Prove dinamiche su elementi di copertura in c.a.p. sottoposti a carico da incendio

Nel presente articolo si riporta un caso reale e descrive i risultati di indagini dinamiche eseguite su elementi prefabbricati di copertura di un capannone industriale sottoposto a carico da incendio nel 2022. Scopo delle prove è stato analizzare il comportamento dinamico di questi elementi valutando la possibile presenza di ammaloramenti o altre anomalie basandosi sul confronto dei parametri dinamici tra elementi integri (posti ai margini o al di fuori dell'area interessata dalle fiamme) ed elementi sottoposti all'evento.
Sono stati realizzati modelli numerici FEM delle due tipologie costruttive presenti, variabili nella sola lunghezza dell'elemento: l'eventuale differenza dei parametri modali tra gli elementi può essere indice, a parità di massa e rigidezza della sezione, di una variazione del modulo elastico equivalente relativo al degrado accorso per l'incendio e quindi di una resistenza media correlata.
L'analisi, di contro, del fattore di smorzamento permette di valutare eventuali variazioni in termini di compressione da parte dei cavi pretesi; valori superiori a quelli medi potrebbero essere indice di un rilascio dei cavi.
Questo articolo vuole proporsi quale ulteriore tassello nell’implementazione e nella validazione sperimentale della metodologia della diagnostica della dinamica delle strutture.

Geometria del capannone e degli elementi oggetto di indagine

Le informazioni iniziali, quali geometrie dell'elemento e caratteristiche dei materiali da costruzione, sono ricavati da relazioni e grafici di progetto dell'epoca (anno 2003).
In figura 1 si riporta la pianta della copertura, mentre nella figura 2 si riporta la tavola di progetto degli elementi strutturali indagati.

Come si evince dalle tavole l'elemento prefabbricato ha una sezione particolare ma lo schema strutturale è quello di semplice trave a due appoggi a due campate differenti, 19,64 m per quelle lunghe, 9,82 m per quelle corte. Le travi hanno interasse di 5,50 m e sono collegate da lamiere grecate curve (del tipo a botte); oltre tali elementi come massa portata è presente uno strato di guaina il cui contributo si può ritenere trascurabile.

Ai fini dell'indagine, considerando che le due file laterali sono influenzate dalle pareti verticali e che la seconda fila in alto vede la presenza di tramezzi sottostanti per il vano scale, si sono indagati gli elementi in figura 3.

Il lato dal quale è stata eseguita la prova 1 è quello dell'ingresso principale. Le file non indagate vedono la presenza del vano scale sottostante (sopra) e dei pannelli esterni (file perimetrali). La Committenza ha richiesto di eseguire indagini mirate alle travi delle file di prova 1-2-3 (area con maggiore carico di incendio), 4-5-6 e 7-8-9 (area marginale al carico di incendio) le quali sono state particolarmente interessate dall'incendio per lungo tempo e presentano piccoli distacchi localizzati di copriferro all'intradosso. L'innesco dell'incendio è avvenuto approssimativamente sotto la zona prova 3.

Prove FDT: aspetti teorici

Da qualche anno, grazie allo sviluppo delle tecnologie ma soprattutto ad una presa di coscienza della necessità di valutare una struttura non solo dal punto di vista statico ma anche dinamico, si stanno sviluppando test da eseguire in sito attraverso il concetto appunto della dinamica strutturale, applicabile tanto al singolo elemento strutturale quanto all'intero manufatto. Una di queste indagini è dedicata proprio all'analisi di elementi piani quali i solai.

Lo stato dell'arte di questa tipologia di indagini prevede l'uso di sensori accelerometrici o velocimetri che sulla base di indagini di tipo impulsivo e sull'elaborazione dei dati registrati attraverso trasformate di Fourier e funzioni di Cross-correlazione, permettono di ottenere i parametri dinamici dell'elemento quali frequenze principali, relative forme modali e smorzamenti equivalenti, per risalire anche indirettamente ad altri parametri come il modulo dinamico equivalente.

Non avendo una elevata mole di dati sperimentali, essendo tali test di nuova concezione, ad oggi quello che si è arrivati a fare con questo tipo di indagini è confrontare una famiglia di solai di una stessa struttura e valutare una certa regolarità di comportamento modale, evidenziando quegli elementi che mostrano comportamenti anomali, come le basse frequenze indice di elevate deformabilità, oppure forme modali non regolari indice di problemi ai vincoli o di danni presenti nell'elemento.

Un'indagine dinamica prevede il posizionamento di sensori sul pavimento con piastre zavorra secondo uno schema a croce avendo un nodo al centro del solaio ed ulteriori nodi distribuiti ad un quarto della luce ed in prossimità degli appoggi in due direzioni principali. La prova prevede la sollecitazione del solaio con forze di tipo impulsivo ed un'acquisizione di pochi secondi. Il risultato è la valutazione della prima frequenza e relativa forma modale. Analizzando un certo numero di solai si cerca di capire se il comportamento è conforme o meno alla maggioranza degli elementi indagati.

In alcuni casi le prove dinamiche sono molto utili per valutare le frequenze di risonanza degli elementi per solai di tipo industriale, dove possono essere presenti macchinari a rotazione o comunque a vibrazione a frequenza costante.
Uno degli approcci che viene adottato per confrontare reciprocamente elementi piani si basa sulla formula teorica vibrazionale considerando una striscia unitaria vincolata all'estremità, escludendo quindi la collaborazione dei travetti laterali, così come si fa nella fase progettuale. L’equazione (1) è utilizzabile per il calcolo delle frequenze.

Dove f è la frequenza principale al primo modo, αi è funzione della tipologia di vincolo per l'i-esimo modo (vedi Figura 1), l la lunghezza libera di inflessione del solaio, E e I sono rispettivamente il modulo dinamico equivalente ed il modulo di inerzia equivalente (perché considera il pacchetto solaio come omogeneo) della sezione reagente, il prodotto µA è la massa della fascia di solaio a metro lineare; a riguardo si tenga presente che nei casi reali il pacchetto include anche massetti, intonaci, pavimenti, guaine, etc.

Il Confronto quindi tra i vari elementi tecnologicamente simili indagati è effettuata proprio rispetto le prime frequenze di vibrazione, tenendo conto della lunghezza relativa di inflessione e attraverso il prodotto E*I dinamico equivalente (relativo cioè al pacchetto omogeneo di solaio considerato).

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