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P sistemi di prova

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

AA di Daniela GranciniLa colonna risonante. Così si fotografa la realtàLa 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.

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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

Il parere di Fabio Fedrizzi sulla strumentazioneL’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 fi ne 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 diff erenti tipologie

di suolo comunemente

riscontrabili in Trentino,

dove la componente

argillosa non è dominante,

in accordo con i dati

reperibili nella letteratura

scientifi ca di riferimento e

con gli aspetti teorici.

sismica, attività di indagine fi nalizzata alla defi nizione 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 sofi sticati, permettendo così di poter eff ettuare prove complesse a cui solo 10 anni fa era impossibile accedere se non attraverso l’ambito strettamente universitario. Qui vengono eseguite prove di classifi cazione 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

Unità di controllo e acquisizione dell’apparecchiatura Esempio di curva di risposta in frequenza per la ricerca delle frequenze di risonanza

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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,

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

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.

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,

Cos’è la colonna risonanteIl sistema Colonna Risonante Wykeham Farrance Mod.

31-WF8500 combina le caratteristiche sia della colonna

risonante che del taglio torsionale ciclico in un’unica

attrezzatura che include il dispositivo per l’applicazione

del momento torcente alla testa del provino, una serie

di trasduttori con condizionatore di segnale, un sistema

elettro-pneumatico di controllo della contropressione

e della pressione in cella e un datalogger per

l’acquisizione dei dati.

Nella prova di colonna risonante un provino cilindrico

viene tenuto fisso alla base e viene sollecitato

dinamicamente alla sommità.

La sollecitazione meccanica torsionale è generata da un

motore elettromagnetico costituito da otto bobine che

interagiscono con 4 magneti permanenti resi solidali

con la testa del provino mediante una piastra.

Il range di frequenza generata varia fino a un

massimo di 300 Hz. L’ampiezza massima di risposta

permette di determinare la frequenza di risonanza;

da quest’ultima, basandosi sulla teoria dell’elasticità,

vengono calcolati il modulo di taglio e la velocità

delle onde di taglio.

La corrispondente deformazione di taglio viene

valutata sulla base dell’ampiezza di risposta.

Il fattore di smorzamento può essere determinato

con il metodo della «semibanda di potenza» o con

il metodo del decadimento delle oscillazioni libere

ottenute interrompendo l’eccitazione.

Nella prova di taglio torsionale viene applicata al

provino una coppia torcente ciclica a bassa frequenza

(massimo 20 Hz), monitorando continuamente la

torsione e la deformazione angolare. Dalle curve

torsione-deformazione è possibile determinare la

relazione tra lo sforzo di taglio e la deformazione

di taglio medio, il modulo di taglio e il fattore di

smorzamento. La prova viene svolta effettuando due

fasi preliminari: la saturazione e la consolidazione.

Al termine di quest’ultima vengono svolte le prove

RC (prova di colonna risonante) e successivamente

TTC (prova di taglio torsionale ciclico) che normalmente

sono eseguite in condizioni non drenate, misurando

la variazione della pressione interstiziale.

Esempio di rappresentazione delle misure sperimentali condotte in modalità colonna risonante e taglio torsionale ciclico su 8 campioni indisturbati di terre limo-argillose provenienti dal sito di Castel Caldes in Trentino

Da sinistra Fabio Fedrizzi ed Alfio Viganò

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particolare ha curato le prove geofi siche in sito.Si tratta di uno studio interdisciplinare che coinvolge diverse competenze (geologica, geofi sica, geotecnica, strutturistica) e che ha consentito la calibrazione del sistema di microzonazione sismica. L’obiettivo è utilizzare le informazioni geofi siche e i risultati delle sperimentazioni di laboratorio per la costruzione di un modello stratigrafi co 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

modulo di taglio dinamico sulla base della misura delle onde elastiche di taglio. In occasione del restauro del Castello di Caldes, abbiamo avuto la possibilità di ottenere campioni indisturbati (che conservano cioè tutte le caratteristiche fi siche e meccaniche – ndr) di elevata qualità. 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

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 fi sico-meccaniche desiderate si passa alla determinazione del

COS’È LA MICROZONAZIONE SISMICAIl dott. Alfi o Viganò, dipendente dell’Istituto Nazionale di Oceanografi a e di Geofi sica Sperimentale, collabora da oltre 5 anni con la Rete Sismica del Servizio Geologico della Provincia Autonoma di Trento per ricerche correlate al rischio sismico e alla microzonazione sismica del territorio. Gli chiediamo di spiegarci in dettaglio di che cosa si tratta. «Lavoriamo principalmente sulla pericolosità sismica che distinguiamo in due livelli, un livello di base che è correlato al grado di sismicità dell’area e un livello specifi co a scala locale. La pericolosità sismica di base viene espressa in termini di accelerazione, quindi ogni territorio in Italia ha un certo grado di pericolosità in funzione dell’accelerazione massima al suolo che ci si aspetta in quella determinata area. Questo valore viene utilizzato dagli ingegneri per la progettazione di edifi ci, infrastrutture ecc. secondo le nuove norme tecniche per le costruzioni. La pericolosità di livello specifi co a scala locale riguarda invece gli eff etti di scuotimento in superfi cie legati non tanto alla sorgente sismica o a come le onde sismiche si propagano nella crosta terrestre, ma alle amplifi cazioni sismiche legate alla strutturazione geologica di quel determinato sito. In particolare, litologia, stratigrafi a, morfologia e proprietà fi siche dei materiali geologici del sottosuolo possono provocare locali amplifi cazioni anche rilevanti del moto sismico». Dal punto di vista sismico i Comuni del territorio nazionale sono classifi cati in 4 categorie che vanno dalla zona 4, a più bassa sismicità, alla zona 1, che ha sismicità più alta. In Trentino i comuni sono classifi cati con sismicità da bassa a trascurabile, in zona 3 e in zona 4. A questa classifi cazione comunale del territorio va abbinata la caratterizzazione quantitativa della pericolosità espressa in accelerazione del suolo. A queste ultime carte di pericolosità si riferiscono appunto gli ingegneri nel progetto delle opere.

Provino di limo-argilloso dopo l’esecuzione delle prove Strumentazione per prove triassiali sui terreni

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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”.

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

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QUALCHE CASO DI STUDIONel mondo delle costruzioni l’interlocutore principale del Laboratorio Geotecnico del Servizio Geologico della Provincia Autonoma di Trento è la stessa amministrazione provinciale, per esempio il servizio opere stradali (strutture viarie, ponti, gallerie…) che si avvale in fase progettuale della collaborazione del Laboratorio, per prove sia su terre che su rocce. Tra gli interventi recenti è senz’altro da segnalare il Depuratore Trento 3 che verrà progettato nell’estrema periferia sud della città, tra Trento e Rovereto, in località Murazzi e che ha richiesto notevole impegno al Laboratorio. Un progetto che è in fase di attuazione: la campagna sperimentale di prove di laboratorio è ormai conclusa e tutti i dati sono ora in mano ai progettisti. Un’altra grande opera che verrà realizzata è il nuovo ospedale del Trentino, sul sedime del vecchio laboratorio, oggi demolito.

Castello di Caldes, sito di studio per la microzonazione sismica

Zona della Valle dell’Adige dove sarà costruito il depuratore Trento 3

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