Sistemi di prova

La colonna risonante : così si fotografa la realtà

AperturaLa sperimentazione non deve mai essere avulsa dalla realtà, ma in essa profondamente radicata. È quello che assicura un sistema di prova che consente di fare misurazioni ad hoc su terreni e materiali naturali.  Ecco l’esperienza del Laboratorio Geotecnico della Provincia Autonoma di Trento.

In un momento in cui purtroppo il dissesto idrogeologico del nostro Paese è sotto gli occhi di tutti e non passa giorno in cui non si avverta, a livello nazionale, qualche scossa sismica (spesso fortunatamente percettibile solo ai sismometri), emerge più impellente che mai l’esigenza di conoscere e indagare le terre e le rocce su cui sono e verranno costruite opere pubbliche e private, per impedire che l’incuria, l’incompetenza, l’approssimazione si trasformino in tragedia, come sfortunatamente è già avvenuto.

Un’importante azione in questo senso è svolta dai Laboratori geotecnici, che effettuano sui terreni prove geognostiche utili per garantire che quanto si costruirà sia non solo gradevole e funzionale ma soprattutto sicuro.

La Provincia Autonoma di Trento ospita, oltre a un laboratorio che si occupa di prove sui materiali da costruzione, un Laboratorio di Geotecnica che esegue prove sui terreni e sulle rocce, mirate all’ingegneria civile e alla protezione del territorio. Qui confluiscono e vengono analizzati dal punto di vista fisico e meccanico i campioni di terra e di roccia: i risultati delle indagini vengono utilizzati per la realizzazione di opere pubbliche e private sia dall’Amministrazione Provinciale sia da committenti esterni (imprese e liberi professionisti).

Il Laboratorio è un settore del Servizio Geologico della Provincia Autonoma di Trento e lavora principalmente per il proprio territorio anche se spesso arrivano incarichi da fuori provincia, in particolare dal Bellunese per quanto riguarda le rocce, con collegamenti anche con alcune università italiane.

Nella struttura opera anche la Rete Sismica, e in particolare la sala di gestione e analisi dati delle stazioni sismiche collocate sul territorio provinciale, un settore che necessita di apparecchiature costantemente aggiornate e all’avanguardia. I dati sismici sono utili anche per la microzonazione sismica, attività di indagine finalizzata alla definizione della pericolosità sismica su scala locale.

La tecnologia associata alle apparecchiature da laboratorio ha registrato negli ultimi anni una notevole evoluzione, passando da strumenti di misura analogici a strumenti digitali e a sistemi di controllo via via più sofisticati, permettendo così di poter effettuare prove complesse a cui solo 10 anni fa era impossibile accedere se non attraverso l’ambito strettamente universitario.

Qui vengono eseguite prove di classificazione e riconoscimento, dalle granulometrie ai limiti di Atterberg, le quali permettono di individuare quelle che in geotecnica sono le proprietà indice dei suoli e delle rocce. Sono poi eseguite prove di caratterizzazione meccanica. Nell’ambito delle terre le principali prove eseguite sono quelle di consolidazione edometrica, di taglio diretto, triassiali, di conducibilità idraulica generalmente eseguite in cella triassiale. Per le rocce, oltre alla ricerca delle proprietà indice, si eseguono prove meccaniche quali le compressioni monoassiali, con misura delle deformazioni per il calcolo del modulo elastico e del coefficiente di Poisson, e compressioni triassiali, durante le quali si applicano pressioni di confinamento crescenti per simulare il carico litostatico. Anche sulle rocce vengono eseguite prove di taglio, indagando le discontinuità naturali che si riscontrano generalmente nell’ammasso roccioso.

Il prelievo dei campioni dal sito di studio non compete al laboratorio, che si concentra invece sulle sole attività di sperimentazione interne.

Un’apparecchiatura speciale

Esempio di curva di risposta in frequenza per la ricerca delle frequenze di risonanza
Esempio di curva di risposta in frequenza per la ricerca delle frequenze di risonanza

L’accuratezza richiesta alla sperimentazione condotta dai Laboratori per le finalità legate alla sicurezza delle progettazioni richiede apparecchiature idonee e all’avanguardia.

Una delle ultime apparecchiature acquisite dal Laboratorio Geotecnico della Provincia Autonoma di Trento è quella di colonna risonante e di taglio torsionale ciclico della Wykeham Farrance, che è la Divisione Meccanica delle Terre di Controls, in grado di misurare il modulo di taglio dinamico, e il fattore di smorzamento dei terreni in funzione della loro deformazione.

Abbiamo incontrato a Trento Fabio Fedrizzi, che lavora da vent’anni nel Laboratorio Geotecnico della Provincia e gli abbiamo chiesto di illustrarci le fasi che caratterizzano le procedure di test eseguite con questa apparecchiatura.

«Innanzitutto il terreno viene sottoposto a uno stato tensionale atto a riprodurre le condizioni naturali di sito. Si controllano tutte le proprietà del provino (grado di consolidazione, peso di volume, saturazione, ecc.) e quando esso assume le caratteristiche fisico-meccaniche desiderate si passa alla determinazione del modulo di taglio dinamico sulla base della misura delle onde elastiche di taglio.

In occasione del restauro del Castello di Caldès, abbiamo avuto la possibilità di ottenere campioni indisturbati (che conservano cioè tutte le caratteristiche fisiche e meccaniche – ndr) di elevata qualità.

Il Castello di Caldes
Il Castello di Caldes

Su questi campioni sono state eseguite tutte le analisi richieste per il progetto di restauro e successivamente si è colta l’occasione per condurre prove in colonna risonante e taglio torsionale ciclico per sviluppare analisi di microzonazione sismica tramite modellazioni numeriche. Il progetto è stato svolto in collaborazione con l’Università degli Studi di Padova che in particolare ha curato le prove geofisiche in sito.

Si tratta di uno studio interdisciplinare che coinvolge diverse competenze (geologica, geofisica, geotecnica, strutturistica) e che ha consentito la calibrazione del sistema di microzonazione sismica. L’obiettivo è utilizzare le informazioni geofisiche e i risultati delle sperimentazioni di laboratorio per la costruzione di un modello stratigrafico del sottosuolo e quindi per i modelli di calcolo di scuotimento sismico al suolo in termini predittivi.

Attualmente stiamo utilizzando la colonna risonante per avere informazioni su un versante a rischio, ubicato sulla collina di Trento in località San Rocco. Qui alla geotecnica tradizionale abbiamo associato alla prova con la colonna risonante prove di taglio torsionale ciclico condotte a diversa frequenza.

L’obiettivo è quello di costruire un «archivio storico» d’informazioni geotecniche estese alle prove dinamiche e cicliche di laboratorio riguardante le varie tipologie di terreni presenti sul territorio, cogliendo l’opportunità di avere a disposizione campioni indisturbati prelevati in occasione delle campagne geognostiche.

Il grosso vantaggio di disporre di una strumentazione di colonna risonante e taglio torsionale ciclico sta nella possibilità di effettuare misurazioni dirette su terreni e materiali naturali. In alternativa è necessario riferirsi a dati di letteratura o curve sperimentali relativi a siti geologici diversi».

E per quanto riguarda i futuri utilizzi della colonna risonante?

«La nostra intenzione è quella di effettuare la validazione del metodo, specialmente per quanto riguarda l’utilizzo in modalità taglio torsionale ciclico che si basa su un principio fisico diverso da quello della colonna risonante. La modalità colonna risonante ricerca la frequenza di risonanza del sistema «provino + apparecchiatura», da cui si determina il modulo di taglio dinamico. Il taglio torsionale ciclico invece applica dei cicli di deformazione a bassa frequenza costante; in questo modo si riesce a descrivere il comportamento isteretico del provino, cioè a rappresentare i cicli di istéresi da cui ricavare il modulo di taglio. In pratica l’apparecchiatura ricava parametri analoghi dal punto di vista concettuale ma con due metodi sperimentali basati su principi fisici differenti. La necessità di validare il metodo di taglio torsionale ciclico deriva dall’attuale mancanza di un riferimento normativo per la procedura sperimentale, mentre per il metodo della colonna risonante esiste uno standard di prova ASTM.

[su_box title=”Il parere di Fabio Fedrizzi sulla strumentazione”]

Box 1L’abbiamo acquistata due anni fa e non abbiamo quasi mai smesso di utilizzarla in maniera intensiva. La cosa che ho apprezzato di più, come sperimentatore, è stata la possibilità di interloquire direttamente con chi ha progettato e costruito questa apparecchiatura. Questo prodotto non può essere consegnato al cliente come un’attrezzatura qualsiasi, ma deve essere illustrato da personale esperto che segua la sua introduzione in laboratorio e tenga monitorati i necessari aggiustamenti richiesti dal progredire della sperimentazione. Un training che con Controls è stato possibile, rivelandosi fondamentale per il perfetto utilizzo della macchina. Per questo la possibilità di accedere direttamente a chi ha pensato e costruito la colonna risonante per noi è stato fondamentale. A un anno dall’acquisto abbiamo organizzato una giornata di confronto tra noi e Controls, estremamente utile al Costruttore. Questo confronto ha permesso a Controls di capire come noi stessimo usando la strumentazione al fine di potenziarne le qualità, a noi invece di procedere con la validazione del metodo. Nulla da dire sulla funzionalità dell’apparecchiatura: il software è idoneo alle attività sperimentali ed è strutturato in modo che sia possibile reperire le costanti di controllo degli attuatori e di calibrazione degli strumenti di misura. I risultati conseguiti hanno permesso di evidenziare un diverso comportamento delle differenti tipologie di suolo comunemente riscontrabili in Trentino, dove la componente argillosa non è dominante, in accordo con i dati reperibili nella letteratura scientifica di riferimento e con gli aspetti teorici. [/su_box]

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