Vibrazioni negli edifici

Quando un committente dice «ci sono vibrazioni», non ha ancora detto quale problema ha. «Vibrazioni negli edifici» non è una domanda: sono quattro domande diverse, ognuna con una norma diversa, una grandezza diversa e una soglia diversa. Confonderle è l’errore più frequente nelle relazioni tecniche su questo tema, e produce numeri corretti che rispondono alla domanda sbagliata.

Le quattro domande

Le quattro non si sostituiscono a vicenda, e non si deducono l’una dall’altra. Un livello che non danneggia l’edificio può essere ampiamente disturbante per chi vi abita: la soglia di percezione umana è di ordini di grandezza inferiore alla soglia di danno. E un livello innocuo per le persone può essere fatale per un microscopio elettronico o una macchina di misura a coordinate.

UNI 9614:2017 lo dice da sé: esclude espressamente dal proprio campo di applicazione le vibrazioni sismiche, il danno strutturale, l’igiene del lavoro e il danno ad apparecchiature o attrezzature sensibili. È una norma che risponde a una domanda, e lo dichiara.

Il vuoto normativo italiano, e cosa mettere al suo posto

C’è un punto che va detto prima di qualunque numero: in Italia non esiste un limite di legge per le vibrazioni negli ambienti abitativi. La legge quadro sull’inquinamento acustico, la L. 447/95, riguarda il rumore. Il DPCM 14/11/1997 fissa i valori limite delle sorgenti sonore. Nessuno dei due si occupa di vibrazioni immesse in un edificio.

Quello che esiste è UNI 9614, che è una norma tecnica volontaria. Non è cogente per sé: diventa vincolante quando un contratto la richiama, quando un regolamento locale la adotta, o quando un giudice la assume come criterio tecnico di riferimento nel valutare una immissione ai sensi dell’art. 844 del Codice Civile.

La conseguenza operativa è precisa: il criterio di valutazione va dichiarato nella relazione, non dato per implicito. Una relazione che presenta un valore misurato e lo confronta con una soglia senza dire da dove viene quella soglia, e a che titolo si applica al caso, è contestabile prima ancora che si discuta del numero.

Disturbo alle persone: UNI 9614:2017

La norma stabilisce come misurare le vibrazioni immesse negli edifici — da sorgenti interne come impianti e ascensori, o esterne come traffico, ferrovia, cantieri — e con quali criteri valutarne il disturbo sugli occupanti. È in vigore dal 7 settembre 2017 e rimanda a ISO 2631-2:2003 per i metodi di misurazione e valutazione.

Cosa è cambiato con l’edizione 2017

L’edizione 2017 non è un aggiornamento cosmetico della precedente: introduce un approccio di valutazione diverso, ripreso dalla norma norvegese NS 8176. Chi ha lavorato con l’edizione degli anni Novanta non può quindi trasportarne la prassi: cambia la grandezza su cui si conclude, e cambia il modo di trattare gli eventi.

La conseguenza pratica: un confronto con misure storiche non è automatico. Se si deve rileggere una relazione del 2010, va dichiarato con quale edizione era stata prodotta, esattamente come per la transizione fra le due edizioni della ISO 9613-2 nel calcolo acustico.

Il campo di frequenza, e il suo limite inferiore

La valutazione riguarda la banda in cui il corpo umano risponde alle vibrazioni, che per gli edifici è convenzionalmente 1–80 Hz. UNI 9614 esclude esplicitamente le vibrazioni con frequenza inferiore al limite di banda inferiore del terzo d’ottava centrato a 1 Hz.

Il limite inferiore ha una conseguenza pratica. Le oscillazioni molto lente — quelle di un edificio alto sotto vento, per esempio — sono fuori dal perimetro di questa norma: si percepiscono, possono disturbare, ma vanno affrontate con altri strumenti. Se la misura mostra energia sotto 1 Hz, dichiararla e dichiarare che è fuori perimetro è più utile che includerla in un indice che non la contempla.

La ponderazione, e perché non si può ignorare

Il corpo umano non risponde allo stesso modo a tutte le frequenze. La stessa accelerazione, a 4 Hz e a 60 Hz, produce due sensazioni diverse: le frequenze basse eccitano risonanze degli organi e del tronco, quelle alte si attenuano nei tessuti. La valutazione del disturbo si fa quindi sull’accelerazione ponderata in frequenza, cioè filtrata con una curva che riproduce quella sensibilità.

La ponderazione dipende anche dalla direzione: la risposta lungo l’asse verticale (piedi-testa, per una persona in piedi) è diversa da quella lungo gli assi orizzontali, e le curve sono di conseguenza diverse. Da qui due conseguenze sulla misura:

• serve un accelerometro triassiale, o tre monoassiali orientati;
• servono gli assi in fase fra loro, perché la composizione delle tre componenti è un’operazione vettoriale (vedi la sezione sulla catena di misura).

Una misura monoassiale verticale non è sbagliata in sé, ma vale solo se si è verificato che le componenti orizzontali sono trascurabili — e questa verifica richiede comunque di averle misurate.

Eventi ripetuti: perché un singolo valore efficace non basta

Il traffico, la ferrovia e i cantieri non producono una vibrazione stazionaria: producono eventi. Un treno passa in venti secondi, poi per otto minuti non passa nulla. Un valore efficace mediato sull’intera ora diluisce l’evento nel silenzio che lo circonda e restituisce un numero basso, che non descrive l’esperienza di chi abita là.

Per questo l’approccio moderno alla valutazione degli eventi ripetuti non usa una media semplice ma un descrittore che rappresenta l’insieme degli eventi — tipicamente un valore massimo statistico, come il percentile alto della distribuzione dei massimi dei singoli eventi. È la direzione in cui va l’impianto NS 8176 richiamato da UNI 9614:2017.

Una famiglia di descrittori affine, definita in ISO 2631-1, è quella basata sulla dose di vibrazione, che integra la quarta potenza dell’accelerazione ponderata nel tempo:

$$\mathrm{VDV}={\left[{\int }_0^T{a}_w^4(t)\mathrm{d}t\right]}^{1/4}$$

L’esponente 4 non è arbitrario nel senso di casuale: pesa gli eventi brevi e intensi molto più di quanto farebbe una media quadratica, che è il comportamento voluto quando si descrive il disturbo prodotto da picchi occasionali. Il prezzo è che il VDV cresce con la durata dell’osservazione, quindi un VDV senza il suo periodo di riferimento non significa niente: va sempre dichiarato su quale intervallo è stato calcolato.

Danno all’edificio: UNI 9916:2014

Quando la domanda è se l’edificio si stia danneggiando, il riferimento è un altro: UNI 9916:2014, in vigore dal 16 gennaio 2014, che fornisce una guida per la scelta dei metodi di misurazione, del trattamento dei dati e della valutazione dei fenomeni vibratori, valutandone gli effetti sugli edifici in termini di risposta strutturale e integrità architettonica.

Tre differenze sostanziali rispetto alla valutazione del disturbo:

• La grandezza cambia. Per il danno il descrittore usato in questo dominio è tipicamente la velocità di vibrazione, e nella sua forma di picco, non l’accelerazione ponderata: il danno è legato alla deformazione, e la velocità ne è un migliore indicatore.
• La ponderazione non si applica. Le curve di ponderazione riproducono la sensibilità del corpo umano, che con la muratura non ha niente a che vedere.
• Il punto di misura cambia. Il disturbo si valuta dove stanno le persone, tipicamente sul solaio al centro della campata, dove l’ampiezza è massima. Il danno si valuta sulla struttura, alla base o sull’elemento sospetto, dove interessa la sollecitazione reale.

Le soglie dipendono dalla categoria dell’edificio — industriale, civile, di interesse storico — e dalla frequenza, perché a parità di velocità una sollecitazione lenta e una rapida producono deformazioni diverse. Un edificio storico ha soglie sensibilmente più basse: è il caso in cui la distinzione fra le due domande diventa più costosa da sbagliare, perché le due risposte possono divergere di un ordine di grandezza.

Esposizione dei lavoratori: D.Lgs 81/08

È la terza domanda, e ha una risposta di legge, non tecnica volontaria. Il D.Lgs 81/08, Titolo VIII Capo III disciplina l’esposizione dei lavoratori alle vibrazioni con valori d’azione e valori limite espressi come esposizione giornaliera normalizzata a otto ore, A(8):

Superato il valore d’azione scattano obblighi di informazione, formazione e sorveglianza sanitaria; il valore limite non può essere superato. Le misure si riferiscono a ISO 5349 per il sistema mano-braccio e a ISO 2631-1 per il corpo intero.

Questi numeri riguardano l’esposizione di un lavoratore a un utensile o a un mezzo, non il disturbo di chi abita un edificio. Non sono trasferibili all’ambiente abitativo, in nessuna delle due direzioni: sono più permissivi di diversi ordini di grandezza rispetto alle soglie di disturbo, perché descrivono un rischio di danno alla salute da esposizione professionale, non il fastidio.

Apparecchiature sensibili

La quarta domanda non ha una norma italiana. La severità dell’ambiente vibratorio per strumentazione — microscopia, litografia, macchine di misura, bilance analitiche — si esprime con criteri di severità espressi come velocità efficace per banda di terzo d’ottava, le cosiddette curve VC, che scendono di decade in decade fino a valori dell’ordine dei micrometri al secondo.

Va citata qui per una ragione sola: se in un edificio c’è strumentazione sensibile, la domanda dominante è quasi sempre questa, e ha soglie molto più basse delle altre tre. Progettare per il comfort delle persone non garantisce nulla per un microscopio.

La catena di misura, che è dove i numeri si formano

Le norme dicono cosa valutare. Il valore che si valuta, però, esce da una catena di acquisizione, e i suoi difetti non si vedono nel risultato: si vedono come un numero plausibile.

L’accelerometro e l’interfaccia IEPE

Gli accelerometri piezoelettrici per queste misure usano tipicamente l’interfaccia IEPE: due fili portano contemporaneamente l’alimentazione, come corrente costante di qualche milliampere, e il segnale, come tensione sovrapposta a una tensione di riposo. Il vantaggio è il cablaggio; il vincolo è che il front-end deve fornire l’eccitazione, disaccoppiare la componente continua e — questo conta in campo — rilevare cavo interrotto e cortocircuito, perché una misura di otto ore con un cavo staccato al secondo minuto è otto ore buttate.

Il campionamento simultaneo, e perché è la condizione dell’analisi triassiale

Un accelerometro triassiale dà tre segnali. Se i tre canali vengono letti a turno attraverso un multiplexer, ogni asse è campionato in un istante diverso: la composizione vettoriale delle tre componenti viene allora calcolata su dati che non appartengono al medesimo momento. Lo sfasamento è piccolo in valore assoluto, ma il suo effetto cresce con la frequenza: a 80 Hz, il limite superiore della banda di interesse, un ritardo fra canali che a 1 Hz è trascurabile diventa una frazione non trascurabile di periodo.

Il campionamento simultaneo dei canali è quindi la condizione perché gli assi restino in fase fra loro, ed è un requisito dell’hardware di acquisizione, non qualcosa che si corregge in post-elaborazione.

È la ragione per cui il front-end a quattro canali per sensori IEPE che sviluppiamo campiona i canali in simultanea, e non a turno: la scheda è sulla pagina elettronica, con conversione a 24 bit su 20 kHz di banda ed eccitazione a bordo.

Risoluzione e gamma dinamica

Le vibrazioni negli edifici hanno una gamma dinamica larga: fra il fondo notturno di un edificio quieto e il passaggio di un mezzo pesante ci sono decine di decibel. Una conversione a 24 bit non serve a leggere il ventesimo bit — il rumore proprio del sensore e del front-end arriva prima — ma a non dover cambiare guadagno fra la notte e il transito, cosa che in una misura non presidiata di ventiquattro ore non si può fare.

Incertezza, e cosa va dichiarato

Un valore senza la sua incertezza non è confrontabile con una soglia. I contributi da mettere in bilancio sono almeno:

• taratura della catena sensore-condizionatore, con la sua data e il suo certificato;
• montaggio del sensore: l’accoppiamento meccanico è il contributo più sottovalutato, e un fissaggio a cera o magnetico ha una frequenza di taglio propria che va conosciuta;
• posizione, che su un solaio cambia il risultato in modo tutt’altro che marginale fra centro campata e appoggio;
• rappresentatività temporale, che su un fenomeno a eventi è spesso il contributo dominante: misurare due treni o venti non è la stessa cosa.

Il criterio è quello della guida GUM: dichiarare il bilancio, non solo il risultato. E per un confronto con una soglia serve anche una regola di decisione dichiarata: con quale margine si conclude conforme o non conforme, dato che l’incertezza esiste.

Condizioni di validità di questa pagina

• I riferimenti normativi sono verificati alla fonte per titolo, edizione e campo di applicazione. Le tabelle di soglia delle norme non sono riprodotte qui: sono contenuto delle norme stesse, che vanno consultate nell’edizione vigente. I valori del D.Lgs 81/08 sono invece di legge e riportati.
• La pagina descrive come si impostano le quattro domande, non fornisce un criterio di conformità pronto all’uso: quello dipende dall’edizione della norma applicabile, dalla destinazione d’uso, dal periodo e dal criterio contrattuale o giudiziale richiamato nel caso concreto.
• Una valutazione che porta una firma richiede strumentazione tarata, posizionamento motivato, rappresentatività temporale documentata e la responsabilità di un tecnico competente. Nessun documento e nessun programma sostituiscono quella responsabilità.

Riferimenti

• UNI 9614:2017 — Misura delle vibrazioni negli edifici e criteri di valutazione del disturbo. In vigore dal 7 settembre 2017. Rimanda a ISO 2631-2:2003 per i metodi di misurazione e valutazione; approccio di valutazione ripreso da NS 8176. Esclude vibrazioni sismiche, danno strutturale, igiene del lavoro e danno ad apparecchiature. Scheda UNI
• UNI 9916:2014 — Criteri di misurazione e valutazione degli effetti delle vibrazioni sugli edifici. In vigore dal 16 gennaio 2014. Scheda UNI
• ISO 2631-1 — Valutazione dell’esposizione del corpo intero alle vibrazioni: requisiti generali, ponderazioni in frequenza, descrittori compresa la dose di vibrazione.
• ISO 2631-2 — Vibrazioni negli edifici, banda 1–80 Hz.
• ISO 5349-1 / -2 — Vibrazioni trasmesse al sistema mano-braccio: misura e guida pratica.
• D.Lgs 9 aprile 2008 n. 81, Titolo VIII Capo III — Protezione dei lavoratori dai rischi di esposizione a vibrazioni meccaniche. Valori d’azione e limite su A(8).
• Codice Civile art. 844 — Immissioni: il criterio della normale tollerabilità, che è il quadro in cui una misura di vibrazioni entra in un contenzioso civile.