Le vibrazioni da traffico e i possibili danni indotti Le vibrazioni da traffico e i possibili danni indotti agli edifici storico agli edifici storico -- monumentalimonumentali

Corso di Acustica_8 Maggio 2008_ Elisa Nannipieri

Deterioramento manufatti storici

Introduzione al Problema

Eventi dorigine naturale

Eventi dorigine antropica

Traffico veicolare

Inquinamento atmosferico.

Inquinamento acustico.

Vibrazioni

Il problema delle vibrazioniIl problema delle vibrazioni

GliGli edificiedifici dinteressedinteresse storicostorico -- monumentalemonumentale nonnon sonosonoprotettiprotetti dalledalle vibrazionivibrazioni indotteindotte daldal trafficotraffico..

LeLe vibrazionivibrazioni contribuiscono,contribuiscono, nelnel corsocorso deglidegli anni,anni, alalcontinuo,continuo, progressivoprogressivo eded acceleratoaccelerato deterioramentodeterioramento deideicontinuo,continuo, progressivoprogressivo eded acceleratoaccelerato deterioramentodeterioramento deideimanufattimanufatti..

LeLe sollecitazionisollecitazioni deldel trafficotraffico diventanodiventano pericolosepericolose susustrutturestrutture gigi danneggiatedanneggiate.. LoLo stressstress dada vibrazionevibrazione unaunaconcausa,concausa, cheche affiancaaffianca altrialtri tipitipi didi stressstress..

Metodologia danalisi

Conoscenza 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 accettabilit.

Conoscenza del fenomenoConoscenza del fenomeno

Origine

Contatto ruota Contatto ruota -- stradastrada

Velocit di transito

Irregolarit manto

Manufatto architettonicoManufatto architettonico

Vibrazione su struttura solida

Energia sonora

Vibrazioni

Propagazione Ricezione

Irregolarit manto

Massa veicoli

TerrenoTerreno Onde superficiali (Raylegh, Love)

Onde interne (longitudinali, trasversali)

Energia sonora

Origine delle vibrazioniOrigine delle vibrazioni

Contatto ruota manto stradale

Martellamento dei pneumatici sulla strada

Carico dinamico(Irregolarit del manto stradale, Massa eVelocit del veicolo).

Frequenza carico dinamico = Frequenza fondamentale strada

Vibrazioni

Propagazione delle vibrazioniPropagazione delle vibrazioni

Conoscere i diversi modi di propagazione dellenergia per saperelintensit con cui la perturbazione prodotta raggiunger ledificio.

Il veicolo sorgente immette energia meccanica nel suolo questa sipropaga subendo, a causa della disomogeneit del terreno, fenomenidattenuazione, di rifrazione e di riflessione.

Moto longitudinaleMoto trasversaleOnde di RayleghOnde di Love

Le fondazioni di un edificio

Eccitazione per via solida

Ricezione delle vibrazioniRicezione delle vibrazioni

Il tipo di fondazione e le caratteristiche strutturali delledificioinfluenzano la formazione di sollecitazioni e deformazioni.

Elemento strutturale Frequenze di risonanza

Travi 5 50 Hz

Solai e tramezzi 10 30 Hz Le fondazioni di un edificio

creano una discontinuit nel

mezzo di propagazione con

una conseguente riflessione

della perturbazione.

Ogni elemento strutturale ha una propria frequenza di risonanza derivante

dalle sue dimensioni fisiche e dalle sue caratteristiche meccaniche.

Solai e tramezzi 10 30 Hz

Finestre 10 100 Hz

Contro soffitti in gesso 10 20 Hz

Modelli matematiciModelli matematici

Tokita e OdaTokita e Oda

La = 20,8 Log La = 20,8 Log + 17,2 Log v + 10 Log + 17,2 Log v + 10 Log mm + 14,8 + 14,8 (dB ref. 10(dB ref. 10--6 6 mm/smm/s22))

60

65

Liv

ell

o d

i a

cc

ele

razio

ne

la scabrosit delmanto stradale (mm).55

56

57

Liv

ello

di accele

razio

ne (

dB

)

60

65

Liv

ello

di accele

razio

ne (

dB

)

45

50

55

60

0 1 2 3 4 5

Scabrosit (mm)

Liv

ell

o d

i a

cc

ele

razio

ne

(dB

)

manto stradale (mm).

v la velocit di transito (km/h).

m la massa del veicolo(ton).49

50

51

52

53

54

55

0 20 40 60

Velocit (km/h)

Liv

ello

di accele

razio

ne (

dB

)

40

45

50

55

60

0 5 10 15 20

Massa (ton)

Liv

ello

di accele

razio

ne (

dB

)

0,15

PP

V (

mm

/s)

0,06

PP

V (

mm

/s)

WattsWatts

PPV = 0,028 a (PPV = 0,028 a (/ 48) tp (r/ 6)x/ 48) tp (r/ 6)x [mm/s][mm/s]

a la profondit dellirregolarit

del manto stradale (mm).

la velocit di transito

PPV il massimo valore di picco della velocit.

0,12

0,16

PP

V (

mm

/s)

0

0,05

0,1

0 2 4 6

Irregolarit (mm)

PP

V (

mm

/s)

0

0,02

0,04

0 20 40 60 80

Velocit (km/h)P

PV

(m

m/s

) la velocit di transito (km/h).

t una costante legata al tipo di terreno.

p un indice legato allirregolarit.

r la distanza tra lirregolarit e ledificio [m];

x un parametro legato al tipo di terreno.

0

0,04

0,08

0 5 10 15

Distanza irregolarit - manufatto

(m)

PP

V (

mm

/s)

Strumenti di misura e acquisizioneStrumenti di misura e acquisizione

Input Accelerometro Amplificatore Analizzatore Output

XX

Y

Z

X

Z

Y

Il Quadro NormativoIl Quadro Normativo

Criteri valutazione

disturbo

Persone (ISO 2631/2,UNI 9614, UNI 11048)

Edifici (DIN 4150/3, ISO 4866, UNI 9916,SN 640 312)

Norme tecniche

Strumentazione

Taratura (UNI 5347)

Montaggio meccanicotrasduttori (UNI 5348)

Norme relative al disturbo recato alle Norme relative al disturbo recato alle

personepersone

UNI 9614

Le vibrazioni possono costituire una fonte di disturbo per i soggettiesposti e ridurre il loro stato di benessere.

a (m/s2) L (dB)

ISO 2631/2

Asse di riferimento Hz Valore dellaccelerazione di riferimentoa (m/s2) L (dB)

Aree critiche 5,0 * 10-3 74

Abitazioni (notte) 7,0 * 10-3 77

Abitazioni (giorno) 10,0 * 10-3 80

Uffici 20,0 * 10-3 86

Fabbriche 40,0 * 10-3 92

Asse di riferimento Hz Valore dellaccelerazione di riferimento

Z 1 4 5,0 * 10-3 m/s2 + 3 dB per ottava

4 8 5,0 * 10-3 m/s2

8 80 5,0 * 10-3 m/s2 + 6 dB per ottava

X - Y 1 2 3,6 * 10-3 m/s2

2 - 80 3,6 * 10-3 m/s2 + 6 dB per ottava

Norme concernenti gli effetti delle Norme concernenti gli effetti delle

vibrazioni sugli edificivibrazioni sugli edifici

Le vibrazioni possono minare lintegrit strutturale e architettonica degliedifici.

DIN 4150/3

Velocit limite V (mm/ s) Danni

ISO 4866

Velocit limite V (mm/ s) Danni

UNI 9916

Categoria Tipi di strutture Velocit di vibrazione (mm/ s)*

V il valore massimo della velocit di piccoVl = (V2

x + V2

y + V2

z)

Velocit limite Vl (mm/ s) Danni

Vl < 2,5 Nessuno

2,5 < Vl < 6 Molto improbabili

6 < Vl < 10 Improbabili

Vl > 10 Possibili

Velocit limite V (mm/ s) Danni

3 < Vl < 5 Fessure visibili (>0,02mm) su tramezzi e

intonaci

5 < Vl < 30 Fessure su elementi principali e secondari

30 < Vl < 100 Fessure larghe su elementi principali e

secondari

Categoria Tipi di strutture Velocit di vibrazione (mm/ s)*

f

Tecniche di mitigazioneTecniche di mitigazione

Sorgente Percorso

Veicoli Struttura stradale

Ricevente

Manufatto edilizio

Sospensioni

specificheManutenzione

Irrigidimento

Miglioramento

sottofondo

Trincea

Irrigidimento

Sospensioni

elastiche

Interventi sui veicoliInterventi sui veicoli

La frequenza dominante e lampiezza delle vibrazioni trasmesse alterreno dipendono, prevalentemente, dal tipo di sospensioni delveicolo e dalle caratteristiche del sito in esame.

Autobus Sistema di sospensione air bag

Camion Sistema di sospensione steel multi leaf

Vibrazione (10 12,5 Hz)

Vibrazione

Punto misura Autobus a 50 km/h Camion a 50 km/h

Terreno 0,0517 0,0237

Muro di fondazione 0,0190 0,0104

I piano, pavimento 0,0457 0,0228

Camion Sistema di sospensione steel multi leaf Vibrazionegamma ampia

Il livello di vibrazione trasmesso agli edifici dal transito di veicoli puessere ridotto modificando il loro sistema di sospensioni.

Lintervento a protezione di Villa Lintervento a protezione di Villa Farnesina a RomaFarnesina a Roma

Per proteggere Villa Farnesina a Roma dalle vibrazioni indotte dal traffico stata creata, nel 1970, una pavimentazione antivibrante.

Elementi elastici in gomma sono stati interposti tra una strutturarigida, su cui poggia la pavimentazione, e la fondazione stradale acontatto con il terreno.

La campagna sperimentale condotta dallEnea, allo scopo di verificare ilcomportamento della struttura isolante, verifica lefficacia dellintervento anchedopo 25 anni.

Interventi sugli edificiInterventi sugli edifici

Per verificare lefficacia 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 coscome costruito e, successivamente, sullo stesso campione rinforzatocon lamine di materiale composito.

Valore di accelerazione registrato sul modello semplice

Valore di accelerazione registrato sul modello con rinforzo

I risultati della sperimentazione mostrano un diminuzione dellampiezza del

segnale e una maggiore rigidezza della struttura, con la messa in opera delle

fibre di rinforzo.

Analisi SitoAnalisi Sito

Origine Vibrazioni

Irregolarit mantostradale

Velocit di transito

Massa veicoli

Stato di conservazionedel manto stradale.

Caratteristiche traffico.

Propagazionevibrazioni

Caratteristichedel terreno

Parametri fisici e geologici.

Ricezionevibrazioni

Caratteristichestrutturali edificio

Conoscere loperaanalizzata.

LAcquedotto Mediceo

LAcquedotto 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.

LArco nLArco n162 di Via di Pratale162 di Via di Pratale

Via di Pratale asenso unico di marciaed ha origine da unincrocio trafficato.

2 m0

Le previsioni di pianoprevedono un aumento ditraffico dovuto allapertura diuna nuova strada.

Analisi caratteristiche e tipologia trafficoAnalisi caratteristiche e tipologia traffico

Mezzi a due ruote: 200 veicoli/ora

Autoveicoli: 1000 veicoli/h

Mezzi pesanti: 30 veicoli/h

Mole traffico

Mezzi pesanti: 30 veicoli/h

Percentuale dei veicoli transitati alle diverse velocit

3%15%

17%

20%

24%

12%

9%

11 - 15 km/h

16 - 20 km/h

21 - 25 km/h

26 - 30 km/h

31 - 35 km/h

36 - 40 km/h

41 - 45 km/h

Velocit traffico

Analisi del sistema terreno Analisi del sistema terreno -- stradastrada

Localizzazione zona diinteresse.

Sezione tipo.

Rapporto zona di

transito manufatto.

Analisi dello Stato di conservazioneAnalisi dello Stato di conservazione

Degradazioni Portanza

Degradazioni Aderenza

Sconfigurazioni piano

viabile

Caratteristiche fisiche e geologiche del Caratteristiche fisiche e geologiche del

terrenoterreno

Larea interessata caratterizzata da depositi alluvionali argillosi, da torbepalustri e da depositi di colmata (Olocene).

La velocit delle onde longitudinali si avvicina ai 2000 m/s.

Fase rilevamentoAnalisi stato di

conservazione

438

530

522

Analisi ManufattoAnalisi Manufatto

Indagine storica

Storia del cantiere e delle fasi costruttive

Rilievo metrico

primi del '900

Livello terreno

Legenda

Aggiunta

odierna

Mancanza

odierna

0 2 m

Mancanza

Infestante

Efflorescenza

Cromatica Alterazione

Distacco

Crosta

Erosione

Esfoliazione

Fessurazione Fratturazione o

Vegetazione

Patina biologica

LEGENDA

438

592 188192

530

522

sbozzata

pietra

Legenda materiali

Marmo Intonaco

Mattoni pieni

Storia delle modificazioniavvenute

Storia dei suoi trascorsipatologici

Rilievo materico

Il controllo delle vibrazioniIl controllo delle vibrazioni

Misurare i valori di vibrazione

Criterio AssolutoConfronto dei valori rilevati con ilimiti fissati dalle diversenormative.

Criterio Differenziale

normative.

Confronto del degrado di duemanufatti con le stessecaratteristiche strutturali e materialiposti in luoghi simili.

Analisi dei risultati: criterio assoluto

Soglie limite, normative:

UNI 9916

P.P.V. 3 mm/s

DIN 4150/ 3

Vel. istantanea 2,5 mm/s

Valori ottenuti:

Valore massimo dellivello di vibrazione dipicco:

P.P.V. 1,1 mm/sVel. istantanea 2,5 mm/s

Normativa Svizzera

Vel. istantanea 1,5 mm/s

Soglie limite, letteratura:

Domenichini, Crispino e

DApuzzo.

P.P.V. 1 mm/s

P.P.V. 1,1 mm/s

Valore massimo velocitistantanea:

Vel. istantanea 1,5 mm/s

Analisi dei risultati: criterio differenzialeAnalisi dei risultati: criterio differenzialeArco n162

Arco n173

2 m0

Legenda

disgregazione della malta

Zone colpite dalla

disgregazione della malta

Zone colpite dalla

Arco n162 Arco n173

Frequenze tipiche

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

Pic

co

di

ve

loc

it

(m

m/s

)Stazione A

Stazione B

Stazione C

Stazione D

Stazione F

Stazione G

Stazione H

0,00

0,05

0,10

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Frequenza (Hz)

Pic

co

di

ve

loc

it

(m

m/s

)

Stazione H

Stazione I

Stazione M

Le frequenze tipiche del massimo valore della velocit di vibrazione,indotta dal traffico veicolare, sono comprese nellintervallo difrequenza di 10 20 Hz.

Numero veicoli/ora Numero veicoli/ora velocit media di velocit media di

vibrazionevibrazione

y = 1E-05x + 0,00620,02

0,03

0,04

0,05

Velo

cit

d

i vib

razio

ne m

ed

ia

(mm

/s)

y = 1E-05x + 0,0062

0,00

0,01

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

N veicoli /ora

Velo

cit

d

i vib

razio

ne m

ed

ia

Il livello di vibrazione aumenta con lincremento del

numero di veicoli transitati sotto larco; la relazione

individuata soddisfacente.

Rapporto terreno Rapporto terreno strutturastruttura

y = 1,0356x + 3E-07

3,00E-05

4,00E-05

5,00E-05

6,00E-05

Velo

cit

m

ed

ia a

Terr

a (

m/s

)

0,00E+00

1,00E-05

2,00E-05

0,00E+00 1,00E-05 2,00E-05 3,00E-05 4,00E-05 5,00E-05 6,00E-05

Velocit media sull'Arco (m/s)

Velo

cit

m

ed

ia a

Terr

a (

m/s

)

Parte dellenergia meccanica, liberata dal contatto ruota asfalto,subisce una riflessione una volta raggiunto larco.

Confronto valori misurati e valori stimatiConfronto valori misurati e valori stimati

Strada passante sotto

larco

Strada distante alcuni

metri dallarco

0,5

Va

lore

PP

V s

tim

ato

(m

m/s

)

Applicazione

0,20

Va

lore

PP

V s

tim

ato

(m

m/s

)

Applicazione

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Valore PPV misurato (mm/s)

Va

lore

PP

V s

tim

ato

(m

m/s

)

Applicazione

formula di

Watts

Applicazione

formula di

Tokita e Oda

0,00

0,05

0,10

0,15

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20

Valore PPV misurato (mm/s)

Va

lore

PP

V s

tim

ato

(m

m/s

)

Applicazione

formula di

Watts

Applicazione

formula

Tokita - Oda

La mappatura nellinterpretazione delle La mappatura nellinterpretazione delle

vibrazionivibrazioni

Reticolo di misura Reticolo di misura

Rappresentazionelivelli di accelerazione