a causa dell’eccessiva laboriosità di montaggio/smontaggio dell’attrezzatura.

Il quarto e il quinto metodo sono ottimali, ma di complessa, lunga e costosa utilizzazione. Infatti, per ottenere la precisione richiesta, à ̈ necessario fermare il traffico e/o evacuare la struttura, praticare dei fori molto profondi nella struttura per fissare gli strumenti ad essa, effettuare l’energizzazione e prendere le misure, infine smontare gli strumenti e provvedere a ripristinare la normale attività prevista, precedentemente interrotta.

Il sesto metodo, consiste in un martello dotato di uno strumento di rilevazione delle onde propagate nella struttura. Esso deve essere azionato direttamente da un operatore, che deve colpire la struttura alla velocità più alta possibile. Naturalmente, più alto à ̈ il peso dello strumento, più efficace à ̈ l’urto di energizzazione. D’altro canto, un peso elevato à ̈ difficile da muovere ed à ̈ anche pericoloso per l’operatore stesso. Per questi motivi, quindi, non esistono martelli strumentati che pesino più di 5-7Kg. Questo metodo, quindi, anche se ottimale, à ̈ svantaggiosamente impiegabile solo su strutture leggere, in grado di essere sollecitate dalle deboli forze di un martello pesante al massimo qualche chilo.

Dall’analisi dei punti di forza e di debolezza dei metodi sopra indicati, à ̈ evidente la necessità di sviluppare uno strumento in grado di riunire i vantaggi e annullare gli svantaggi tipici dei metodi noti.

In questo quadro generale di ricerca dell’ottenimento delle caratteristiche tecniche migliori per la realizzazione di una verifica sismica ottimale, si inserisce la presente invenzione, volta a raggiungere caratteristiche di efficienza e di affidabilità in dispositivo per l’energizzazione, la cui struttura presenta, in tal modo, vantaggi tecnici e funzionali. Pertanto, scopo della presente invenzione à ̈ quello di proporre un dispositivo per l’energizzazione, in grado di applicare una forzante impulsiva di svariate migliaia di chili e di misurane la risposta sismica della struttura a cui à ̈ applicato, tramite una cella di carico dinamica.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un nuovo dispositivo per l’energizzazione atto ad effettuare l’analisi dinamica mediante la Funzione di Risposta in Frequenza (FRF).

Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un metodo di verifica sismica di costruzioni che impiega un dispositivo per l’energizzazione impulsiva, più affidabile ed economico rispetto a quelli che utilizzano strumenti della tecnica nota.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un dispositivo per l’energizzazione che sia facilmente trasportabile.

Ancora, scopo della presente invenzione à ̈ quello di individuare un dispositivo per l’energizzazione che sia utilizzabile anche durante lo svolgimento delle normali attività previste su/nella struttura da verificare.

Infine, scopo della presente invenzione à ̈ quello di ideare un dispositivo per l’energizzazione che permetta in poco tempo di ripetere la prova sull’intera struttura, permettendone la ripetibilità necessaria ad una precisa diagnostica del degrado delle strutture. Forma pertanto oggetto della presente invenzione un dispositivo per l'energizzazione ad impulsi di strutture architettoniche, secondo la rivendicazione 1 allegata.

Ulteriori caratteristiche tecniche di dettaglio sono incluse nelle rivendicazioni dipendenti successive.

Vantaggiosamente, il dispositivo secondo la presente invenzione permette di utilizzare in maniera intelligente gli strumenti esistenti, annullando tutti gli inconvenienti dovuti al loro impiego.

Un altro vantaggio della presente invenzione à ̈ la possibilità di effettuare una verifica precisa delle strutture architettoniche che la necessitano, arrecando minime interferenze nei confronti delle attività che abitualmente si svolgono all’interno o sulle strutture stesse.

Inoltre, la facile ripetibilità della prova rende il dispositivo oggetto dell’invenzione utile a controlli sistematici nel tempo.

Infine, l’impedimento di movimenti incontrollati da parte dell’energizzatore utilizzato aumenta la precisione delle misure e la sicurezza nel sito di verifica.

La presente invenzione verrà ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo una sua forma di realizzazione, con particolare riferimento alle figure allegate, in cui si mostra schematicamente il funzionamento del dispositivo secondo l’invenzione ed ove, in particolare:

- la figura 1 à ̈ una vista schematica tridimensionale del dispositivo secondo l’invenzione;

- la figura 2 à ̈ una sezione schematica longitudinale del dispositivo di figura 1, su cui à ̈ applicato una prima variante di energizzatore;

- la figura 3 Ã ̈ un dettaglio della sezione di figura 2, secondo la presente invenzione;

- la figura 4 à ̈ una vista d’insieme del dispositivo di figura 1, a cui à ̈ applicato l’energizzatore mostrato in figura 2, secondo l’invenzione.

In riferimento alle figure 1 e 2, il dispositivo 1 secondo l’invenzione comprende una prima piastra 2 di base e una seconda piastra 3 di base, tra cui à ̈ presente una cella di carico 4. Sulla prima piastra di base 2 sono montati quattro elementi guida 5, collegati, alla loro sommità, da una terza piastra 6 di fine corsa. La seconda piastra di base 3 presenta fori 7, per essere libera di scorrere lungo gli elementi guida 5. Gli elementi guida 5 sono realizzati in materiale plastico, in modo da evitare vantaggiosamente di falsare i dati di forza misurati dalla cella.

Al di sopra della seconda piastra 3 à ̈ presente un energizzatore 8, in particolare un esploditore, libero di scorrere lungo gli elementi guida 5. Al di sopra dell’energizzatore 8 à ̈ presente una piastra circolare 9, fissata con perni a vite. Gli esploditori noti, del tipo mostrato nei disegni allegati, hanno l’inconveniente di presentare due perni di fermo dell’innesco esplosivo, che si piegano con facilità; vantaggiosamente, il fissaggio con i perni a vite à ̈ in grado di sopperire a tale difetto.

Il dispositivo 1 viene posto in contrasto ad una massa appoggiata al suolo, per sollecitare strutture anche con forzanti orizzontali (case, pile di ponti ecc..) In riferimento alla figura 3, all’interno dei fori 7 della seconda piastra di base sono presenti mezzi di centraggio 9 per gli elementi di guida 5. Preferibilmente, tali mezzi di centraggio 9 sono realizzati in teflon o nylon. La prima e la seconda piastra 2, 3 sono separate da distanziali 10 aventi un’altezza inferiore rispetto all’altezza della cella 4, alla quale cella 4 à ̈ vincolata la seconda piastra di base 3 tramite mezzi d’aggancio 11 che li rendono solidali nei movimenti lungo gli elementi di guida 5. Convenientemente, la superficie inferiore della prima piastra 2 e la superficie superiore della seconda piastra 3 sono rivestiti con un materiale 12 di rivestimento, ad esempio gomma o neoprene, preferibilmente ad alta densità, atto ad assorbire l’urto e le conseguenti vibrazioni causate dall’energizzatore 8, e alla distribuzione uniforme e graduale di tali vibrazioni sulla cella di carico 4 e sulla struttura da verificare (non mostrata).

Vantaggiosamente, quando l’energizzatore 8 viene azionato, esso provoca un urto contro la seconda piastra di base 3, che trasmette le vibrazioni alla cella di carico 4. In seguito all’urto, l’energizzatore 8 à ̈ libero di scorrere lungo gli elementi di guida 5. Data l’energia liberata, gli elementi di guida 5 impediscono vantaggiosamente movimenti incontrollati dell’energizzatore 8, che altrimenti potrebbe anche pericolosamente colpire gli operatori addetti alla misurazione o passanti in transito nell’area di lavoro. In questo modo, invece, à ̈ possibile effettuare le operazioni senza dover evacuare la struttura.

In particolare, nella verifica di un ponte autostradale, à ̈ possibile posizionare il dispositivo in corsia d’emergenza ed effettuare le operazioni di misura in pochi minuti per sezione.

Date le minime dimensioni della cella di carico 4 rispetto all’energizzatore 8 necessario, inoltre, gli elementi di guida 5 permettono un corretto posizionamento dell’energizzatore rispetto alla cella 4, in modo che le vibrazioni siano rilevate in maniera ottimale. Preferibilmente, sulla terza piastra 6 sono previsti mezzi di blocco (non mostrati), per bloccare l’energizzatore 8 in seguito all’urto e al conseguente rimbalzo verso la terza piastra 6 stessa. In questo modo, l’energizzatore resta bloccato in alto e non può cadere nuovamente sulla seconda piastra di base 3, provocando un secondo urto. Per quanto le vibrazioni provocate da tale secondo urto provocherebbero comunque un errore trascurabile rispetto a quelli rilevati tramite i dispositivi noti, tali mezzi di blocco permettono di rilevare un segnale più pulito.

In una variante di questa forma di realizzazione, l’energizzatore consiste in una sfera, o in un oggetto di altra forma, atta a scorrere lungo gli elementi di guida 5, realizzato in un materiale avente un alto peso specifico. L’energizzatore nella sua posizione di riposo à ̈ fissato alla sommità degli elementi di guida 5, in corrispondenza della superficie inferiore della terza piastra 6. Al momento della sua attivazione, viene lasciato cadere liberamente, il suo movimento essendo controllato precisamente dagli elementi di guida 5. Una volta avvenuto l’urto, le cui onde vengono rilevate analogamente alla variante precedentemente descritta, l’energizzatore rimbalza e resta vincolato ai mezzi di blocco, in modo da non provocare interferenze al segnale rilevato.

In una seconda forma di realizzazione preferita, non mostrata, la struttura à ̈ montata orizzontalmente, su una lamiera. Tale lamiera presenta sulla superficie di contatto alla struttura un rivestimento in un materiale atto ad assorbire l’urto e a trasferirlo gradualmente alla struttura, come ad esempio gomma o neoprene; sulla superficie opposta, invece, presenta degli elementi di fine corsa che impediscano, all’azionamento dell’energizzatore, il movimento orizzontale del dispositivo, dovuto all’onda d’urto.

In quel che precede sono state descritte le preferite forme di realizzazione e sono state suggerite delle varianti della presente invenzione, ma à ̈ da intendersi che gli esperti del ramo potranno apportare modificazioni e cambiamenti senza con ciò uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1) Dispositivo (1) per l'energizzazione ad impulsi di strutture architettoniche, che utilizza una cella di carico (4) dinamica e uno strumento (8) per l’eccitazione di dette strutture architettoniche, caratterizzato dal fatto di comprendere uno o più elementi lineari di guida e trattenimento (5), almeno una prima piastra (3) libera di scorrere lungo detti uno o più elementi lineari di guida e trattenimento (5), ed almeno una seconda piastra (6) solidale a detti elementi lineari di guida e trattenimento (5) nelle estremità opposte a detta prima (3) piastra, detta cella di carico (4) dinamica essendo solidale sostanzialmente al centro di una superficie di detta prima piastra (3), e detto strumento (8) per l’eccitazione di dette strutture architettoniche essendo posizionato fra dette prima (3) e seconda (6) piastra, libero di muoversi lungo detti uno o più elementi lineari di guida e trattenimento (5).
2. 2) Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di prevedere ulteriormente una terza piastra (2), o piastra d’appoggio, solidale alle estremità di detti uno o più elementi lineari di guida e trattenimento (5) opposte a detta seconda piastra (6), detta cella di carico (4) dinamica essendo posizionata fra dette terza (2) e prima (3) piastra.
3. 3) Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che su detta seconda piastra (6) sono presenti mezzi di blocco, atti a bloccare detto strumento (8) per l’eccitazione di dette strutture a seguito di un urto contro detta prima piastra (3).
4. 4) Dispositivo (1) secondo una delle rivendicazioni 2-3, caratterizzato dal fatto di essere orientato verticalmente, detta terza piastra (2) essendo a contatto con detta struttura architettonica.
5. 5) Dispositivo (1) secondo una delle rivendicazioni 1-3, caratterizzato dal fatto di essere orientato orizzontalmente, essendo prevista una quarta piastra, parallela a detti uno o più elementi lineari di guida e trattenimento (5), detta quarta piastra essendo a contatto con detta struttura architettonica, e presentando elementi di fine corsa atti ad impedire movimenti orizzontali di detto dispositivo (1) a seguito di un urto causato da detto strumento (8) per l’eccitazione di dette strutture.
6. 6) Dispositivo (1) secondo una delle rivendicazioni 1-5, caratterizzato dal fatto che detta prima piastra (3) presenta, sulla superficie opposta a detta cella di carico (4) dinamica, un rivestimento (12) in un materiale atto ad assorbire gli urti e a trasferirne gradualmente le onde a detta cella di carico (4) dinamica, come ad esempio gomma o neoprene.
7. 7) Dispositivo (1) secondo una delle rivendicazioni 1-6, caratterizzato dal fatto che la superficie di contatto di detta terza (2) o quarta piastra con detta struttura architettonica presenta un rivestimento (12) in un materiale atto ad assorbire gli urti e a trasferirne gradualmente le onde a detta struttura architettonica, come ad esempio gomma o neoprene.
8. 8) Dispositivo (1) secondo una delle rivendicazioni 1-7, caratterizzato dal fatto che detto strumento (8) per l’eccitazione di dette strutture à ̈ un esploditore, contenuto tra detti uno o più elementi lineari di guida e trattenimento (5).
9. 9) Dispositivo (1) secondo una delle rivendicazioni 1-7, caratterizzato dal fatto che detto strumento (8) per l’eccitazione di dette strutture à ̈ un elemento di forma idonea a scorrere lungo detti uno o più elementi lineari di guida e trattenimento (5) e sollecitare uniformemente detta cella di carico (4) dinamica.
10. 10) Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto strumento (8) Ã ̈ una sfera.