Identificazione dinamica

IDENTIFICAZIONE DINAMICA

I recenti eventi alluvionali e sismici che hanno caratterizzato il nostro Paese negli ultimi anni hanno dimostrato l’esigenza di un corretto ed adeguato monitoraggio strutturale delle opere d’arte stradali. Una diagnosi strutturale tempestiva permette valutazioni di sicurezza attendibili che risultano fondamentali soprattutto nelle fasi post-evento eccezionale quali sisma, alluvioni...

Il monitoraggio ed il controllo delle strutture richiedono l’esecuzione di prove sperimentali sufficientemente complete e accurate, capaci di rilevare il comportamento meccanico delle strutture e nello stesso tempo non interferiscano con il normale esercizio della rete stradale, permettendo così di sorvegliare nel tempo le strutture senza penalizzare la funzionalità e l’efficienza dell’opera.
In questo contesto le prove di tipo dinamico, associate a tecniche di identificazione strutturale, possono svolgere un ruolo di fondamentale importanza, permettendo di ottenere un numero di informazioni notevolmente più grande rispetto alle classiche prove di tipo statico e quindi di rilevare quei comportamenti che indicano l’insorgere di possibili fenomeni di danneggiamento o di risposte strutturali diverse da quelle teoriche attese.
Questa tipologia di prove, ripetuta nel tempo, permette la realizzazione di un vero e proprio controllo dello “stato di salute” delle strutture nel tempo e quindi di programmare gli interventi di manutenzione.

I risultati di una corretta sperimentazione e identificazione dinamica rappresentano la base di riferimento per costruire modelli numerici in grado di riprodurre le risposte sperimentali misurate. In generale i risultati ottenuti dal modello teorico di una struttura non rispecchiano il comportamento reale della stessa, sia per la difficoltà di simulare le reali leggi di comportamento dei materiali e le condizioni al contorno sia per le modificazioni che intervengono in fase di realizzazione e durante la vita della struttura.
Se si è in possesso di informazioni sul comportamento reale della struttura, allora il modello teorico può essere corretto in modo da ridurre le differenze tra la struttura stessa e il modello. Queste correzioni vengono eseguite con tecniche dette di “Model Updating” (figura).
Un modello teorico corretto sulla base dei risultati sperimentali può essere utilizzato per l’individuazione di fenomeni di danneggiamento strutturale o di deterioramento delle caratteristiche meccaniche dei materiali attraverso l’analisi delle correzioni introdotte sul modello originario. Tale modello può inoltre diventare un valido strumento di progettazione qualora si voglia analizzare l’effetto di modifiche strutturali o variazioni delle azioni sollecitanti.

Le informazioni necessarie possono essere desunte da prove sperimentali di tipo statico o dinamico. Quelle statiche permettono di ottenere informazioni sulla struttura in modo diretto ma spesso insufficienti per correggere il modello numerico. Per contro le prove dinamiche sono in grado di fornire un numero di informazioni molto più elevato, ma richiedono un lavoro di analisi a posteriori impegnativo e l’impiego di tecniche avanzate di Identificazione Strutturale.

Le figure seguenti rappresentano in modo schematico gli approcci alla modellazione strutturale con l’ausilio di sperimentazione statica e dinamica.
L’identificazione delle caratteristiche fisico - meccaniche dei sistemi strutturali consiste nella risoluzione di un problema inverso rispetto a quello che si affronta nella progettazione:
nota la risposta strutturale e le azioni a cui è soggetta la struttura si determinano le caratteristiche meccaniche della struttura stessa.
Le azioni agenti sulla struttura possono essere completamente note oppure definite statisticamente. La determinazione delle proprietà meccaniche delle strutture si avvale di differenti metodologie di indagini che possono essere di tipo locale o globale.

Identificazione dinamica
Le modalità di esecuzione delle prove sperimentali e le metodologie di analisi delle misure devono essere definite in funzione del tipo di struttura in esame e delle caratteristiche da determinare.

Il meccanismo di eccitazione è costituito da un sistema che provvede a mettere la struttura in movimento applicando una forza o un sistema di forze F(t) in punti stabiliti. Esistono diversi modi di applicare queste forze; l’eccitazione attraverso sistemi di tipo meccanico (es. vibrodina) comporta il vantaggio di poter imporre, misurare e controllare il moto della struttura ma anche il grande svantaggio di necessitare di un collegamento rigido con la struttura (impedendo quindi l’utilizzo della stessa ).

Un altro modo per eccitare la struttura è quello di sfruttare l’eccitazione ambientale quale il vento per le strutture snelle, o li passaggio di automezzi per le infrastrutture stradali. Questo tipo di eccitazione ha il vantaggio di non richiedere l’interruzione dell’esercizio dell’opera.

La strumentazione di misura è essenzialmente costituita da trasduttori sia per misurare la forza di eccitazione sia per misurare le accelerazioni, le velocità o gli spostamenti della struttura e da un sistema di acquisizione.

Prendendo ad esempio un viadotto stradale e assumendo che il transito dei veicoli costituisca un sistema di azioni in grado di eccitare tutto il campo delle possibili frequenze della struttura, le caratteristiche dinamiche della struttura (frequenze proprie, smorzamenti e deformate modali) possono essere determinate analizzando la risposta strutturale (accelerazioni rilevate sulla struttura) mediante tecniche di analisi e trattamento numerico dei segnali digitalizzati, senza conoscere in modo dettagliato l’azione eccitante.

Le misure dinamiche in condizioni di esercizio, a cui si fa riferimento in questo tipo di indagine, consentono di ottenere un numero rilevante di informazioni.
I parametri meccanici stimati con questa metodologia permettono di:
- determinare le proprietà elastiche della struttura (nota la geometria dl sistema e quindi la massa)
- identificare la struttura con un modello teorico, convalidato mediante confronto con i risultati sperimentali
- valutare l’effettivo comportamento dei vincoli e il loro grado di efficienza
- individuare eventuali dissimmetrie di comportamento, sintomo di possibili danneggiamenti locali