Le vibrazioni nelle attività estrattive: impatto sull’uomo e sull’ambiente

Abstract

La presenza dei movimenti oscillatori meccanici, definiti vibrazioni, viene riscontrata in modo chiaro e inequivocabile nelle attività umane e in tutti i più diversificati processi tecnologici. Tale fenomeno fisico produce effetti che possono avere ripercussioni sia negative che positive sull’uomo e sull’ambiente. Ad esempio, sollecitazioni vibratorie con determinate caratteristiche, in termini d’ampiezza del segnale che di contenuto in frequenza, vengono applicate nel campo della medicina per la riabilitazione dei pazienti al fine di sollecitare la risposta biodinamica del soggetto e avere un effetto terapeutico. Questo perché il tessuto muscolare, stimolato ad una precisa frequenza caratteristica sia del tipo di muscolo che del soggetto, riesce a riacquistare e/o rinforzare la propria tonicità. In altri casi l’organismo umano può venire a contatto con sorgenti vibratorie che generano segnali caratterizzati da elevati valori dell’ampiezza del segnale e al di fuori delle frequenze efficaci alla stimolazione muscolare, con effetti negativi che possono portare all’insorgenza di patologie estremamente dannose. Questa problematica è particolarmente rilevante tra i lavoratori, i quali nello svolgere la propria mansione, sono a contatto diretto con sorgenti vibratorie di vario tipo e per tempi prolungati. Gli effetti di tale esposizione, purtroppo, possono essere estremamente dannosi, si manifestano nel lungo periodo e, molto spesso, quando non è più possibile intervenire. Nell’ambito della sicurezza sul lavoro e con riferimento agli effetti delle vibrazioni sull’essere umano, si distinguono due categorie di vibrazioni: • vibrazioni trasmesse al sistema mano-braccio (Hand-Arm Vibration, HAV) « le vibrazioni meccaniche che se trasmesse al sistema mano-braccio nell'uomo, comportano un rischio per la salute e la sicurezza dei lavoratori, in particolare disturbi vascolari, osteoarticolari, neurologici o muscolari » (D.lgs 81/2008)

• vibrazioni trasmesse al corpo intero (Whole-Body Vibration, WBV) «le vibrazioni meccaniche che, se trasmesse al corpo intero, comportano rischi per la salute e la sicurezza dei lavoratori, in particolare lombalgie e traumi del rachide»(D.lgs 81/2008)

Nell’ambito di questo lavoro ci si è concentrati sulle seconde, focalizzandosi in particolare sul problema dell'esposizione alle vibrazioni dell'intero corpo (Whole - Body -Vibration) per i conducenti dei mezzi. Questa problematica è stata analizzata precedentemente da molti ricercatori che hanno studiato le complesse relazioni tra questo fenomeno e i rischi per la salute umana. Gli effetti che si possono manifestare sono di diversa natura e possono portare all’insorgenza di patologie, ad esempio al rachide, alla zona lombare e a tutta la regione spinale oppure ad effetti negativi come sensazioni di nausea, perdita d’equilibrio e insonnia. Addirittura alcuni studi hanno dimostrato che una prolungata esposizione ad una sorgente vibratoria può generare danni all’apparto intestinale, a quello riproduttivo e al sistema respiratorio. Lo stato delle conoscenze riguardanti gli effetti patologici conseguenti all’esposizione vibratoria è ancora in fase di studio; alcuni dati, riguardanti i danni per la salute, possono essere ritenuti affidabili per poter definire la risposta biodinamica di un soggetto ad una sorgente vibratoria. Ma ancora ci sono molti aspetti non chiari dovuti al fatto che la struttura del corpo umano può essere descritta, dal punto di vista meccanico, come un vasto sistema avente un particolare grado di complessità in quanto composto da una molteplicità di definiti sottosistemi, ognuno avente specifiche proprietà meccaniche e al tempo stesso costantemente interagenti l’uno con l’altro. In altri termini, proseguendo con l’analogia meccanica, l’intero corpo umano può essere considerato come un insieme di tanti sistemi massa-molla-smorzatore, ognuno con le proprie caratteristiche in termini di costante elastica e smorzamento. Tutto il sistema corpo umano, quando è a contatto con una sorgente vibratoria, come ad esempio il sedile di un mezzo di trasporto, risponde in modo differente in base allo spettro in frequenza del segnale della forzante e alla proprie caratteristiche organiche. Oltre alla risposta biodinamica dell’organismo, l’esposizione è fortemente influenzata da una molteplicità di fattori: la grandezza della forma d'onda del segnale della forzante, il tempo di esposizione del guidatore durante tutta la sua attività, la posizione durante la guida, la tipologia del sedile impiegata, le caratteristiche strutturali del veicolo, la velocità di marcia, lo stile di guida del conducente e le condizioni al contorno in cui esso opera. Un ruolo fondamentale viene svolto dalle caratteristiche antropometriche del soggetto, ossia l'altezza e il peso, in quanto la configurazione corporea svolge un ruolo rilevante sull'esposizione complessiva, ma fino ad oggi non è stata identificata una relazione univoca che leghi tra loro i valori d’accelerazione, il tempo totale d’esposizione e le caratteristiche corporee. Questo concetto lo si può meglio comprendere pensando a differenti operatori a contatto con la medesima sorgente vibratoria nelle stesse condizioni al contorno, su cui si può riscontrare una dose d’esposizione complessiva significativamente diversa. In questo lavoro si è cercato d’approfondire il problema dell’esposizione alla Whole-Body-Vibration, approfondendo l’analisi sull’influenza che anno i diversi parametri determinati dalle condizioni al contorno sull’esposizione ed effettuando uno studio preliminare per l’implementazione dei metodi finalizzati alla valutazione della dose d’esposizione giornaliera. La base del lavoro è costituita da una raccolta di dati ricavati in più campagne di misurazione svolte in differenti contesti lavorativi; veicoli per uso urbano adibiti al trasporto di persone, mezzi di trasporto pubblico e macchine operatrice impiegate in ambito estrattivo. La realizzazione delle misure, come è facile pensare, ha richiesto tempi lunghi e il superamento di numerose difficoltà di carattere operativo, ma, una volta realizzate, sono state tutte accuratamente analizzate in tutti i loro aspetti più significativi, sia in termini di valori di valori assoluti che di spettro in frequenza. Tale processo d’analisi si è sviluppato in due fasi; il primo aspetto è stato quello di valutare come la dose d’esposizione alla WBV venga influenzata dalle condizioni al contorno in cui opera il mezzo e dalle sue caratteristiche strutturali che rappresentano il segnale di sorgente vibratoria. Successivamente, in funzione dei parametri antropometrici del soggetto esposto, si è integrata la formula per la previsione della dose d’esposizione modificando il termine d’accelerazione e aggiungendo un fattore correttivo che lega tra di loro il peso e l’altezza del guidatore. La prima si è svolta su mezzi operanti nel comparto estrattivo, ossia mezzi progettati per la lavorazione del terreno e la sua movimentazione; in questa fase sono stati acquisiti un vasto numero di dati che hanno permesso di comprendere l’estrema variabilità della dose d’esposizione in funzione delle caratteristiche del mezzo, la sorgente vibratoria, e i compiti che deve svolgere durante la propria attività quotidiana. La seconda campagna è stata realizzata su autovetture progettate per l’utilizzo urbano, confrontando l’esposizione per due versioni uno stesso identico modello, uno standard l’altro modificato con l’inserimento sul telaio della blindatura antiproiettile. L’obbiettivo del lavoro è stato quello di valutare la variazione della dose d’esposizione modificando la sorgente vibratoria (il telaio della vettura) con l’inserimento di materiali balistici. I risultati ottenuti hanno fornito interessanti spunti per implementare il lavoro con altre prove, sempre sulla stessa tipologia d’autovetture, e poter definire una funzione sperimentale per la previsione della dose d’esposizione sulla base delle caratteristiche antropometriche del guidatore per quella particolare tipologia professionale. Per poter realizzare ciò, sono state impiegate le stesse autovetture e si è implementato il campione di riferimento con un maggior numero di soggetti che hanno effettuato le prove. L’ultima campagna di misura, infine, è stata realizzata sugli autisti delle autovetture adibite al trasporto pubblico, su diversi conducenti e diversi mezzi nelle condizioni effettive d’esercizio nel contesto urbano. Sulla base dei dati acquisiti, come già accennato precedentemente, è stata implementata la metodologia di calcolo proposta dalla normativa ISO2631-1; quest’ultima prevede la definizione dell’accelerazione a cui è sottoposto il soggetto attraverso il metodo dell’asse peggiore, ossia considerando solo la direzione di maggior sollecitazione secondo il sistema di riferimento standard definito dalla normativa stessa. Essa è stata modificata svolgendo il calcolo dell’esposizione attraverso la somma vettoriale e implementandola attraverso l’inserimento di un parametro correttivo, definito come il rapporto tra l’altezza e il peso del guidatore, normalizzata rispetto a un soggetto standard. Questo studio preliminare ha come scopo la stima dei valori d’accelerazione aw conoscendo le caratteristiche fisiche soggetto e quindi poter effettuare una previsione della dose d’esposizione senza dover realizzare le misurazioni. I risultati hanno evidenziato quanto sia difficile e complesso raggiungere tale obbiettivo. All’inizio dell’elaborato si è accennato al fatto che gli effetti dei fenomeni vibratori si possono ripercuotere anche sull’ambiente; numerose sono le attività che vengono svolte in ambiente industriale che generano un’immissione nel terreno di sollecitazioni vibratorie, le quali possono avere ripercussioni negative sulle fondamenta delle strutture prossime alle sorgenti. Parallelamente alla tematica appena esposta, si è sviluppata un lavoro di ricerca sulla propagazione delle vibrazioni nell’ambito delle attività estrattive generate dall’esplosioni, dette volate, e sulle relative metodologie di misurazione adottate. L’impiego degli esplosivi è una delle metodologie ancora ampiamente utilizzate per la coltivazione delle bancate poichè permette, in tempi relativamente brevi, il distacco di rilevanti volumi di roccia dalla loro sede naturale e, nella maggior casi, la frammentazione in materiali di dimensioni ridotte. L’aspetto critico riguarda il momento dell’esplosione, definito brillamento, quando vengono generate vibrazioni che si propagano rapidamente nel terreno anche a rilevanti distanze dal punto in cui si opera, diventando, così, potenziale fonte di pericolo per le strutture limitrofe al sito estrattivo. Diverse normative (AENOR, 1993; BSI, 1993; DIN, 1999) sono state elaborate al fine di prevenire potenziali danni, creando la necessità di un monitoraggio accurato dei livelli vibratori durante l’attività di processo. Un aspetto estremamente rilevante per una corretta valutazione delle misurazioni è il sistema di montaggio su cui viene fissato il trasduttore per essere vincolato al terreno. Operando in contesti nei quali vengono generate sollecitazioni con elevati valori d’accelerazione, deve essere garantita l’aderenza dello strumento al terreno, evitando spostamenti relativi che porterebbero ad un’invalidazione della misura, e al tempo stesso garantendo una buona trasmissibilità del segnale vibratorio. In generale, la presenza stessa del dispositivo di misurazione sul terreno altera la misura; quando un’onda sismica investe un sistema d’accoppiamento si verificano due fenomeni fisici dovuti all’impatto dell’onda stessa sul strumento. In merito alla previsione dei valori di sollecitazione, la letteratura scientifica mostra che è estremamente complesso definire un modello previsionale univoco che permetta una valutazione a priori, poiché l’onda sismica generata dall’esplosione si propaga nel terreno in base alle caratteristiche di quest’ultimo, che chiaramente sono differenti per ciascun sito estrattivo e quindi conseguenza le formule previsionali sperimentali possono avere un elevato margine d’incertezza. Il primo è la generazione di una vibrazione indotta nel sistema di montaggio dello strumento come risposta all'onda incidente e può essere considerata come una sorgente secondaria che re-irradia energia nel terreno, ossia una risposta irradiante vibratoria. Il secondo meccanismo consiste dispersione elastica dell'onda (scattering) causato dal sistema di montaggio stesso ed è dovuto al contrasto delle impedenze acustiche del materiale costituente il dispositivo su cui è montato lo strumento e il suolo circostante al punto di misurazione. Ogni sistema d’accoppiamento presenta vantaggi e limiti e uno dei più affidabile sembra essere indicato dalla norma UNI 9916 che suggerisce il seppellimento del trasduttore ad una profondità pari a tre volte la dimensione principale del sistema supporto-trasduttore quando i valori d’accelerazione previsti superano 1g al fine di garantire un efficiente contatto tra lo strumento e il terreno. Un altro modo è quello di vincolare il dispositivo tramite la resina, cemento oppure posizionando sacchi di materiale al di sopra d’esso o persino con delle cinture di fissaggio. Scopo di questo lavoro è quello di confrontare l’affidabilità di diverse metodologie d’accoppiamento in termini di PPV (Peak Particle Velocity) e spettri in frequenza, testando alcune modalità di fissaggio nel terreno. Il primo punto da cui si è partiti per comprendere i fenomeni di trasmissione vibratoria nel terreno, è stata la definizione di una legge di trasferimento sperimentale per la valutazione delle vibrazione indotte da traffico tramviario in ambiente urbano vincolando il trasduttore per gravità. Successivamente si è pensato di cambiare tipologia di supporto su cui vincolare il dispositivo, impiegandone uno che realizzasse un perfetto incastro con il terreno. Attraverso l’utilizzo di un software FEM (Finite Element Method), sono state realizzate delle simulazioni del tipo di supporto pensato al fine di definire le frequenze proprie del profilato e caratterizzarne la risposta dinamica. L’ipotesi alla base di questa parte di lavoro è stata quella che il profilato sia vincolato al terreno tramite un incastro perfetto e da qui sono state analizzate le risposte in termini di auto-frequenze a varie profondità d’inserimento nel terreno. La prima campagna sperimentale con questo tipo di supporto è stata svolta in un contesto rurale con una sorgente vibratoria ferroviaria; sono stati come supporti al trasduttore, profilati metallici con identica forma ma differente lunghezza, dai cui risultati è stato possibile avere un primo riscontro sulla risposta che si ottiene con questo tipo d’accoppiamento. Si è proseguito il lavoro con l’impiego di tali elementi supporti in una campagna sperimentale in ambito estrattivo suddivisa in due macro fasi; nella prima sono state effettuate misurazioni per la caratterizzazione del terreno con diverse sorgenti vibratorie (movimento di mezzi per il trasporto di materiale, sorgente continua di una macchina perforatrice e dell’impianto di trasporto e frantumazione) al fine di poter effettuare uno studio preliminare sulla risposta dinamica del terreno. Nella seconda sono state testate differenti tipologie d’accoppiamento in più campagne sperimentali; nella prima sono stati confrontati i segnali acquisiti contemporaneamente vincolando un trasduttore tramite seppellimento nel terreno ad una profondità prestabilita e un altro fissato tramite un sacco di materiale posto al di sopra d’esso. Nella seconda campagna sono stati impiegati di nuovo i profilati metallici; misurando gli impulsi vibratori generati dalla volata, acquisendo contemporaneamente il segnale con un trasduttore vincolato tramite sacco e un altro vincolato al profilato metallico fissato in modo stabile nel suolo adiacente al confine di cava. Successivamente, è stata modificata la modalità di fissaggio del profilato, inserendolo nel terreno roccioso del piazzale di cava, avvalendosi di materiale cementizio per assicurarne la stabilità. Lo scopo del lavoro è stato quello di comprendere meglio vantaggi e limiti di ciascuna metodologia al fine di poter cercare di capire quali siano le vie migliori per aumentare il grado d’accuratezza.