Le strutture storiche e monumentali sono solitamente
affette da lesioni e stati di deformazione dovuti alle cause più
diverse: trasformazioni, danni da cedimenti delle fondazioni o da
infiltrazioni d'acqua, degrado materico, cambi di destinazioni d'uso,
eventi eccezionali quali i terremoti. Per tali strutture si rende
necessario un accertamento del loro grado di sicurezza per poter
progettare tutti gli interventi del caso.
Anche per strutture
quali ponti, edifici multipiano, passelle pedonali, autosilos e
scuole capita sempre più spesso di doversi esprimere riguardo
al loro stato di salute.
L’ingegnere è chiamato a dare una valutazione della sicurezza e dello stato di conservazione di strutture monumentali e civili. In rapporto al crescente interesse nella salvaguardia del patrimonio storico-architettonico e alla ricerca di tecniche meno invasive e più efficaci per il controllo di infrastrutture civili è corrisposto, nell’ultimo decennio, un particolare impulso nella ricerca scientifica dato dallo sviluppo di specifiche metodologie di indagine. Tali tecniche, già utilizzate in altre discipline (dalla medicina alla meccanica, dalla geotecnica all’ingegneria aeronautica), opportunamente adattate ai problemi dell’ingegneria strutturale consentono ora una diagnosi delle patologie in atto.
Per diagnosi del possibile danneggiamento di un organismo strutturale s’intendono tutte quelle tecniche sia sperimentali che analitiche, che permettono di individuarne lo stato fisico della struttura, o meglio di monitorarne costantemente le condizioni al fine di rilevare cambiamenti che ne pregiudicherebbero il funzionamento o, a lungo andare, la sicurezza e di valutarne la sicurezza e lo stato di conservazione.
Cosa si intende per monitoraggio strutturale
Prendendo in considerazione il comportamento
originale della struttura, è molto importante capire se le
fessure o le situazioni di danneggiamento siano ormai assestate in
una condizione di stabilità o, al contrario, siano indici di
cinematismi che potrebbero essere una fonte di rischio. Tale quesito
rappresenta il momento centrale dell'analisi di un manufatto e
rientra nell'ambito di una procedura più generale di
intervento che prende il nome di monitoraggio dello stato di salute
di una struttura o più brevemente monitoraggio
strutturale.
Mutuando princìpi e termini dal linguaggio
medico si può parlare di una fase di anamnesi in cui si
analizzano tutti i sintomi del paziente, in una fase di diagnosi in
cui si stabilisce quali siano le cause dei comportamenti anomali ed
in una fase di terapia in cui si interviene sul manufatto al fine di
ripristinare le sue caratteristiche originarie.
Per monitoraggio si intende quindi l’osservazione critica protratta nel tempo del comportamento della struttura. In altre parole è importante capire il livello attuale di sicurezza delle strutture, capire se una particolare situazione è fisiologica per quell'edificio perché stabilizzata nel tempo oppure se è pericolosa. Per tali motivi, il monitoraggio di una struttura rappresenta un buon metodo di diagnosi e un prezioso aiuto nel decidere circa l'utilità di interventi sull'edificio. Quando la patologia non è particolarmente attiva, il monitoraggio strutturale potrebbe essere considerato anche come un'alternativa valida all'intervento, con grande beneficio per la conservazione monumentale. Analogamente a quanto avviene in medicina, infatti, può spesso essere sufficiente od addirittura consigliabile non andare ad intervenire in presenza di una situazione che, seppur non ottimale, non presenta però tendenze sensibili al peggioramento né pregiudico l'utilizzo del manufatto stesso. Naturalmente ciò può avvenire a patto di controlli periodici atti ad individuare prontamente qualsiasi sintomo che riveli una possibile evoluzione del danno.
Il monitoraggio strutturale non si esaurisce nella mera registrazione di grandezze fisiche variabili nel tempo (ampiezza di fessurazioni, inclinazioni, cedimenti ecc.), ma integra al suo interno anche una interpretazione fisica e soprattutto strutturale di tale misurazioni. Il monitoraggio strutturale, inoltre, è da considerarsi tra le tecniche di indagine non distruttive e quindi non invasive. Questo è un fattore molto importante, soprattutto in considerazione del fatto che tale tecnica può essere applicato ad edifici di un certo pregio storico senza che questi siano soggetti a fori, tagli, prelievi o danneggiamenti in genere.
Volendo schematizzare quelli che sono gli obiettivi di un monitoraggio si ha, in ordine crescente di grado di informazioni ottenute:
determinazione della presenza di danno;
localizzazione del danno;
quantificazione del danno;
stima della vita residua della struttura.
Per passare da un grado di conoscenza al successivo sono necessarie conoscenze e gradi di approfondimento sempre maggiori congiuntamente a tecniche di analisi sempre più complesse. Il grado di complessità sempre crescente delle costruzioni e la necessità di individuare e stimare il danno prima che esso sia macroscopicamente visibile mediante un'indagine visiva ha spinto ad utilizzare tecniche di analisi sempre più sofisticate.
I campi di applicazione del monitoraggio strutturale sono svariati: dalle indagini sulle catene di archi o volte di strutture monumentali al fine di valutarne la tensione di tiro attuale a la sua evoluzione all'identificazione del comportamento di viadotti stradali o ferroviari. Volendo fornire un elenco, sicuramente non esauriente, si ha:
determinazione puntuale e di tendenza nel tempo della tensione e del grado di vincolo per catene di volte, per cavi di strutture strallate, per pendini di ponti sospesi;
calibrazione di modelli numerici ad elementi finiti di ponti stradali e ferroviari, di passerelle pedonali, di edifici multipiano, di edifici industriali;
individuazione delle caratteristiche dinamiche (frequenze proprie, forme modali e caratteristiche di smorzamento) di strutture industriali e civili, di ponti;
individuazione del danno in edifici e strutture monumentali;
determinazione dell'efficacia di interventi di risanamento o di ristrutturazione, quali ad esempi irrigidimenti di solai lignei, risarcitura di lesioni o fessure passanti, interventi sugli apparecchi di appoggio di ponti o grandi strutture.
Accanto alle indagini più classiche, si vanno affermando sempre più in questi ultimi anni le indagini di tipo dinamico, cioè quelle indagini che permettono di identificare le caratteristiche dinamiche di una struttura: frequenze proprie, forme modali e caratteristiche di smorzamento. La caratterizzazione dinamica di una struttura, o meglio il suo comportamento dinamico, può ritenersi la sua "impronta digitale", nel senso che esso dipende solo dalle sue caratteristiche intrinseche (rigidezza, smorzamento, grado di vincolo, massa, ecc.) e non dall'entità o dal tipo di carichi applicati. Ciò significa che se non intervengono modificazioni interne al manufatto o evidenti non-linearità, intese come danneggiamenti allo stesso, il comportamento della struttura rimane inalterato. In caso di degrado si verificherà invece una variazione nelle caratteristiche dinamiche della struttura.
Il grosso vantaggio delle indagini dinamiche è che, se ben condotte, esse sono del tutto non invasive, ripetibili nel tempo e economicamente vantaggiose, specialmente se condotte utilizzando come fonte di eccitazione unicamente il rumore ambientale o un carico impulsivo. In ogni caso, a seconda degli scopi del monitoraggio e del gradi di raffinatezza che si desidera, è stato sviluppato un ampio spettro di tecniche di indagini in grado di soddisfare a tutte le esigenze. Alcune di tali tecniche sono descritte in dettaglio nella sezione pubblicazioni.