Cosa sono ed effetti delle vibrazioni

Le civili abitazioni, gli edifici, le infrastrutture ed i monumenti sono soggetti a deterioramento e degrado a causa della costante interazione con l’ambiente esterno. Allo stesso modo con cui il corpo umano con il passare del tempo si indebolisce (invecchiamento), anche i materiali tendono a ridurre le loro performance e, se non ci prendiamo cura dell’edificio con interventi di manutenzione e prevenzione, i sintomi di “invecchiamento” e decadenza appariranno prima di quanto possiamo pensare. Il degrado dei materiali comporta l’ inevitabile e graduale riduzione delle prestazioni meccaniche, contribuendo alla diminuzione dei requisiti di sicurezza dell’opera quali Resistenza, Stabilità e Funzionalità che sono di primaria importanza e, parallelamente, con una riduzione del valore economico.

I fenomeni causa del degrado del materiale si classificano in:

• Naturali : legati all'ambiente e a fenomeni naturali come gelo e disgelo, acque marina, precipitazioni, muschio etc. .
• Artificiali : legati ad ambienti aggressivi artificiali come gas di scarico, fumi nocivi di fabbriche, liquidi inquinanti, ect.

Possiamo classificare questi attività di riduzione delle prestazioni iniziali come fenomeni “lenti” (ossia che necessitano di anni e/o decenni – la definizione temporale è ovviamente relativa). Il fenomeno di DEGRADO non comprende l’insieme di "azioni" dannose legate ad eventi straordinari esterni come sismi, incendi, esplosioni, cambi di destinazione d'uso, errate previsioni progettuali. (vedi NTC 2008 “degrado”) Il degrado dei materiali è quindi una componente importante del processo di “invecchiamento” di un edificio, ma non è l’unico. Utilizzo di materiali talvolta non adeguati , errori di progetto e di esecuzione, variazioni “geomorfologiche” legate a fenomeni naturali e/o attività umane (sbancamenti, gallerie, etc., ), modifiche strutturali non ben pianificate con aggravio di sollecitazioni sulla struttura (piani rialzati, cambi di destinazione d’uso) “leggerezza” nelle fasi di controllo e collaudo, rappresentano le cause alla base dei dissesti delle strutture.

Il fenomeno delle vibrazioni meccaniche inserito nel contesto del patrimonio edilizio italiano si traduce in situazioni particolarmente "problematiche" e "sensibili" per ragioni legate alla Vetustà degli immobili e ad un’ impostazione progettuale sviluppata in un epoca dove tale fenomeno risultava limitato e comunque non considerato (gli edifici datati sono stati dimensionati per resistere prevalentemente alle sollecitazioni statiche). La presenza infine, nel territorio nazionale di opere monumentali di valore storico artistico, rendono il fenomeno delle vibrazioni e le relative conseguenze un argomento da trattare con molta cura ed attenzione, al fine di salvaguardare le nostre ricchezze.

Cosa sono e dove nascono
Le vibrazioni sono oscillazioni e quindi onde. Le oscillazioni si verificano in un corpo e possono avere differente ampiezza. Le oscillazioni generano tensioni e sforzi che sono correlati all’ampiezza delle deformazione. Il corpo investito dalle vibrazioni avrà un comportamento che è funzione dell’intensità delle oscillazioni e del tipo di materiale di cui è costituito.

In pratica se una vibrazione con basso grado di deformazione investe un materiale, questo non subisce danni evidenti. Le onde attraversa il corpo interagendo con la materia ma senza modificarne la struttura. L’energia contenuta dalla vibrazione verrà in parte dissipata da effetti viscosi ed attrito e quindi parzialmente trasformata in calore (dissipazione). A contrario se una vibrazione ad alta deformazione colpisce un corpo, questo reagirà in modo diverso a seconda delle proprie caratteristiche meccaniche e della propria ”elasticità”. Se le oscillazioni avranno ampiezza tale da generare sforzi superiori alla soglia elastica del materiale questo subirà una trasformazione strutturale, plasticizzandosi, ossia subendo una deformazione permanente.

Se prendiamo un elastico e lo tendiamo allontanando le mani che tengono le due estremità, questo si allungaAvvicinando le mani, l’elastico torna alla dimensione originale. L’elastico sta lavorando all’interno del proprio campo elastico. Se procediamo con questa operazione per N volte probabilmente lui ritornerà sempre alla stessa dimensione; è anche vero che dopo “n milioni di cicli” di deformazioni l’elastico inizierà ad invecchiare perché sottoposto a fenomeni di “fatica” ed inevitabile “degrado” .

A contrario se allontanando le mani arriviamo ad una distanza tale da superare il campo elastico, vedremo che lo stesso, una volta riavvicinate le mani rimarrà più lungo rispetto all’inizio. L’elastico si è deformato o plasticizzato. Abbiamo superato il campo elastico del corpo. Il materiale ha modificato la propria struttura la quale presenterà delle caratteristiche meccaniche differenti.
Gli edifici, quanto corpi composti da materiali, si comportano allo stesso modo. Se le oscillazioni raggiungono una ampiezza tale da generare delle deformazioni e quindi tensioni superiori alla soglia elastica, avremmo delle deformazioni permanenti. Le vibrazioni, onde, si trasmettono con successive azioni di compressione e trazione, note come compressioni / rarefazioni del materiale.

Esistono materiali che hanno un comportamento omogeneo a sollecitazioni differenti, mentre altri materiali e nello specifico tutti quelli comunemente utilizzati nel settore delle costruzioni, ad eccezione dell’acciaio, hanno in generale un’ottima resistenza a compressione, ma una scarsissima resistenza a trazione (malte, intonaci, laterizi, cemento).

Quando lo sforzo che si genera in concomitanza di una oscillazione, supera i valori di soglia a resistenza, si innescano delle lesioni e quindi compare il “danno”. In linea di principio le lesioni si manifestano esclusivamente a superamento della soglia di resistenza a trazione, ma è altrettanto evidente che quando le vibrazioni e gli sforzi sono di eccezionale entità, come nel caso di un sisma, il superamento della soglia di resistenza coinvolgerà anche la resistenza a compressione. Le vibrazioni che si verificano negli edifici sono percepite come “spostamenti” che si presentano con intensità maggiore a seconda delle caratteristiche della sorgente quali frequenza, ampiezza e durata.

I fenomeni fisici responsabili delle vibrazioni che interessano le costruzioni possono essere di diversa entità e provenienza. E' possibile classificare le sorgenti in due distinti gruppi:

1. Sorgente Esterna al manufatto
Macchinari che operano all'interno delle costruzioni, come motori elettrici, gruppi elettrogeni, trasformatori elettrici, tramogge, strumenti rotativi, piegatrici e tutti gli impianti tecnologici inseriti negli edifici e specialmente nei contesti produttivi.

2. Sorgente Interna al manufatto:
Questi tipi di vibrazioni comprendono quelle legate al traffico veicolare, sia stradale che ferroviario, sia superficiale che sotterraneo, eventi sportivi o musicali all’interno di stadi, attività industriali quali scavi, realizzazione di tunnel, perforazioni, battitura ed infissione di pali ed ovviamente quelle di origine ambientale come vento, terremoti, moti ondosi.

Mentre nel primo gruppo le vibrazioni si propagano esclusivamente nell'ambito della costruzione nella quale viene generata, (motivo principale è l’attenuazione che risulta di entità maggiore per virazioni con frequenza elevata, tipiche delle onde connesse alle attività umane) le seconde utilizzando il terreno per propagarsi, sino a raggiungere le fondazioni e quindi la sovrastruttura. Il mezzo terreno pertanto ricopre un ruolo fondamentale durante la manifestazione delle vibrazioni subendo fenomeni di rifrazione, riflessione e influenzando in maniera più o meno incisiva l'intensità con cui le onde investiranno la struttura. Particolare attenzione va posta alle vibrazioni prodotte dal traffico e dalle attività connesse alla realizzazione di nuove costruzioni specialmente se inseriti in contesti cittadini dove sono presenti monumenti di valore storico - artistico.

Le grandezze determinanti nella risposta di un edificio ad una vibrazione sono:

• Ampiezza: ad una oscillazione con elevata ampiezza consegue una elevato sforzo e deformazione a cui viene sottoposto il materiale e la struttura
• Frequenza: quando la frequenza delle vibrazioni – onde è prossima a quella propria del corpo si può verificare il rischio di Risonanza con effetti dannosi molto elevati
• Durata: una maggiore durata comporta sicuramente un danno maggiore.

Le onde a bassa frequenza risultano essere nel campo edilizio quelle maggiormente pericolose, in quanto sono prossime ai valori di frequenza propria degli edifici. Normalmente le onde legate ad attività produttive hanno valori di frequenza elevati e lontani dai periodi che interessano gli edifici, pertanto i loro effetti sono modesti e trascurabili.

Affinché le vibrazioni (onde elastiche) si trasferiscano dalla sorgente all’edificio è necessario un mezzo, che nel nostro caso risulta essere il terreno. Le onde che verranno trasmesse saranno onde di compressione P, onde di taglio S ed onde di superficie R (Rayleigh) . Queste ultime sono quelle che possono indurre danni maggiori grazie alla loro capacità di dissipare meno energia durante il tragitto. Sono queste le oscillazioni che vengono percepite maggiormente dall’essere umano durante il verificarsi di un sisma.

Il legame tra intensità di una vibrazioni e danneggiamento di un edificio è valutabile in funzione dei seguenti parametri:

• Caratteristiche meccaniche dei materiali che compongono l’edificio
• Tipologia delle fondazioni
• Caratteristiche meccaniche del terreno
• Presenza pregressa di danni o situazioni critiche sotto il profilo strutturale

Da queste considerazioni risulta difficile affermare che in un edificio vengano a determinarsi danni significativi da attribuire esclusivamente a vibrazioni (come indicato nella norma 9916).

Le vibrazioni, non di origine sismica, prese singolarmente provocheranno danni non per effetti oscillatori ma per assestamenti del terreno, cedimenti delle fondazioni e di conseguenza con un aumento dello stato tensionale localizzato. Tanto maggiori e pericolosi potranno essere questi effetti nel caso di edifici dove sono presenti fenomeni di degrado e dissesto evidenti.

I “danni” frequenti provocati dalle sole oscillazioni sono quelli definiti “di soglia” o danni “estetici” ossia che interessano gli elementi accessori dell’edificio, come descritti di seguito. Questa tipologia di danno determina una “riduzione” del valore dell’immobile senza compromettere la sicurezza strutturale dell’edificio.

Esempi di classificazione di danni

La classificazione dei danni a seguito di eventi oscillatori non legati a fenomeni sismici possono essere:

• Danni lievi o di soglia
• Danni minori
• Danni maggiori

Danni di soglia
Includono solo elementi architettonici e non strutturali. Fessure su intonaci, piastrelle, etc.

Danni minori
Presentano fessure di entità maggiore, distacco di intonaco, fessure su giunti e laterizi, etc Danni maggiori

Danni maggiori
Lesioni su elementi con funzioni strutturali come travi e/o pilastri, fessurazioni su elementi accessori e pareti, evidenti lesioni.Possono compromettere la fruibilità dell’edificio

Quando intervenire
Risulta chiaro che è molto difficile imputare danni direttamente ed esclusivamente al fenomeno oscillatorio (non sismico). I segnali che possono "far accendere la lampadina" di pericolo possono essere riassunti di seguito:

• Presenza di fessure filiformi sulle superfici dei muri a secco
• Formazione di fessure filiformi nei giunti di malta delle costruzioni in mattoni e calcestruzzo
• Fessurazione, distacco di intonaco, fessurazione nel blocchi di mattoni o di calcestruzzo
• Danneggiamento di elementi strutturali, aperture dei giunti
• Fessurazione diffuse nella muratura
• Lesione di tramezzi o divisori, murature portanti e solai
• Incremento di lesioni già esistenti

Al fine di una corretta valutazione di questi segnali, sarà quindi necessario reperire maggiori informazioni possibili sulla struttura e sul terreno. Questa “prima” valutazione conoscitiva ci permetterà di :

Pianificare le operazioni e campagna di indagine vibrazionali e di diagnosi “generale” (vedi documento “procedure di prova”)
Trarre conclusioni più corrette a seguito dell’esecuzione delle prove
Le stesse vibrazioni possono indurre assestamenti del suolo e quindi cedimenti delle fondazioni, soprattutto in terreni incoerenti di consistenza da bassa a media.

Qualora la misura delle vibrazioni non superi i livelli di soglia indicati nelle norme di riferimento, eventuali danni non potranno essere attribuiti alle vibrazioni. Anche nel caso di superamento delle soglie prefissate è necessario analizzare in maniera approfondita i risultati prima di indicare le onde meccaniche acquisite come uniche responsabili di dissesti.

La misura delle vibrazioni viene eseguito con strumentazioni dedicate conformi alle norme UNI 9916 e DIN4150-3. Le misurazioni devono essere eseguite in maniera oggettiva. Per il fenomeno delle vibrazioni è comunque importante considerare che affinché le vibrazioni possano interagire in modo “dannoso” con l’edificio devono essere quantomeno percepite dall’uomo.