Identificazione dinamica infrastrutture ed edifici. Quando applicarla?

Identificazione dinamica strutture. Come comporre il DNA delle infrastrutture ed edifici

Identificazione dinamica

L’identificazione dinamica di edifici e infrastrutture – quali torri, ponti, viadotti, passerelle – rappresenta uno dei principali campi di studio dell’ingegneria delle strutture civili. Essa include le tecniche che consentono di individuare la risposta dinamica della struttura stessa quindi i modi di vibrazione, le frequenze proprie e i coefficienti di smorzamento.

Essa assume una significativa importanza in quanto è applicata nei vari ambiti dell’analisi strutturale come nelle fasi di:

  • progettazione, quando diventa importante determinare la corrispondenza tra le ipotesi assunte nel modello di calcolo e il comportamento del costruito, in modo da poter rettificare il primo se si è in corso di modellazione, il secondo se si è in corso di costruzione;
  • collaudo, per verificare la conformità di quanto realizzato con quanto progettato;
  • esercizio, per misurare la variazione nel tempo delle caratteristiche dinamiche del moto, a seguito di eventi eccezionali o per decadimento delle caratteristiche meccaniche dei materiali.

Il comportamento dinamico di una struttura, infatti, è influenzato dalla gran parte dei fattori in grado di interferire con la buona conservazione dell’opera.

Esso risente non solo delle condizioni intrinseche proprie dell’organismo strutturale ma, in modo altrettanto significativo, anche della distribuzione dei carichi e della distribuzione degli elementi non strutturali. È il caso degli elementi molto rigidi, ma poco resistenti, come le tompagnature. La loro distribuzione altera significativamente la risposta dinamica della struttura al punto da poter anche migliorare un comportamento sismico non corretto.

Analogo caso è quello della variazione di masse applicate: esse si riflettono sulla risposta sismica del manufatto allo stesso modo di quanto avviene per rotture o indebolimenti di elementi strutturali che, invece, appartengono a caratteristiche proprie dell’organismo.

Quale è il campo in cui l’identificazione dinamica risulta fondamentale?

Il campo in cui l’identificazione dinamica assume la maggiore importanza è quello del comportamento sismico delle strutture. Quando però la capacità di resistere al sisma è affidata in ampia parte a caratteristiche di duttilità delle sezioni, come dovrebbe accadere in una struttura antisismica ben pensata, l’identificazione dinamica non ci aiuta a comprendere se nel tempo si modifichino tali caratteristiche.

Ciò avviene, per esempio, nel caso dei miglioramenti antisismici realizzati con l’impiego di materiali compositi. Questi mirano a incrementarne la duttilità degli elementi tramite il miglioramento del confinamento di sezioni e nodi e non alterano in maniera significative le rigidezze.

Ad oggi non esiste una tecnologia sviluppata per le ordinarie applicazioni di cantiere che possa misurare miglioramenti della duttilità di sezione o la buona messa in opera di interventi che su di essa agiscono. Le curve di miglioramento della duttilità, infatti, si potrebbero dedurre solo in laboratorio dai provini portati a rottura.

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Identificazione dinamica, cosa ci fa sapere di una struttura?

Identificare una struttura dal punto di vista dinamico equivale a comporre il suo DNA all’interno del quale è riportata ogni sua caratteristica intrinseca, come la sua forma in pianta o in elevazione, la tipologia e la resistenza degli elementi costruttivi, le caratteristiche del suolo a cui appartiene, fino alle masse non strutturali presenti, e alla disposizione degli elementi rigidi di completamento.

Tale DNA rimane immutato qualunque sia l’entità o il tipo di eccitazione applicata. Al contrario, ogni variazione delle caratteristiche strutturali, come danni o ripristini di elementi, così come ogni diversa distribuzione di masse o elementi rigidi non strutturali si traducono in una sua modifica.

Nel caso di realizzazione di strutture complesse, l’analisi per l’identificazione dinamica permette di tarare il modello di calcolo in modo da renderlo il più rappresentativo possibile della struttura reale. Si tratta di verificare la corrispondenza tra parametri modali del sistema (frequenze naturali, fattori di smorzamento e forme modali) del modello analitico, e i parametri dinamici dedotti dall’identificazione dinamica.

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Quali sono gli svantaggi e le difficoltà che si possono incontrare?

Le tecniche di identificazione dinamica possono condursi sia sulla base del metodo operativo: Analisi Modale Operazionale (OMA), sia sulla base del metodo sperimentale: Analisi Modale Sperimentale (EMA).

Il vantaggio dell’Analisi Modale Operazionale, condotta per l’identificazione dinamica, è dato dal poter determinare le proprietà dinamiche delle strutture anche nel caso di input incognito, come nel caso del rumore ambientale, e di svolgere prove economiche e veloci che possano realizzarsi anche durante l’ordinario esercizio della struttura. Lo svantaggio è che il dato può essere inficiato dalla presenza di un’eccitazione non casuale e che, mentre rimangono deducibili frequenze naturali, modi naturali e rapporti di smorzamento, non è possibile dedurre i fattori di partecipazione modale essendo l’input incognito.

L’Analisi Modale Sperimentale (EMA) consiste nella misura della risposta del sistema sottoposto all’azione di una fonte eccitante anch’essa nota. L’eccitazione della struttura può essere indotta tramite una vibrodina meccanica, o attraverso l’uso di massa che, rilasciata, impatta sulla struttura, o con eccitatori oleodinamici ed elettrodinamici.

Le difficoltà sono legate all’eccitazione di grosse strutture. Si procede applicando una forza pulsante in un punto e si misurano i valori della risposta, quali spostamento, velocità e accelerazione in un altro punto.

Si deduce così la legge di risposta del singolo punto all’input ricevuto che permette di identificare i parametri modali. Tale metodo viene anche detto del problema inverso”, in quanto, noto l’input e nota la risposta, si vuol dedurre il comportamento della struttura.

Ripetendo diverse misurazioni in punti diversi della struttura si deduce la matrice di risposta. Per quanto concerne gli algoritmi di identificazione, essi possono appartenere sia al dominio delle frequenze (matrici di equazioni algebriche) sia al dominio del tempo (matrici di equazioni differenziali).

È necessario però che la forzante venga controllata per evitare che la struttura si porti in campo plastico, contraddicendo così le ipotesi fondamentali dell’analisi sperimentale che consistono in:

  • linearità, per cui la risposta può essere interpretata come sovrapposizione degli effetti relativi a una particolare combinazione di ingressi;
  • stazionarietà, per la qual cosa la struttura non si modifica nel tempo conservando i medesimi coefficienti delle equazioni del moto;
  • misurabilità, il che comporta di non porsi sui nodi modali in cui l’osservabilità è nulla.

I risultati sperimentali dedotti dalle misurazioni racchiudono i vari scenari corrispondenti ai diversi meccanismi di sorgente. Disporre di questi dati, oltre a rendere noto il comportamento delle strutture, permette in fase di studio sia di adattare il modello teorico adottandone uno che abbia un comportamento maggiormente rispondente alla realtà, sia di applicare a quanto già modellato le accelerazioni corrispondenti alle condizioni maggiormente penalizzanti.

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