STRUMENTI E METODI PER IL MONITORAGGIO DELLE STRUTTURE E DEI FENOMENI Prof. Alberto Giussani

1. STRUMENTI E METODI PER IL MONITORAGGIO DELLE STRUTTURE E DEI FENOMENI Prof. Alberto Giussani

2. Sulle problematiche del monitoraggio sono coinvolti più o meno direttamente tutti i tecnici appartenenti ai settori scientifici disciplinari dell’area dell’ingegneria civile. Si sta assistendo ad una progressiva invasione da parte di ingegneri strutturisti, idraulici, geotecnici ecc., che sottraggono al settore scientifico disciplinare ICAR 06 l’originaria esclusiva di competenze. Nell’impostare un percorso formativo sulle tematiche dei controlli strutturali e per diversificarsi da altre iniziative è necessario fornire nozioni che lo caratterizzino scientificamente in modo completo.

3. Questo risultato lo si ottiene anteponendo alla parte applicativa dei controlli una preparazione di base su tematiche specifiche che riguardano: • le misure delle grandezze e la loro qualità metriche; • le motivazioni che giustificano gli interventi di monitoraggio; • le grandezze che si misurano; • le particolarità che caratterizzano e diversificano tra loro i • controlli.

4. La parte applicativa prende in considerazione e descrive le strumentazioni e le metodologie di controllo suddividendole nel seguente modo: La strumentazione classica, prevalentemente di origine topografica; La strumentazione in uso corrente automatica e non; La strumentazione di frontiera. Le strumentazioni vengono poi esaminate dal punto di vista metrologico per valutarne le prestazioni in termini di affidabilità e incertezza, quando sono inserite in diversi schemi operativi di misura.

5. Nella parte applicativa vengono trattati anche i sistemi di elaborazione delle misure e gestione dei risultati mediante post processamento dei dati o in tempo reale, in loco o in remoto. Alla parte teorica ed applicativa seguono innumerevoli esempi di lavori realmente eseguiti, che comprendono più o meno tutte le tematiche presenti nei monitoraggi. Nel corso è prevista una visita al laboratorio strumentale dove gli studenti prendono visione diretta dei principali strumenti e accessori di controllo e utilizzano i software di trattamento delle misure e di rappresentazione dei movimenti.

6. A queste attività si aggiungono alcune esercitazioni che riguardano la livellazione geometrica di alta precisione, l’uso di stazione totale motorizzata e l’uso delle strumentazioni GPS, laser scanning e radar interferometriche.

7. Esaminando in dettaglio il contenuto di un corso di monitoraggio nella parte preliminare gli argomenti da trattare sono: • Le misure delle grandezze e le loro qualità metriche: • la misura di una grandezza; • la variabilità delle misure; • la misura vera convenzionale; • gli errori di misura; • le stime e le loro incertezze; • la legge di propagazione della varianza.

8. Le motivazioni che giustificano gli interventi di monitoraggio su una struttura: • Verifica della rispondenza al progetto; • Verifica del suo stato di salute ovvero della sua sicurezza; • La sicurezza e il suo legame col deterioramento di una struttura; • Cause del deterioramento • Aggressione atmosferica - piogge ed acque acide – smottamenti, assestamenti subsidenza del terreno di fondazione – terremoti - variazioni di sollecitazione: quota invaso di una diga, neve sulle coperture, traffico, maree - azioni dell’uomo: inquinamenti di vario tipo, presenza di cantieri nelle vicinanze etc… • Gli effetti del deterioramento su una struttura • Variazioni delle caratteristiche dei materiali; • Variazione dello stato di sollecitazione; • Variazione della geometria

9. Le grandezze che si misurano: • Una struttura si dice sotto controllo quando si riesce a quantificare il fenomeno di deterioramento attraverso la misura di una grandezza ad esso collegata. • Misura dello stato di sollecitazione • Misura di movimenti e deformazioni

10. Misura di movimenti e deformazioni: • I movimenti possono essere: • Ciclici con periodo breve o brevissimo • - Oscillazioni • - Vibrazioni • Il movimento si quantifica con misure di tipo dinamico • Gli strumenti devono seguire con continuità il fenomeno durante la sua manifestazione, mediante un adeguato numero di acquisizione per unità di tempo

11. Ciclici con periodo lungo: • movimenti termici giornalieri o stagionali o movimenti conseguenti a fenomeni ciclici di altro tipo • A lenta evoluzione: • movimenti di vario tipo come quelli di cedimenti o di variazione d’inclinazione di elementi portanti di strutture, legati a movimenti del terreno di fondazione o a fenomeni di subsidenza o alle varie cause di deterioramento. • Si parla in questi due casi di controllo statico di strutture.

12. Controllo statico di strutture • Per quantificare i movimenti quasi statici, vanno innanzitutto chiariti alcuni argomenti di base che caratterizzano un sistema di controllo: • quando, perché e dove effettuare un controllo; • la periodicità del controllo; • le precisioni richieste.

13. Il controllo di una struttura, quando e perché: • durante la sua realizzazione; • durante la sua esistenza; • durante eventuali interventi di restauro; • per la verifica della rispondenza al progetto; • per la verifica della sua efficienza e della sicurezza; • per lo studio del suo comportamento strutturale e la ricerca delle sue criticità (rilievi).

14. Il controllo di una struttura, dove: • Di una struttura si controllano solitamente solo alcune parti significative che: • sono ritenute le più critiche; • sono soggette a maggior movimento; • sono interessate da lavori di restauro; • Nelle parti scelte il controllo si estende generalmente solo ad alcuni punti. • I punti vanno materializzati con capisaldi di diverso tipo di cui sono descritte le particolarità e visibili alcuni campioni.

15. Il controllo di una struttura, periodicità: La periodicità delle misure dipende dal rischio derivante dalla presenza della struttura sul territorio, dal suo stato, dalla sua tipologia (età, forma e materiali) e dall’entità e rapidità dei movimenti che la coinvolgono. Le singolarità di ogni struttura e dei contesti in cui sorgono rendono impossibile l’applicazione di standard per la periodicità, salvo alcune norme di carattere generale. Per la definizione della periodicità alcuni suggerimenti o norme generali riguardano le strutture durante la loro costruzione e, una volta costruite, la loro sicurezza e le fasi eventuali di restauro.

16. S S S t t t • Il controllo di una struttura, periodicità: • Fase di costruzione: la periodicità coincide in genere con i momenti più significativi della realizzazione dell’opera; • Conservazione: la periodicità più o meno frequente a seconda dei movimenti prevedibili e dopo eventi eccezionali (attenzione ai cicli)

17. Il controllo di una struttura, periodicità: • Sicurezza: periodicità più o meno frequente ed al limite misure in continuo nel caso di serio pericolo. • Restauro: prima e dopo le fasi salienti del restauro. Per garantire maggiore sicurezza la periodicità diventa necessariamente più frequente. • Studio:l’analisi del comportamento di strutture sottoposte a particolari condizioni di carico richiede l’esecuzione di controlli in corrispondenza del loro manifestarsi.

18. S S S t t t Il controllo di una struttura, precisioni: I movimenti ricavati mediante l’uso di un strumento e di una metodologia operativa devono avere una incertezza più piccola dei movimenti in atto.

19. La determinazione dei movimenti avviene rispetto ad un punto di riferimento (caposaldo) che può essere: • esterno alla struttura • movimenti assoluti • appartenente alla struttura in posizione reciproca non • prossima • movimenti relativi • appartenente alla struttura in posizione reciproca prossima • deformazioni

20. Strumenti e Metodologie per le misure di spostamenti assoluti, relativi, deformazioni e rotazioni Misure di variazioni di lunghezza Misure di spostamenti trasversali rispetto ad una direzione di riferimento (punto controllo – punto riferimento) Misure di variazioni di quota Misure di variazioni di coordinate

21. Spostamenti assoluti Strumenti con ampio campo di utilizzazione e massima indipendenza dai fattori ambientali: Distanziometri, Basimetri; Misuratori di variazioni trasversali (collimatori, livelle nadirali, fili a piombo rovesci); Livelli per livellazione geometrica di alta precisione, livellazione idrostatica; Stazioni totali.

22. Spostamenti relativi Strumenti con campo di utilizzazione più ristretto - maggiore precisione e facilità d’uso: Distanziometri, Variometri interferometrici, Basimetri, Nastri metallici, Estensimetri; Fili a piombo dritti o rovesci, Collimatori; Livelli per livellazione geometrica di alta precisione, livellazione idrostatica; Stazioni totali.

23. Deformazioni e Rotazioni Strumenti con alta sensibilità: Deformometri, Estensimetri Rotazione di segmenti che si trovano su superfici libere Clinometri orizzontali e verticali, Livelle Rotazione e deformazione di segmenti interni alla struttura Inclinometri a tubo

24. Metodi speciali Metodo fotogrammetrico mediante l’utilizzo di camere fotografiche semimetriche digitali o analogiche. Metodo variometrico mediante il confronto di immagini rilevate in tempi successivi. Utilizzo del Sistema Laser Scanning. Utilizzo di Strumentazione Radar Interferometrica Terrestre.

25. Strumenti e metodi di controllo più in uso Gruppo di strumenti e metodi semplici di uso veloce ed adatti a controlli frequenti: Clinometri, Fili a Piombo dritti o rovesci, Collimatori, Estensimetri, Deformometri, Livelli Idrostatici, Stazioni totali motorizzate. Pregi e difetti: gli strumenti e i metodi possono essere automatizzati con trasmissione dei dati a distanza, ma consentonosolo misure differenziali

26. Strumenti e metodi di controllo più in uso Gruppo di strumenti e metodi più complessi adatti per controlli meno frequenti Stazione totale da utilizzare in Reti Topografiche con determinazione del vettore spostamento nelle tre componenti; Livello in reti di Livellazione geometrica di alta precisione. Pregi e difetti: le informazioni sui movimenti sono più complete ma l’automazione risulta più difficile se non impossibile.

27. Soluzione ottimale per il controllo • Misura diretta degli spostamenti da postazioni lontane ed in qualsiasi direzione; • Unico riferimento; • Precisioni elevate; • Alta affidabilità • Eventuale automazione delle misure e dell’elaborazione dei dati – si apre un discorso più amplio che implica altre competenze; • Confronto immediato con il modello di comportamento strutturale del manufatto