Prove di Caratterizzazione Dinamiche su Strutture

L'analisi modale sperimentale è un valido strumento per l'individuazione del comportamento globale di un'opera e la validazione di un modello numerico finalizzato alle verifiche strutturali. Mediante prove sperimentali dinamiche, adottando forzanti note, Analisi Modale Sperimentale (EMA) o eccitazioni ambientale o random, Analisi Modale Operazionale (OMA), si riesce ad ottenere una stima della risposta del sistema di tipo globale individuando così le frequenze proprie, i relativi modi di vibrazione e i coefficienti di smorzamento. Questi parametri identificati sono caratteristici della struttura e rimangono invariati nel tempo (a meno di modifiche nella rigidezza, massa o vincoli) per cui la prova vibrazionale viene soprannominata "la Carta di Identità" della struttura. 
Le attuali Norme Tecniche per le Costruzioni 2018 indicano che:

"Per le opere di significativa rilevanza, le prove statiche andranno completate da prove dinamiche, che misurino la rispondenza del ponte all'eccitazione dinamica, controllando che il periodo fondamentale sperimentale sia confrontabile con quello previsto in progetto". 

Si sottolinea, quindi, il ruolo fondamentale svolto dall'analisi modale sperimentale nell'ambito del monitoraggio strutturale. 
Il metodo viene anche classificato sia sulla base del numero dei gradi di libertà da strumentare (SDOF, 1 gdl; MDOF, più gdl) sia dal numero di input (posizione delle forzanti), sia dal numero dei punti di misurazione. 

La caratterizzazione dinamica può essere condotta impiegando l'Analisi Modale Sperimentale (EMA) nel caso di input noto, sollecitando la struttura in un punto i e valutando la risposta, in termini di accelerazione in un altro punto j. Si ottiene così una funzione complessa Hij(Ω), nel dominio delle frequenze, che rappresenta la Funzione di Risposta in Frequenza (FRF) nel punto, la quale è espressa dal rapporto tra la trasformata di Fourier della risposta del sistema U(Ω) e la trasformata di Fourier dell'eccitazione P(Ω). 

Ripetendo le misurazioni in vari punti della struttura si ottiene la Matrice di Risposta in Frequenza Hij da cui è possibile ricavare il comportamento dinamico del manufatto. Per consentire l'estrazione dei parametri modali si ricorre all'uso di tecniche di analisi Fast Fourier Transform (FFT) dei segnali, che vengono convertiti dal dominio del tempo (in cui si effettuano le registrazioni) a quello della frequenza (in cui si individuano gli output). Successivamente la tecnica del Peak-Picking (PP) consente di identificare le frequenze naturali mediante la lettura dei picchi di risposta nei grafici degli spettri di risposta, i corrispondenti modi vibrazionali e gli smorzamenti. 

Una tecnica più complessa ma al tempo stesso più performante è l'analisi modale operazionale (OMA) che permette, mediante la FDD (Frequency Domain Decomposition), di valutare i parametri dinamici dell'opera d'arte. I dati acquisiti nel 
dominio del tempo vengono trasformati nel dominio della frequenza grazie all'algoritmo della Fast Fourier Transform (FFT) e preliminarmente trattati, vengono elaborati da un software dedicato consentendo la lettura delle frequenze sullo spettro dei valori singolari della matrice di densità spettrale. 

La tecnica FDD (Frequency Domain Decomposition) risulta essere una estensione della tecnica BFD (Basic Frequency Domain). Attraverso la FDD i modi possono essere stimati dalle densità spettrali sotto le ipotesi di rumore bianco come input e struttura debolmente smorzata. La tecnica non parametrica identifica le caratteristiche modali dalla FDD utilizzando i Valori Singolari di Decomposizione (SVD - Singular Value Decomposition) di ognuna delle matrici di densità spettrale. Questa decomposizione corrisponde all'identificazione di un Singolo Grado di Libertà (SDOF) del sistema per ogni singolo valore. 

L'analisi Modale Operazionale (OMA) consente di sfruttare il rumore ambientale per l'identificazione strutturale evitando l'impiego di attrezzature particolari, tipo vibrodine o eccitatori. 

Le prove di caratterizzazione dinamica presentano numerosi vantaggi: 
· Prova rapida, economica e di facile conduzione grazie all'attrezzatura maneggevole; 
· I parametri modali sono rappresentativi del comportamento globale nelle reali condizioni di esercizio della struttura; 
· La prova non interferisce con l'operatività dell'opera, per cui non è necessario chiudere al traffico l'infrastruttura; 
· Confronto dei risultati ante e post intervento; 
· Rappresentano un importante strumento per la CALIBRAZIONE di un modello FEM di una struttura esistente e nella conseguente VALIDAZIONE. 

Le prove dinamiche possono essere utilizzate sia per indagare  porzioni di manufatto (sottostrutture), per esempio il caso degli interventi locali di consolidamento o rifacimento di porzioni di soletta o solai, sia per caratterizzare il manufatto nel suo complesso. 

Le acquisizioni accelerometriche vengono effettuate secondo set up di prova, utilizzando un numero adeguato di accelerometri posizionati in particolari punti di misura in modo tale da distinguere il comportamento delle diverse forme modali. Le registrazioni accelerometriche effettuate nel dominio del tempo vengono trasformate nel dominio della frequenza mediante un algoritmo (FFT). I parametri modali vengono successivamente stimati attraverso l'impiego di software NVA Modal Test per quanto riguarda i segnali ottenuti da eccitazione nota e con software dedicati. 

Deformate modali e coefficienti di smorzamento

Le prove di caratterizzazione dinamica possono essere ulteriormente eseguite ai fini del monitoraggio strutturale. Si può prevedere l'esecuzione delle prove ad intervalli predefiniti di tempo, al fine di individuare eventuali modifiche del comportamento globale (legate a variazioni di rigidezza, massa, vincoli esterni e/o condizioni di contorno).
In alternativa possono essere utilizzate per la valutazione dell'efficacia di un intervento, prevedendo 2 prove: una ante e una post intervento.