maggio 14 1

Ing. Carlo Rainieri, Prof. Ing. Giovanni Fabbrocino, Laboratorio di Dinamica Strutturale e Geotecnica “StreGa”, Università del Molise

Nel triennio 2007-2010 l’Università del Molise ha attuato una serie di interventi, anche di carattere edilizio, per innalzare sotto il profilo infrastrutturale il supporto e i servizi destinati agli studenti. In questo contesto si inquadrano gli interventi edilizi finalizzati alla realizzazione del Collegio Medico in Contrada Tappino, del Centro sportivo e della Casa dello Studente collocata in prossimità degli edifici polifunzionali e alla Biblioteca Universitaria nell’area Vazzieri. L’attenzione è di seguito concentrata sulle attività connesse alla realizzazione della Nuova Casa dello Studente in località Vazzieri a Campobasso. L’area di intervento è riportata in Figura 1 (immagine tratta da www.paginegiallevisual.it). L’opportunità di avere cantieri caratterizzati da differenti livelli di complessità e la sensibilità dell’Amministrazione Universitaria verso la qualità e la sicurezza del costruito hanno portato alla realizzazione di un innovativo progetto di monitoraggio sismico basato su sensori embedded. Tale progetto ha richiesto un’azione sinergica tra il mondo della ricerca (rappresentato dal gruppo di lavoro del Laboratorio di Dinamica Strutturale e Geotecnica dell’Università del Molise e dalla Divisione R&D di PCB Piezotronics Inc. per la sensoristica) e quello della pratica progettuale ed esecutiva ordinaria (rappresentato da esperti di Progetto CONCRETE e dai tecnici incaricati della progettazione ed esecuzione dei lavori). Le attività sono state inoltre supportate e inserite nell’ambito del progetto di ricerca Reluis 2 promosso dal Dipartimento della Protezione Civile Nazionale e dalla Rete dei Laboratori Universitari di Ingegneria Sismica nel triennio 2011-2013. I risultati primari dell’attività sono stati la progettazione e la realizzazione di un innovativo sistema di monitoraggio sismico basato su sensori embedded per la paratia collocata lungo il limite settentrionale della nuova Residenza Studenti in Vazzieri. L’opera geotecnica investigata è una paratia a doppia quinta, di pali Ø 800 mm, di lunghezza complessiva di 18.00 m e con altezza libera di oltre 6 m nella fase provvisoria di cantiere, di 4.20 m in esercizio. La presente nota descrive sinteticamente le fasi di progettazione, installazione e gestione del sistema di monitoraggio sismico, e concentra l’attenzione sugli aspetti esecutivi che esso ha proposto in relazione alla preparazione del calcestruzzo da impiegare per l’esecuzione dei pali monitorati. La consolidata collaborazione con il personale del progetto Concrete (www.progettoconcrete.it) e, sugli aspetti operativi, con gli associati ATECAP operanti sul territorio regionale - come la SIEFIC Calcestruzzi e il relativo personale tecnico - ha caratterizzato il gruppo di lavoro in maniera fortemente interdisciplinare.

Progettazione, installazione e gestione di un

sistema di monitoraggio sismico di una paratia

in cemento armato basato su sensori

embedded

maggio 14 2

Figura 1. Foto aerea dell’area di intervento in fase di esecuzione dei lavori.

Le opere di sostegno flessibili rappresentano un esempio di struttura geotecnica ampiamente diffuso sul territorio: sussistono, tuttavia, aspetti che mantengono elevato l’interesse della comunità scientifica quali, ad esempio, i meccanismi di interazione terreno-struttura in presenza di azioni sismiche, sui quali sono scarsamente reperibili dati sperimentali in letteratura. Un sistema di monitoraggio di tipo integrato geotecnico-strutturale è stato, pertanto, progettato e installato presso l’Università del Molise. Allo stato attuale, due pali appartenenti alla paratia “Lato Nord” della nuova Residenza Studenti in Vazzieri risultano strumentati mediante moduli accelerometrici biassiali opportunamente sviluppati in modo da poter essere incorporati nei pali stessi durante le operazioni di getto. I pali monitorati sono stati scelti in modo da evitare, per quanto possibile, effetti di bordo (Figura 2). L’esigenza di strumentare i pali mediante sensori embedded ha comportato, da un lato, lo sviluppo di sensori adeguati a sopportare gli urti e le pressioni del getto, dall’altro, opportune valutazioni riguardanti la progettazione e l’esecuzione dei pali strumentati, in modo tale che le relative caratteristiche di resistenza e rigidezza risultassero del tutto assimilabili a quelle dei pali adiacenti non strumentati. La specificità dell’applicazione ha richiesto lo sviluppo di un adeguato involucro di protezione per i sensori e per i cavi, nonché l’impiego di sensori caratterizzati da elevati limiti di shock, per ridurre i rischi di danneggiamento in fase di installazione, e da elevate prestazioni, al fine di assicurare la capacità del sistema di misurare e analizzare il comportamento dei pali anche in presenza di microtremori e modesti livelli di vibrazione ambientale. Il prototipo del modulo embedded e i relativi disegni progettuali sono riportati in Figura 3.

maggio 14 3

Figura 2. Posizione dei pali monitorati all’interno dell’opera.

Il sistema di monitoraggio sismico è stato, inoltre, integrato, limitatamente alle fasi realizzative della costruzione della Casa dello Studente, da un sistema di monitoraggio statico di tipo tradizionale, basato sul rilievo topografico degli spostamenti della paratia e misure inclinometriche. A tale ultimo fine, nei pali strumentati sono stati installati anche tubi inclinometrici.

(a) (b)

Figura 3. Disegni costruttivi (a) e prototipo di modulo embedded durante l’assemblaggio in cantiere (b).

maggio 14 4

I pali strumentati sono stati progettati in modo tale che le relative caratteristiche di resistenza e rigidezza risultassero del tutto assimilabili a quelle dei pali adiacenti non strumentati, al fine di assicurare significatività allo studio e evitare singolarità nel comportamento globale della struttura. Le dimensioni dei moduli embedded, tuttavia, non erano trascurabili rispetto al diametro dei pali: pertanto, è stata tenuta opportunamente in conto, in fase di progettazione, la variazione locale di geometria dei pali, e un’opportuna armatura integrativa è stata progettata al fine di ripristinare localmente le caratteristiche di resistenza e di rigidezza dei pali strumentati. Tre moduli sono stati installati all’interno di ciascun palo (Figura 4). I sensori sono stati posizionati in modo da risultare sufficientemente distanti dai centri di rotazione stimati nelle fasi di costruzione e in condizioni di esercizio. Nell’intorno di ciascun modulo la sezione del palo la sezione è stata considerata non circolare bensì cava, caratterizzata da un diametro esterno di 800 mm (il diametro del palo) e da un diametro interno di 300 mm (l’ingombro del modulo). Un’armatura integrativa costituita da 8 barre longitudinali Ø14 e da staffe Ø10/200 è stata prevista per garantire il ripristino di resistenza e rigidezza nelle zone interessate dalla presenza dei sensori. L’armatura longitudinale integrativa è stata prolungata da ambo i lati in modo da garantire un’adeguata lunghezza di ancoraggio. Le gabbie di armatura integrativa sono state connesse a quattro tralicci standard del tipo Baustrada, 8/10/6, h=125 mm (Figura 4). In tal modo si è realizzato un unico modulo di fondamentale importanza per la messa in opera: infatti, esso ha semplificato operazioni di montaggio particolarmente delicate e complesse a causa della presenza dei cavi e dei tubi inclinometrici e della necessità di posizionare e allineare correttamente i sensori all’interno dei pali strumentati. L’incremento di rigidezza e resistenza prodotto dall’inserimento dei suddetti tralicci è stato preventivamente valutato e classificato come trascurabile, fornendo un incremento di resistenza del 3% rispetto alla sezione tipica dei pali costituenti la paratia e una differenza del +5% per quanto riguarda la resistenza della sezione cava rispetto a quella della sezione tipica. Variazioni del momento d’inerzia inferiori all’1% risultano invece associate all’inserimento dei tralicci. L’esecuzione dei pali strumentati è stata preceduta dal montaggio in cantiere del sistema costituito dall’armatura aggiuntiva e dai sensori. È stato allestito un bancone in cantiere dove assemblare la gabbia di armatura aggiuntiva, con le relative piastre di sostegno dei sensori. A seguire sono stati montati i moduli embedded con i relativi tubi in acciaio a protezione dei cavi, ed i tubi inclinometrici.

maggio 14 5

Figura 4. Layout dei sensori e dettagli relativi ai pali monitorati.

Nella progettazione del materiale calcestruzzo, sono state affrontate le seguenti problematiche:

1. spazi ristretti per l’inserimento del tubo-getto per l’intera lunghezza del palo (18 m): il massimo diametro (esterno) utilizzabile per il tubo risultava, infatti, pari a 12 cm;

2. la grande quantità di armatura e la presenza di piastre e sensori in alcune zone del palo;

3. l’esigenza di mantenere lungo tutto l’elemento un’omogeneità e uniformità del getto; 4. l’uniformità di prestazioni del materiale rispetto a quello usato negli altri pali della

paratia, al fine di assicurare significatività ai risultati del monitoraggio. È stato pertanto prescritto in fase di progetto l’impiego di un SCC che potesse rispondere alle esigenze evidenziate.

Classi di esposizione ambientale XC2 Rapporto a/c max 0,6 Classe di resistenza a compressione minima C(25/30) Dosaggio minimo di cemento 300 Kg/m3 Diametro massimo dell’aggregato 16 mm Classe di contenuto di cloruri del calcestruzzo 0,4 Classe di scorrimento (slump-flow) >650 Tempo di svuotamento al V-funnel 4÷12 sec Capacità di scorrimento confinato alla scatola ad L h2/h1 > 0,80 Volume di acqua di bleeding < 0.1%

maggio 14 6

In fase esecutiva, le maggiori difficoltà nella produzione del calcestruzzo auto-compattante erano associate alla definizione di un opportuno mix-design in modo da ottenere un calcestruzzo auto-compattante con caratteristiche meccaniche (resistenza a compressione, rigidezza) paragonabili a quelle del calcestruzzo ordinario utilizzato per la realizzazione dei pali non strumentati della paratia. Il fornitore di calcestruzzo, in fase esecutiva, ha pertanto, sviluppato un impasto con prestazioni tali da soddisfare le esigenze della presente applicazione, utilizzando un aggregato con un diametro massimo di 10 mm e bilanciando in modo opportuno i dosaggi di acqua ed additivo, sempre nei limiti imposti dalla Uni 11104 per la classe di esposizione prescritta, e il conseguente rapporto a/c presvito. In tal modo sono stati conseguiti gli obiettivi di abbassare la resistenza media (intorno ai 34-35 MPa) e di velocizzare la miscela, scendendo sotto gli 8 secondi al V-Fannel, conservando una bona resistenza alla segregazione. La miscela utilizzata è stata così composta:

Cemento classe 32,5 II B LL [Kg/m3] 405 Sabbia lavata 0/4 [Kg/m3] 392 Sabbia asciutta 0/4 [Kg/m3] 479 Pietrischetto 4/10 [Kg/m3] 645 Filler Calcareo 0/100 [Kg/m3] 198 Additivo Basf Sky 528 [Lt/m3] 4,15 Acqua [Lt/m3] 220

La fase esecutiva dei pali strumentati, oltre alle usuali operazioni di esecuzione del foro e posizionamento della gabbia di armatura, ha richiesto in aggiunta il posizionamento della gabbia con i sensori. Tale operazione, date le dimensioni (18 m di altezza) e la necessità di non sollecitare gli accelerometri con urti, ha richiesto l’utilizzo di una gru di dimensioni notevoli e grande abilità da parte del manovratore. Posizionata la gabbia si è approntato il tubo-getto di diametro 10 cm. All’arrivo del calcestruzzo sono state eseguite le prove di accettazione. Per la valutazione delle sue proprietà si è fatto riferimento alla UNI 11040, nella quale vengono specificate le caratteristiche e i valori di accettazione per le prove da effettuare in fase di qualifica delle miscele. Alla fase di scarico sono state effettuate le prove SLUMP-FLOW, V-FUNNEL e JRING, ottenendo i seguenti risultati:

Spandimento (Slump-Flow): cm 65; Scorrimento confinato (anello a J): 60 cm; Tempo d’efflusso (V-Funnel): 6”; Controllo di segregazione (V-Funnel dopo 5’): 7”.

Mediante prelievi di calcestruzzo durante le operazioni di getto sono stati confezionati provini cubici per le relative prove a compressione, secondo le specifiche di norma; la resistenza media a 28 giorni di stagionatura è risultata pari a 34.9 MPa. In Figura 5 è riportata la curva di sviluppo della resistenza.

maggio 14 7

Figura 5. Sviluppo della resistenza del calcestruzzo SCC.

La risposta dinamica della paratia è continuamente monitorata attraverso un sistema di misura appositamente sviluppato sfruttando hardware di misura programmabile. I dati sono immagazzinati in continuo in un database locale: la risposta in esercizio viene mantenuta in memoria per dieci giorni prima di essere sovrascritta, mentre i dati relativi ad eventi sismici sono immagazzinati permanente in tabelle diverse appositamente create all’interno del database. L’identificazione degli eventi sismici è basata sul superamento di una soglia di trigger. La risposta strutturale è attualmente campionata a 100 Hz. I dati registrati vengono visualizzati in continuo a video. L’interfaccia del sistema mostra anche indicatori relativi al verificarsi di eventi, oltre alle serie temporali registrate (Figura 6).

Figura 6. Interfaccia del sistema di monitoraggio sismico.

maggio 14 8

L’applicazione descritta ha rappresentato, in definitiva, un’interessante opportunità per sperimentare sul territorio molisano e sul proprio patrimonio infrastrutturale soluzioni e sistemi avanzati sotto il profilo tecnologico e impegnativi sotto il profilo esecutivo. In questo quadro è stato eseguito, sia pure nell’ambito di un cantiere sostanzialmente ordinario, un processo progettuale ed esecutivo integrato caratterizzato dall’interazione tra abilità e competenze diverse con l’obiettivo di realizzare un’applicazione innovativa di interesse tecnico-scientifico. Tra le principali problematiche progettuali affrontate un ruolo fondamentale ha avuto lo sviluppo di un calcestruzzo auto-compattante caratterizzato da prestazioni controllate e coerenti con l’applicazione. L’esperienza descritta nella presente nota può, dunque, essere indicato come un esempio di buona pratica, sostenibile e replicabile anche in contesti non necessariamente ‘ideali’, come quelli dei laboratori di ricerca, o reali, come il cantiere al quale si è fatto riferimento.

Bibliografia essenziale

Rainieri, C. and Fabbrocino, G. Operational Modal Analysis of Civil Engineering Structures: An introduction and guide for applications. Springer, New York (2014). Rainieri, C., Fabbrocino, G. and Santucci de Magistris, F. An integrated seismic monitoring system for a full-scale embedded retaining wall. Geotechnical Testing Journal Vol. 36/1 (2012). Hanna, A.M. and Nguyen, T.Q. Shaft resistance of Single Vertical and Batter Piles in Sand Subjected to Axial Compression Loading. ASCE, Journal of Geotechnical and Environmental Engineering. Vol. 129/3 (2003). Tadeu, A.; Mateus, D. - Sound transmission Trough Single Double and Triple Glazing. Experimental Evaluation, in Journal of Applied Acoustics, Vol. 62/63 (2000). Addlesson, L.; Rice, C. - Performance of Materials in Buildings, Butterworth-Heinemann Ltd, Oxford (1995). UNI 9916 - Criteri di misura e valutazione degli effetti delle vibrazioni sugli edifici (2004). UNI 11040 - Calcestruzzo autocompattante - Specifiche, caratteristiche e controlli (2003). UNI EN 206-1 - Calcestruzzo - Parte 1: Specificazione, prestazione, produzione e conformità (2006).