Progettazione di un sistema di monitoraggio sismico di una paratia in cemento armato basato su sensori embedded

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.

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.

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).

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.

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