Monitoraggio dei carichi nella Olympiahalle di Monaco di Baviera

Architettura moderna senza tempo degli anni settanta – l'Olympiapark di Monaco

I concerti odierni, specialmente quelli di musica pop, diventano sempre più stravaganti ed impegnativi. Di conseguenza, le attrezzature usate dagli artisti diventano sempre più grandi e pesanti. Essendoci un limite al carico massimo che si può appendere al soffitto od alla struttura dei ponti di illuminazione, esso deve essere controllato in modo efficace.
Il monitoraggio delle sollecitazioni della straordinaria struttura del tetto della Olympiahalle di Monaco ha rappresentato una grande sfida per gli ingegneri. Essa è stata risolta utilizzando la tecnologia di misura della HBM.

Al contrario dei Giochi Olimpici di Berlino del 1936, l'architettura dell'Olympiapark costruito a Monaco nel 1972 in occasione dei XX Giochi Olimpici, voleva simbolizzare libertà e democrazia.

Progettata dallo Studio di Architettura Behnisch & Partner Olympiapark Architecture Group, insieme a Frei Otto, la famosa struttura del tetto si estende sullo stadio, la piscina olimpica coperta e la Olympiahalle, oltre che sullo spazio fra gli impianti sportivi. Gli impianti sportivi sono incorporati in un parco da 850.000 m2, completo di colline e di un lago artificiale. Dato che alcuni degli impianti sportivi sono sotto il livello del suolo, il tetto ricurvo grande 80.000 m2 è un punto di richiamo impressionante dell'Olympiapark. Il tetto è una struttura di cavi di acciaio, sospesa a piloni alti fino ad 80 m e ricoperta da lastre di vetro acrilico.

La struttura del tetto sostiene l'illuminazione

La struttura del tetto della Olympiahalle, con due travi principali e quattro ponti per l'illuminazione, è sospesa a quattro punti.

Durante i Giochi Olimpici del 1972, la Olympiahalle era la casa delle competizioni ginniche e di palla a mano, ma ora mette principalmente in scena concerti ed altri eventi importanti. L'illuminazione è di enorme importanza per i promotori, specialmente per i concerti più importanti.

La Olympiahalle dispone di quattro ponti di illuminazione, che corrono da est ad ovest sotto il tetto di tende, a cui i promotori possono sospendere la loro tecnologia. Questi quattro ponti di illuminazione sono staticamente determinati e sono attaccati alle due travi principali che corrono da nord a sud. Anche queste sono staticamente determinate e sono sospese da cavi di acciaio dei pilastri che sostengono anche il tetto a tende.

Il punto di transizione fra le travi principali ed il cavo portante è risolto da una barra filettata, di diametro 80 o 110 mm, che corre attraverso il supporto. Fra la barra ed il supporto c'è un cuscinetto a rulli che impedisce alla barra di essere soggetta a sollecitazioni flessionali nella direzione nord - sud. Dato l'impiego per cui era stato progettato, una simile mobilità non è prevista e perciò manca per la direzione ovest - est.

L'intera struttura di travi principali, ponti di illuminazione e tecnologia fissa per illuminazione, suono e video, pesa complessivamente circa 350 tonnellate e, data la sospensione a cavi, si comporta come un'altalena. La distribuzione non uniforme dei carichi in direzione ovest - est, che nei concerti è una regola per la maggior parte della tecnologia perché il palco è situato da un lato, comporta la traslazione di tutta la struttura a ponte, perciò le barre filettate sono soggette a sollecitazioni di flessione non previste.

Così, mentre la Olympiahalle veniva ristrutturata, la Stadtwerke München, società di utilità pubblica della città di Monaco proprietaria dell'edificio, insieme alla società operatrice Olympiapark GmbH decise di installare un sistema di monitoraggio per verificare ambedue le sollecitazioni flessionali delle barre nell'edificio e di controllare permanentemente il peso della tecnologia sospesa per ogni manifestazione, oltre alla sua distribuzione lungo i ponti.

Le barre filettate a cui è connessa l'intera struttura del tetto, sono munite di trasduttori di deformazione che ne rilevano la flessione.

Esigenze molto elevate pretese dalla tecnologia di misura

Prima di iniziare i lavori di assemblaggio, il promotore del concerto deve informare la Olympiapark GmbH coi cosiddetti piani di armamento, concernenti i carichi che verranno appesi ai ponti di illuminazione. Precedentemente, era possibile monitorare i carichi effettivi solo effettuando singole misurazioni che prendono molto tempo, cosa difficile da eseguire per il promotore dati i ristretti tempi di realizzazione del concerto.

Poiché la tecnologia dei concerti diventa sempre più stravagante e la struttura globale si avvicina sempre più ai limiti della capacità di carico, è necessario avere un sistema di monitoraggio per verificare i carichi imposti e la loro distribuzione lungo i ponti. La Stadtwerke München commissionò alla Dr. Linse Ingenieure GmbH la verifica di fattibilità di un sistema opportuno, la sua pianificazione ed installazione. Quest'ultima società fondata nel 1997 come ufficio di ingegneria ed attualmente in commercio con la forma societaria di compagnia indipendente di ingegneria dal 2006, opera nella progettazione, prove e consulenze in molti campi dell'ingegneria civile.

Il monitoraggio dei carichi nella Olympiahalle pretendeva molto dalla tecnologia di misura. L'approccio originale della società di pubblica utilità, consistente nell'applicazione di estensimetri sulle sospensioni di montaggio dei ponti d'illuminazione e sulle barre filettate allo scopo di determinarne le deformazioni ed i conseguenti carichi sospesi, fu rapidamente rigettato dopo che con l'analisi computerizzata si constatò che la precisione prevista di 500 kg non sarebbe stata sufficiente.

“Le forti fluttuazioni di temperatura della sala erano un ulteriore problema principale”, spiega il Dr. techn. Robert Schmiedmayer, socio dirigente della Dr. Linse Ingenieure e responsabile del progetto. Nei mesi invernali la temperatura interna della sala vuota e di circa 15 °C. Ma i fari di illuminazione producono una forte dispersione di calore, e la temperatura prevalente nell'area dei ponti di illuminazione durante un evento può raggiungere i 45 °C.

Influenza della temperatura ed EMC sotto controllo

La misurazione avviene nei punti a cui sono sospesi i ponti operativi sulle travi principali.
Nella struttura del tetto della Olympiahalle sono installati in totale quattro amplificatori QuantumX tipo MX840A .

Per garantire misurazioni affidabili e precise, gli esperti della Dr. Linse Ingenieure hanno progettato una soluzione strutturale relativamente estrosa. Nella zona della sospensione dei ponti di illuminazione, vennero saldati due supporti di metallo per i trasduttori di deformazione nel lato inferiore delle travi principali (lato di compressione), in ciascuno dei due punti.

Le variazioni del carico sui ponti di illuminazione causano la deformazione delle travi portanti, che viene trasferita ai trasduttori mediante i supporti di metallo. Qui vengono usati i trasduttori di deformazione tipo SLB700A della HBM. Questi trasduttori di acciaio inossidabile operano con un ponte intero di estensimetri e possiedono una deriva di zero molto bassa ed una buona compensazione della temperatura. Per migliorare la precisione della misurazione, i trasduttori furono muniti di una custodia isolante. “Ciò rese possibile minimizzare quelle che in alcuni casi erano fluttuazioni estreme di temperatura ed i gradienti termici ad esse associati”, spiega il Dr. Schmiedmayer. “Abbiamo anche inserito dei sensori di temperatura nelle custodie per effettuare una compensazione di temperatura addizionale.”

La struttura delle quattro barre filettate delle travi principali è ancor più complessa. Qui gli ingegneri progettarono dei dadi quadrangolari perfettamente adattati alle barre filettate, tenuti in posizione da connessioni imbullonate. Due di questi dadi sulle barre filettate agiscono come supporto per i quattro trasduttori di deformazione. Al contrario della situazione sui ponti di illuminazione, questi non sono collegati in parallelo e vengono valutati individualmente. Ciò consente di rilevare qualsiasi flessione delle barre che si verifica sotto carico e che non possa essere compensata dai cuscinetti a rulli.

Gli ingegneri dovevano tenere sotto controllo anche gli effetti delle interferenze elettromagnetiche. “Durante le prime prove preliminari, notammo che quando venivano accesi o spenti i grandi riflettori situati vicino alla tecnologia di misura, si generavano interferenze importanti”, rammenta il Dr. Schmiedmayer. Si dovettero utilizzare cavi di misura schermati, racchiudendoli in tubazioni metalliche per raddoppiare l'effetto schermante.

Nel contempo si fece attenzione che nessun cavo di misura fosse più lungo di 20 m. Come amplificatori furono usati i moduli MX840A del sistema di acquisizione dati QuantumX della HBM. Questi compatti amplificatori dispongono di otto canali ciascuno e si installano facilmente nella struttura dei ponti, rendendo perciò possibile mantenere corti i cavi di misura. Complessivamente quattro amplificatori multicanale trasmettono i dati di misura mediante connessione a fibre ottiche al modulo gateway tipo CX27, che agisce come nodo di misura centrale.

Semafori per segnalare i sovraccarichi

Tutto il sistema di acquisizione ed analisi dati è alloggiato in un armadio di comando nella tribuna di illuminazione.

Il modulo gateway CX27 è alloggiato in un armadio di comando nella tribuna d'illuminazione della Olympiahalle, insieme all'unità di alimentazione, alla UPS ed ai componenti della rete. Da qui, i dati di misura vengono trasmessi tramite TCP/IP al centro calcolatori della Stadtwerke München, ove è situato l'apposito server.

Il nodo di misura controlla anche la visualizzazione diretta del monitoraggio dei carichi. Una grande serie di semafori chiaramente visibile nella Olympiahalle, indica i carichi che sono stati raggiunti. Se le luci diventano color ambra, significa che è stato raggiunto il carico pianificato per l'evento oppure il 98 % del carico massimo del ponte. Arrivati al carico massimo della struttura, la luce del semaforo diventa rossa. Per l'ispettore della sala ciò segnala che gli operai devono cessare immediatamente il lavoro e che una parte del carico deve essere rimosso dai ponti di illuminazione.

Il software HBM catman®AP gira nel server del centro calcolatori, e viene impiegato per configurare ed effettuare il monitoraggio del carico. Per qualsiasi evento si possono specificare i carichi ammissibili per

  • ogni punto di misura,
  • ogni ponte di illuminazione
  • ed ogni trave principale,
  • oltre al carico totale.

Qui si può previamente configurare il campo di avvertimento per far cambiare il colore dei semafori della Olympiahalle da verde ad ambra. La frequenza di misura ed il relativo controllo dei semafori è di 1 Hz. Nell'archivio dei dati, ogni minuto vengono sempre salvati il valore medio ed il valore massimo.

Nel caso di sovraccarico o di guasto del sistema, l'amministratore del sistema viene informato via e-mail ed SMS. I dati di misura sono memorizzati e, contemporaneamente, possono essere osservati da un qualsiasi numero di postazioni mediante internet.

Elevata precisione di misura

Dopo che tutti i componenti e sistemi furono installati nella primavera 2010, il sistema di monitoraggio del carico fu tarato. A tal scopo furono appesi differenti carichi fino a tre tonnellate a diversi punti dei ponti. Fu così possibile raggiungere la prevista precisione di misura del 2 % del carico o quella di 100 kg nel caso di carichi più bassi.

Il Dr. Schmiedmayer ha fiducia nel sistema che ha progettato ed installato. “La risoluzione è così buona, che dai dati di misura posso vedere quando e dove si sta lavorando sui ponti di illuminazione. Solo le deformazioni termiche dei ponti di accesso e le deformazioni del sistema ad esse associate provocano delle variazioni dipendenti dal sistema nei valori di misura, ma esse influenzano solo i punti di accesso nelle immediate vicinanze dei ponti e restano sotto l'1 % dell'intero campo di misura.

La precisione ed affidabilità dei componenti della tecnologia di misura HBM hanno un ruolo importante su tale successo. Gli ingegneri hanno imparato a conoscerle ed apprezzare già durante il tempo speso all'Università di Tecnologia di Monaco. “Anche la buona consulenza che ho ricevuto dalla HBM, ed il know-how metrologico dei suoi dipendenti mi fanno sentire di essere in buone mani”, è come egli riassume la propria esperienza.

Per quanto concerne la Olympiahalle, il sistema di monitoraggio del carico è ora diventato un vantaggio per la località. Alcuni promotori di concerti tendono a far iniziare i principali tour di concerti a Monaco di Baviera. Se la tecnologia di illuminazione ha soddisfatto il rigoroso sistema di Monaco, tutti gli operatori delle altre sale si possono ovviamente affidare alle informazioni fornite da questo promotore di concerti.

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Dr. Linse Ingenieure GmbH

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