Identificazione dinamica di un viadotto ferroviario con travi a cassone in CAP

Le tecniche per il monitoraggio dinamico si basano sulla misura di accelerazioni dalle quali si ricavano le principali caratteristiche modali delle strutture

La valutazione dello stato di conservazione e la manutenzione delle infrastrutture esistenti rappresentano certamente un tema di grande attualità nel panorama nazionale. In questo contesto risultano di grande interesse le metodologie per il monitoraggio strutturale, tra le quali certamente rivestono un ruolo di grande rilievo le tecniche per il monitoraggio dinamico.

Queste si basano sulla misura di accelerazioni, tipicamente in condizioni di esercizio, dalle quali si ricavano, tramite opportuni algoritmi, le principali caratteristiche modali delle strutture, cioè frequenze, forme e smorzamenti modali. In alcuni casi, variazioni di tali parametri possono essere utilizzate come indicatori dell’attivazione di meccanismi di danneggiamento.

La presente memoria presenta i risultati di una campagna sperimentale mirata all’identificazione dinamica di un viadotto ferroviario. Sono presentate le caratteristiche delle principali forme modali individuate con particolare riferimento all’interazione tra campate adiacenti. Successivamente è illustrato un modello numerico semplificato che riproduce il comportamento osservato sperimentalmente.

Identificazione dinamica

Covariance-based Stochastic Subspace Identification

Tra i diversi algoritmi disponibili in letteratura per l’identificazione di sistemi lineari a partire da registrazioni accelerometriche, per la presente memoria si è scelto di utilizzare il metodo Covariance-based Stochastic Subspace Identification (SSI-COV), le cui ottime prestazioni sono state ampiamente dimostrate nella letteratura scientifica (Peeters & De Roeck, 1999; Reynders et al., 2008).

Il modello a sottospazi richiede la definizione dell’ordine del modello e per strutture reali non è possibile stabilire a priori quale sia il valore da utilizzare (Magalhães et al., 2009). Una metodologia convenzionalmente adottata per superare questo problema consiste nello stimare frequenze, forme e smorzamenti modali per diversi valori dell’ordine del modello in un intervallo predefinito il cui limite superiore è maggiore del numero di modi del sistema fisico. L’adozione di ordini di modello elevati può portare alla comparsa di modi numerici (spuri), che non hanno rilevanza fisica e che sono legati prevalentemente al rumore presente nei dati sperimentali. Per visualizzare quali modi siano stabili è possibile fare riferimento ad un diagramma di stabilizzazione del quale si rappresentano congiuntamente le stime dei parametri modali ottenute da modelli di diverso ordine (Figura 1).

I modi che si presentano per diversi valori dell’ordine del modello, con frequenze, forme e smorzamenti coerenti tra loro sono considerati stabili, e spesso rappresentano modi del sistema fisico in esame. Al contrario, modi che appaiono solo per alcuni valori dell’ordine del modello sono considerati spuri. Nel seguito sono stati considerati stabili I modi con variazione della frequenza <1%, dello smorza- mento <8%, e della forma modale <0.5%. La Figura 1 mostra un diagramma di stabilizzazione per una delle analisi svolte; i cerchi rossi rappresentano i poli che restano stabili al variare dell’ordine dei modelli, mentre le croci rappresentano poli non stabili.

La struttura caso studio

Descrizione del viadotto

Il viadotto oggetto della presente memoria è costituito da 23 campate per una lunghezza totale di 780 m. La campata tipo è realizzata tramite una trave a cassone in calcestruzzo armato precompresso con cavi aderenti (Figura 2). Ciascuna trave è sostenuta da due appoggi multidirezionali posti ai lati delle sezioni di estremità; al centro delle medesime sezioni si trovano inoltre, ad un’estremità della trave una chiave di taglio e all’altra uno schock transmitter.
La XXI campata ha caratteristiche diverse, poiché costituisce uno scavalco stradale e non sarà considerata nel presente studio. Le pile del viadotto hanno sezione cava (Figura 2) e un’altezza variabile tra 4.5 m e 6.25m. La distanza tra gli assi di due pile consecutive è pari a 25 m.

Strumentazione utilizzata

Per la misura delle accelerazioni sul viadotto sono stati impiegati degli accelerometri piezoelettrici uniassiali con sensitività 1.0 V/g e fondo scala pari a
± 5g. Essi sono stati collegati a più sistemi National Instruments cDAQ NI9185 con moduli NI9230. La sincronizzazione delle misure è stata garantita tramite il protocollo TSN (Time Sensitive Networking). La velocità dei treni transitanti sul viadotto è stata stimata tramite tre fotocellule a riflessione posizionate a distanza nota ed un temporizzatore che ne monitorava i tempi di attivazione. Tutti i dati sono stati acquisiti ad una frequenza di 500 Hz.

Posizionamento degli strumenti

Al fine di valutare l’influenza della deformabilità delle pile sulle forme modali del viadotto e di comprendere l’interazione tra campate si è scelto di studiare in dettaglio il comportamento delle campate N.11 e N.12. Come mostrato nelle Figura 3 e 4 gli accelerometri sono stati installati all’interno della trave a cassone. Nella campata N.11 ( in Figura 3) sono stati posizionati in mezzeria, a tre quarti della luce e in corrispondenza degli appoggi.

Nella campata N.12 sono stati invece installati nella sezione di appoggio, ad un quarto della luce ed in mezzeria. Nelle sezioni sugli appoggi sono stati installati due accelerometri orizzontali in direzione longitudinale ed uno in direzione trasversale, nelle altre sezioni sono stati posizionati due accelerometri verticali (ai lati) e uno in direzione trasversale.

Infine, sono stati installati tre accelerometri sulla testa della pila, uno al centro in direzione trasversale e due ai lati in direzione longitudinale. La Figura 3 mostra anche il sistema di riferimento che sarà utilizzato per la rappresentazione delle forme modali; l’origine è fissata al centro della pila, l’asse x1 è verticale, mentre gli assi x2 e x3 sono rispettivamente in direzione traversale e longitudinale rispetto allo sviluppo del viadotto.

La presente memoria è tratta da Italian Concrete Conference - Napoli, 12-15 ottobre 2022
Evento organizzato da aicap e CTE

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