Giornata di Studio
Il monitoraggio delle strutture nella
prevenzione del rischio sismico
Analisi dinamica sperimentale e
monitoraggio di ponti e costruzioni
industriali
Walter Salvatore
Dipartimento di Ingegneria Civile – Università di Pisa
Roma, 21 gennaio, 2011
Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
INTRODUZIONE
L’Analisi Dinamica Sperimentale ed il Monitoraggio Permanente sono strumenti
particolarmente utili per una corretta Valutazione del Comportamento Dinamico
Reale delle opere di Ingegneria Civile e, di conseguenza, per ottenere una
Modellazione Strutturale Efficace ed una stima affidabile delle Azioni Sismiche.
Le potenzialità di tali tecniche di analisi saranno illustrate con riferimento ad
alcuni Casi Studio di particolare interesse:
Viadotto Ferroviario Sesia
Ponte Ferroviario sul Panaro
Strutture Industriali
Linea AV Torino - Milano
Linea Bologna - Padova
ILVA - Taranto
Analisi dinamica sperimentale e monitoraggio di ponti e costruzioni - Walter Salvatore
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
La soluzione composta acciaio-calcestruzzo ha trovato negli ultimi anni sempre
maggiore applicazione nella realizzazione di ponti e viadotti ferroviari.
Viadotto Dora (TAV Torino-Milano)
Viadotto Sesia (TAV Torino-Milano)
Soluzioni Strutturali Tipiche:
•
•
•
Ponte Volturno (TAV Roma-Napoli)
Principali Fattori di Sviluppo:
Travi Parallele
•
Acciai termo-meccanici
(luci 30 – 40m)
•
Piastre di elevato spessore
Singolo/Doppio Cassone Torsiorigido
•
Tecniche di saldatura
(luci 40 – 80 m)
•
Sistemi di assemblaggio/varo
Arco a Spinta Eliminata
•
Trattamenti anticorrosivi
(luci > 80 m)
•
Metodi di calcolo/regole di progetto avanzate
3
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Comportamento Sismico:
•
Minore intensità delle azioni di inerzia rispetto alle soluzioni in C.A. o C.A.P.
 massa minore
•
Danneggiamento degli apparecchi di appoggio
 ridistribuzione delle azioni interne nella sovrastruttura
 perdita di appoggio della campata
•
Danneggiamento degli elementi della sovrastruttura
 crisi per instabilità o resistenza
•
Danneggiamento degli elementi della sottostruttura
Valutazione delle Azioni Sismiche:
•
Valutazione del comportamento dinamico reale anche a lungo termine
•
Scelta della tecnica di modellazione dell’impalcato in funzione della soluzione strutturale
•
Modellazione della sottostruttura (pile – spalle – fondazioni)
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Caso Studio: Viadotto SESIA - TAV Torino-Milano
Obiettivo Principale dello Studio:
L’obiettivo principale dello studio consiste nella valutazione del comportamento dinamico reale della
struttura a breve e lungo termine e nell’analisi dell’influenza delle tecniche di modellazione meccanica
agli elementi finiti sulla valutazione della risposta dinamica e sismica della struttura.
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Viadotto SESIA - TAV Torino-Milano – Caratteristiche Generali
Progetto di ricerca Europeo DETAILS
(DEsign for opTimal performance of high-speed rAILway bridges by enhanced monitoring systems)
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Viadotto Sesia: Analisi Dinamica Sperimentale
Obbiettivi e Modalità di Analisi:
•
Caratterizzazione del comportamento dinamico globale
•
Rumore Ambientale e Passaggio Treni - Accelerazioni
•
Identificazione Dinamica mediante Analisi Modale Operativa (OMA)
Disposizione Strumentazione
Misura della risposta dinamica (sez. di mezzeria):
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Viadotto Sesia: Modi di Vibrazione Identificati
Modo
Frequenza
Smorzamento
#
(Hz)
(%)
1
3.07
10.35
2
3.62
3
Tipo
Modo
Frequenza
Smorzamento
#
(Hz)
(%)
Laterale
7
10.53
2.63
Flessionale
2.13
Flessionale
8
11.19
2.89
Laterale
4.14
2.21
Flessionale
9
14.31
1.96
Torsionale
4
8.32
2.27
Torsionale
10
14.51
0.72
Distorcente
Verticale
5
9.05
1.82
Torsionale
11
14.87
1.66
Laterale
6
9.94
2.05
Flessionale
12
16.73
1.18
Distorcente
Verticale
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Tipo
8
Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Viadotto Sesia: Modi Trasversali
Modo
Mode 1 f = 3.07 Hz;  = 10.35%
Prima Trasversale
Modo 8 f = 11.19 Hz;  = 2.89%
Seconda Trasversale
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Viadotto Sesia: Modi Verticali
Modo 2 f = 3.62 Hz;  = 2.13%
Prima Flessionale “Anti – Fase”
Modo 3 f = 4.14 Hz;  = 2.21%
Prima Flessionale “In – Fase”
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Viadotto Sesia: Modi Verticali
Modo 6 f = 9.94 Hz;  = 2.05 %
Seconda Flessionale “Anti – Fase”
Modo 7 f = 10.53 Hz;  = 2.63 %
Seconda Flessionale “In – Fase”
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Viadotto Sesia: Modi Torsionali
Modo 4 f = 8.32 Hz;  = 2.27 %
Prima Torsionale “Anti – Fase”
Modo 5 f = 9.05 Hz;  = 1.82 %
Seconda Torsionale “In – Fase”
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Viadotto Sesia: Sistema di Monitoraggio a Lungo Termine
►
►
Comportamento dinamico;
►
Spettro di Traffico;
Temperatura, Umidità;
Disposizione Sensori
RFI Power station
1° span
Accelerometer layout
about 50 m
2° span
TURIN
LMS Frontend
Laptop
Abutments
1
2
3
4
3° span
MILAN
2A08Z
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
1
2
3
A
B
6.93
C
1C08Z
2C04Z
2C08XYZ
2C12Z
23.60
57.14
69.60
82.06
Sensori e Centralina
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Viadotto Sesia: Monitoraggio Vibrazioni Ambientali
Viadotto Sesia: Monitoraggio Traffico
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Viadotto Sesia: Monitoraggio Frequenze Modali
Six-month Variation of Frequency with respect to Temperature
Frequenze modali / Temperatura
11
10
9
Freq [Hz]
8
7
6
Mode 2
Mode 3
Mode 4
Mode 5
Mode 6
5
4
3
0
5
10
15
20
25
30
Temp [°C]
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Viadotto Sesia: Monitoraggio Frequenze Modali
Six-month Variation of Frequency with respect to Humidity
Frequenze modali / Umidità
11
10
9
Freq [Hz]
8
7
6
Mode 2
Mode 3
Mode 4
Mode 5
Mode 6
5
4
3
0
20
40
60
80
100
120
Humidity [%]
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Viadotto Sesia: Monitoraggio Smorzamenti Modali
Mode 2 - Flexural
Six-month Variation of Damping with respect to Humidity
1,8
1,8
1,6
1,6
1,4
1,4
1,2
1,2
Damp %
Damp %
Mode 2 - Flexural
Six-month Variation of Damping with respect to Temperature
1
0,8
1
0,8
0,6
0,6
0,4
0,4
0,2
0,2
0
0
0
5
10
15
Temp [°C]
20
25
30
0
20
40
60
Hum %
80
100
120
Proprietà Modali / Condizioni Ambientali:

Le frequenze proprie dei modi identificati sono risultate costanti e non dipendenti dai
valori di Temperatura ed Umidità

I valori degli smorzamenti sono risultati significativamente variabili, senza una chiara
correlazione con le condizioni ambientali
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Viadotto Sesia: Monitoraggio Traffico
Tipologia Convogli – Treni ETR500Y
Spettro di Traffico
Vel [km/h]
180
190
210
220
240
250
280
300
Tot
Train Type 1
Mass of train = 720 t
Traffic Volume [106/year]
Number of Trains/day
2
0,53
37
9,72
16
4,20
1
0,26
9
2,37
15
3,94
37
9,72
30
7,88
147
38,63
Vel [km/h]
190
210
240
250
280
300
330
Tot
Train Type 2
Mass of train = 528 t
Traffic Volume [106/year]
Number of Trains/day
57
14,98
26
6,83
23
6,04
76
19,97
68
17,87
84
22,08
3
0,79
337
47,83
Type 1 - High speed train ETR500y
 Q = 7200kN L = 354.10m q = 20.3kN/m
4 x 180kN
3
2,35
9
4 x 120kN
3 2,2 2,2 3
16
3
3
2,05
2,05
19,55
4 x 120kN
10 x (4 x 120kN)
26,25
8 x 26,25
16
4 x 180kN
3 2,2 2,2 3
9
3
2,35
26,25
19,55
Type 2 - High speed train ETR500y
 Q = 5280kN L = 241.10m q = 21.9kN/m
4 x 180kN
3
2,35
9
4 x 120kN
3 2,2 2,2 3
16
3
3
2,05
2,05
19,55
4 x 120kN
6 x (4 x 120kN)
26,25
6 x 26,25
Spettro Traffico Reale
16
4 x 180kN
3 2,2 2,2 3
9
3
2,35
26,25
19,55
Spettro Fatica Reale
Total Traffic
Train Type 1 + Train Type 2
Traffic Volume [106/year]
Number of Trains/day
484
86,46
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Viadotto Sesia: Modellazione Numerica del Solo Impalcato
•
Modello SHELL/3DSOLID

Componenti Modellati: Cassone Acciaio (SHELL), Soletta CLS,
Ballast (SOLID), Binario (SHELL), Traversi (TRUSS);

•
Vincoli: schema progettuale, molle longitudinali e trasversali.
Modello MULTI-TRAVE BEAM/SHELL

Componenti Modellati: Cassone Acciaio (BEAM), Soletta CLS e
Ballast (SHELL), Traversi (TRUSS);

•
Vincoli: schema progettuale
Modello MONO-TRAVE BEAM

Componenti Modellati: Cassone Acciaio, Soletta CLS, Ballast,
Binario (BEAM).

Vincoli: schema progettuale, molla torsionale estremità
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Viadotto Sesia: Modellazione Numerica del Solo Impalcato
Modello SHELL/3DSOLID: Influenza Campate Adiacenti mediante Molle Estremità
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
Viadotto Sesia: Modellazione Numerica del Solo Impalcato
Modello SHELL/3DSOLID: Influenza Campate Adiacenti mediante Molle Estremità
Le condizioni al Contorno della Singola Campata variano a seconda della Forma Modale Considerata
stiffness of the contact zone
between two adjoining spans
k
Kp  0
"Counterphase" behaviour of two adjoining spans
equivalent
longitudinal stiffness
Kp
Kp  2k
"In phase" behaviour of two adjoining spans
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
Viadotto Sesia: Modellazione Numerica del Solo Impalcato
Frequenza [Hz]
Modello SHELL/3DSOLID: Influenza Campate Adiacenti mediante Molle Estremità
Rigidezza Molle Estremità come
Sintonizzatore Frequenze Modali
11.00
10.50
 3.62 Hz
 4.09 Hz
10.00
9.50
DKp=-63%
DKs=0 %
DKp= +600% DKs=0 %
->
->
Ks
9.00
Kp
250%
200%
150%
100%
50%
0%
-50%
-100%
8.50
Kp
DKp= +600%
DKp= 0%
 8.32 Hz ->
 9.05 Hz ->
DKs=+inf
DKs=0 %
DKp= -63%
DKs=0 %
DKp= +600% DKs=0 %
 9.94 Hz ->
 10.53 Hz ->
4.10
4.00
3.90
3.80
3.70
Aggiornamento Modello
mediante Ottimizzazione
Numerica
3.60
3.50
Kp1 = 1.45 109 N/m
Ks1 = 5.36 108 N/m
250%
200%
150%
100%
50%
0%
-50%
3.40
-100%
Frequenza [Hz]
Variazione Parametro
4.20
Variazione Parametro
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Viadotto Sesia: Modellazione Numerica del Solo Impalcato
Analisi delle proprietà modali:
•
Estrazione delle frequenze e delle forme modali numeriche
•
Confronto fra modelli: valori in buon accordo
•
Difficoltà di stima della prima laterale (sperimentale - 3.07 Hz)
Erronea Valutazione Rigidezza
Modellazione Sottostruttura ed
Trasversale Struttura
Interazione Terreno – Fondazioni (SSI)
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Viadotto Sesia: Modellazione Numerica Integrale
•
Modellazione PILA

Componenti Modellati: Fusto CLS (BEAM), Basamento CLS (MASS);

Vincoli rigidi: interno fusto-basamento, esterno basamento-baricentro
fondazione
•
Modellazione Numerica Fondazioni

Caratterizzazione Dinamica: Valutazione analitica impedenza dinamica
palificata fondazione secondo Dobry & Gazetas (1988);

Modellazione Numerica: Molla smorzata con massa per ogni GDL;

Masse - Rigidezze – Smorzamenti: Ottimizzati rispetto alla soluzione analitica
nel campo 0 – 10 Hz.
GDL Verticale
Andamento Analitico e Numerico
Coefficienti Molle EF di Fondazione
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Viadotto Sesia: Modellazione Numerica Integrale
•
Modelli MULTI-TRAVE BEAM/SHELL Integrali

Componenti Modellati: Cassone Acciaio (BEAM),
Soletta CLS e Ballast (SHELL), Traversi (TRUSS),
Pile (BEAM);

Vincoli interni: appoggi impalcato – pile secondo
1 CAMPATA
schema progettuale;

•
3 CAMPATE
Vincoli Fondazioni Pile: molle smorzate con massa.
Modelli MONO-TRAVE BEAM Integrali

Componenti Modellati: Cassone Acciaio, Soletta
CLS, Ballast, Binario (BEAM), Pile (BEAM);

Vincoli interni: appoggi impalcato – pile secondo
1 CAMPATA
schema progettuale (escluso GDL torsionale);

Vincoli Fondazioni Pile: molle smorzate con massa.

Vincoli Esterni: molle torsionali su estremità
impalcato
7 CAMPATE
3 CAMPATE
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Viadotto Sesia: Modellazione Numerica Integrale
Modelli Integrali: Caratteristiche Dinamiche
 Modelli Multi – Campata: “Famiglie” di modi
propri di vibrazione caratterizzate da frequenze
vicine e forme modali dello stesso tipo
 Risultati Omogenei fra i Modelli a più Campate
3.14 Hz
3.38 Hz
3.44 Hz
 Stima della prima laterale prossima ai dati
sperimentali
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Viadotto Sesia: Valutazione Azione Sismica
Analisi con Spettro di Risposta Elastica (Ordinanza 3274 – zona 2 – suolo tipo B)
Taglio sulle Pile
Modelli del solo
Impalcato
• Modelli del solo Impalcato: Valori Omogenei
• Modelli Integrali: Valori Omogenei
• Modelli Integrali Multi - Campata: Variabilità
Modelli Integrali
Mono-Campata
Modelli Integrali
Multi-Campata
Taglio
Sismico [kN]
3D
MLT
MoT
MLT
MoT
MLT 3
Campate
MoT 3
Campate
MoT 7
Campate
Appoggio A
3888
3351
4499
5109
5949
---
---
---
Appoggio B
4328
4742
2907
5815
5958
---
---
---
Totale
8217
8093
7406
10924
11907
9487
9982
11299
dell’Azione lungo l’asse del Viadotto
Distribuzione del Taglio Sismico sulle Pile
14000
Effetto “Viadotto”
Tecnica Modellazione / Azione Sismica:
12000
La Tecnica di Modellazione delle Rigidezze
di Sottostrutture / Fondazioni può influire in
modo significativo;

La Rappresentazione di più Campate
consente di cogliere l’Effetto Viadotto

Aggiornamento Modelli con Risultati
Modello Mono-Trave 3 Campate
10000
Taglio Sismico [kN]

Modello Mono-Trave 7 Campate
Modello Multi-Trave 3 Campate
Modello Mono-Trave 1 Campata
8000
Modello Multi-Trave 1 Campata
Modello Mono-Trave Impalcato
Modello Multi-Trave Impalcato
6000
Modello 3D Completo Impalcato
4000
2000
Sperimentali: Approccio Ottimale
0
0
50
100
150
200
250
300
350
Posizione Pila [m]
Analisi dinamica sperimentale e monitoraggio di ponti e costruzioni - Walter Salvatore
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Viadotto Sesia: Valutazione Azione Sismica
Valutazione dell’Influenza delle Capacità di Smorzamento
delle Fondazioni sulle Azioni Sismiche
Analisi con Accelerogrammi Spettro-Compatibili
• N° 3 Accelerogrammi in Direzione Trasversale all’Asse viadotto
• Modello MULTI-TRAVE BEAM/SHELL 3 Campate
Analisi dinamica sperimentale e monitoraggio di ponti e costruzioni - Walter Salvatore
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Viadotto Sesia: Valutazione Azione Sismica
TAGLIO PILE CENTRALI
Earthquake n° 1
- SENZASimulated
SMORZAMENTO
-
12000
12000
10000
10000
8000
8000
6000
6000
4000
4000
Seismic Force [kN]
Seismic Force [kN]
Earthquake n° 1
- CON Simulated
SMORZAMENTO
-
2000
0
-2000
2000
0
-2000
-4000
-4000
-6000
-6000
-8000
-8000
-10000
-10000
-12000
-12000
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Time [s]
Time [s]
Taglio Pile Centrali
con smorzamento senza smorzamento
Vmax [kN]
Vmax [kN]
D [%]
Le Azioni Sismiche sulle Pile
Accelerogramma n°1
5897
11808
50
sono Fortemente Influenzate
Accelerogramma n°2
4764
9930
52
dalla Capacità di Impedenza
Accelerogramma n°3
6864
12607
46
delle Fondazioni
Analisi dinamica sperimentale e monitoraggio di ponti e costruzioni - Walter Salvatore
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN SISTEMA COMPOSTO
Viadotto Sesia: Valutazione Azione Sismica
RIPARTIZIONE ENERGIA SISMICA
Simulated Earthquake n° 1
- CON SMORZAMENTO -
Ripartizione Energia Sismica
con smorzamento
E [MJ]
6
Earthquake
Energy
Concrete Viscous Energy
2
1
Mechanical Energy
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Time [s]
Simulated Earthquake n° 1
- SENZA SMORZAMENTO 7
Earthquake
Energy
6
Concrete Viscous Energy
Energy [MJ]
5
4
Accelerogramma n°2
Soil Viscous Energy
3
Accelerogramma n°2
Energy [MJ]
4
Accelerogramma n°1
5
senza smorzamento
E [MJ]
Energia Sisma
5438660
5952240
Energia Smorzamento Strutturale
2140620
5951918
Energia Smorzamento Fondazioni
3298020
---
Energia Sisma
4939430
5335380
Energia Smorzamento Strutturale
1861330
5334705
Energia Smorzamento Fondazioni
3078100
---
Energia Sisma
5505530
5559900
Energia Smorzamento Strutturale
2117400
5559422
Energia Smorzamento Fondazioni
3388110
---
3
La Dissipazione dell’Energia Sismica attraverso
2
1
le Fondazioni è Significativa
Mechanical Energy
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Time [s]
Analisi dinamica sperimentale e monitoraggio di ponti e costruzioni - Walter Salvatore
30
Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN ACCIAIO
Caso Studio: Ponte sul Panaro – Linea Bologna-Padova
BOLOGNA
PIACENZA
Obiettivo Principale dello Studio:
L’obiettivo principale dello studio consiste nella valutazione dei possibili fenomeni di danneggiamento a
fatica dell’opera indotti dal traffico reale tenendo in conto dell’interazione dinamica treno-struttura e dei
fenomeni di distorsione/vibrazione imposta.
Analisi dinamica sperimentale e monitoraggio di ponti e costruzioni - Walter Salvatore
31
Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN ACCIAIO
Ponte sul Panaro – Linea Bologna-Padova – Caratteristiche Generali
Travi Composte Saldate - Nodi Chiodati
Controvento Inferiore
Controvento Superiore
Progetto di ricerca Europeo FADLESS
(Fatigue damage control and assessment for railways bridges)
Analisi dinamica sperimentale e monitoraggio di ponti e costruzioni - Walter Salvatore
32
Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN ACCIAIO
Ponte sul Panaro: Analisi Dinamica Sperimentale
Obbiettivi e Modalità di Analisi:
•
Identificazione Dinamica mediante Analisi Modale Operativa (OMA)
•
Analisi Globale e Locale
LOCAL TESTS ON
TRACK BRACING CROSS GIRDER
Analisi Globale – Configurazione di Prova
Analisi Locale – Configurazione di Prova
Test Layout
section A10
section A10
Sensor Positioning
section BB
section A9
section A9
section A5
section A8
section A4
section A4
R
section A7
section A3
section A3
Vertical
Longitudinal
Transverse
Accelerometers
Z
section A6
section A2
section A2
R
X
section A6
section A1
PIACENZA
section A1
section AA
Plan View of Test Layout
Y
BOLOGNA
R
Reference
Sections
Vertical
X and Longitudinal
Accelerometers
Z
Analisi dinamica sperimentale e monitoraggio di ponti e costruzioni - Walter Salvatore
33
Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN ACCIAIO
Ponte sul Panaro: Modi di Vibrazione Identificati
Modi Globali
Identified Modes
Mode n°
1
2
3
4
5
6
7
Frequency [Hz]
1,77
3,65
3,68
4,08
6,86
10,93
12,35
Mode
Lateral
Torsional
Vertical (Flexural)
Lateral
Distorsional
Torsional
Vertical (Flexural)
1.77 Hz Lateral
3.65 Hz Torsional
3.68 Hz Vertical (Flexural)
Modi Locali
Identified Modes
Mode n°
1
2
3
Frequency [Hz]
15,65
44,18
97,22
Mode
Vertical (Flexural)
Lateral
Vertical (Flexural)
15.65 Vertical (Flexural)
44.18 Hz Lateral
Modellazione EF ed Aggiornamento
Numerico in fase di Realizzazione
Analisi dinamica sperimentale e monitoraggio di ponti e costruzioni - Walter Salvatore
34
Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN ACCIAIO
Ponte sul Panaro: Analisi Estensimetrica e di Spostamento
Obbiettivi e Modalità di Analisi:
•
Valutazione Deformazioni al passaggio Treni
TESTS ON Spostamenti
• LOCAL
Valutazione
TRACK BRACING CROSS GIRDER
Appoggi al passaggio Treni
Estensimetria
Plan View of Test Layout
Spostamenti Appoggi
Strain Gauce Positioning
Test Layout
Sensor Positioning
END SUPPORTS
e
Strain Gauges
Parallel to Cross Beam Axis
X
Strain Gauges Normal to
Sleeper Supporting Plates
Z
Sleeper
Supporting Plate
Y
Longitudinal
Displacement
X
Transducer
Z
Analisi dinamica sperimentale e monitoraggio di ponti e costruzioni - Walter Salvatore
35
Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
PONTI FERROVIARI IN ACCIAIO
Ponte sul Panaro: Analisi Estensimetrica e di Spostamento
Estensimetria
Examples of Recorded Strains at Midspan on Lower Flange
Examples of Recorded Strains on Sleeper Supporting Plate
Channel 6
Channel 10
Examples of Elaborated Stress on Sleeper Supporting Plate
Channel 10
6
50
10
4
40
8
2
30
0
4
5
6
7
8
9
10
11
4
20
12
2
-2
MPa
3
6
Channel 6
-4
me
me
10
Channel 10
0
3
4
5
6
7
8
9
10
11
0
3
-6
-10
-8
-20
-10
-30
-8
-12
-40
-10
6
7
8
9
10
11
Channel 10
-6
Time
1.00
Time
0.20
1.00
Time AAb
Time AAa
Real
Real
mm
Real
F
F
F
F
-3.60
0.00
236.00
12
-4
0.20
Spostamento Appoggi
5
mm
Real
Time
4
-2
12
s
255.00
Time AAa
Time AAb
-2.80
0.00
1212.00
Analisi dinamica sperimentale e monitoraggio di ponti e costruzioni - Walter Salvatore
s
1223.00
36
Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
STRUTTURE METALLICHE INDUSTRIALI
Caso Studio: Strutture Metalliche Stabilimento ILVA - Taranto
Strutture Metalliche Industriali
• Carichi Esercizio Prossimi a quelli Massimi
• Numero Elevato di Cicli: Fatica
Alterazioni nella
Risposta Strutturale
• Presenza di Agenti Chimici: Ambiente Corrosivo
Obiettivo Principale dello Studio:
L’obiettivo principale dello studio consiste nell’analisi e sviluppo di sistemi permanenti di monitoraggio
dinamico con la capacità di rilevare automaticamente eventuali alterazioni della risposta strutturale –
sistema Early Warning nei confronti dei danneggiamenti e collassi strutturali.
Analisi dinamica sperimentale e monitoraggio di ponti e costruzioni - Walter Salvatore
37
Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
STRUTTURE METALLICHE INDUSTRIALI
ILVA Taranto: Metodologia
Lo sviluppo dei sistemi di monitoraggio dinamico richiede una conoscenza approfondita del
comportamento in fase esercizio delle strutture e l’identificazione dei parametri di
riferimento per il controllo delle prestazioni.
Fase 1
• Selezione dei Casi Studio
• Analisi Sperimentale e misura delle azioni
COMPLETATO
• Identificazione Strutturale
• Sviluppo ed Updating di Modelli Numerici EF
Fase 2
• Modellazione delle Azioni di Esercizio
• Analisi della Sicurezza Strutturale
IN ELABORAZIONE
• Identificazione dei Parametri Dinamici di Riferimento
• Sviluppo dei Sistemi di Monitoraggio con Capacità Early-Warning
Analisi dinamica sperimentale e monitoraggio di ponti e costruzioni - Walter Salvatore
38
Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
STRUTTURE METALLICHE INDUSTRIALI
ILVA Taranto: Casi Studio
Via di Corsa Acciaieria 2
Prove Dinamiche ed Estensimetriche
• Identificazione Modi Propri di Vibrazione
• Valutazione Condizione Attuale di Esercizio
• Valutazioni Azioni Carroponti
• Modellazione EF ed Aggiornamento Numerico
Modo Sperimentale
Passaggio carroponte
1 [500t] con carico
ghisa
Tensioni
Verticali
Anima
Modello C - Modo 1 laterale 2.56 Hz
Modo 1 laterale 2.68 Hz
2
0
330
335
340
345
350
355
360
365
-2
Modo Numerico
Tensione Verticale [Mpa]
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
Sezione B7 - posizione h
-18
Tempo [s]
Analisi dinamica sperimentale e monitoraggio di ponti e costruzioni - Walter Salvatore
39
Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
STRUTTURE METALLICHE INDUSTRIALI
ILVA Taranto: Casi Studio
Macchina Bivalente BF2
Prove Dinamiche
• Identificazione Modi Propri di Vibrazione
• Valutazione Condizione Attuale di Esercizio
• Valutazione Frequenze Funi - Tiro
• Modellazione EF ed Aggiornamento Numerico
BRACCIO
Configurazione 1
(braccio
diritto)
Modo
Sperimentale
Configurazione 2
(braccio abbassato di 10°)
Configurazione 3
Frequenze
(braccio sollevato
di 5°)
Proprie Funi
1.30e-3
Spectrum Cavi 5-6-7-8:-Y
g
Amplitude
Modello Numerico
0.00 0.00
1.73
3.43
5.25
7.01
180.00 0.00
Hz
8.81Linear 10.64
12.46
14.60
16.61
Linear
18.71
20.00
20.00
°
Phase
Hz
1.73
-180.00
3.43
5.25
7.01
0.00
Analisi dinamica sperimentale e monitoraggio di ponti e costruzioni - Walter Salvatore
8.81
10.64
Hz
12.46
14.60
16.61
18.71
20.00
40
Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
STRUTTURE METALLICHE INDUSTRIALI
ILVA Taranto: Casi Studio
Ponti Nastro
Prove Dinamiche
• Identificazione Modi Propri di Vibrazione
• Valutazione Condizione Attuale di Esercizio
• Valutazione Azione Dinamica Nastri
• Modellazione EF ed Aggiornamento Numerico
Modo Sperimentale
100e-6
Conf igurazione 1-1
AutoPow er B5b:+Y
g2
Log
Nastro Attivo
Modello Numerico
1.00e-9 0.00
2.05
3.19 4.21
5.76 6.84
1.00e-9 0.00
Hz
Linear
26.00
Linear
26.00
g2
Log
Hz
Conf igurazioni 2-1 e 2-2
Nastro fermo
2.05
10.0e-15
0
2
3.19 4.21
4
AutoPow er B5b:+Y
AutoPow er B5b:+Y
5.76 6.84
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
Hz
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41
Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
STRUTTURE METALLICHE INDUSTRIALI
ILVA Taranto: Programma Fase 2
•
Modellazione delle Azioni di Esercizio;
 Valutazione Spettri di Fatica Via di Corsa;
 Studio degli Effetti Dinamici di Interazione Nastro-Struttura.
Ponte nastro
Supporto fisso
Nastro (andata)
Supporto mobile
Nastro (ritorno)
Contrappeso
•
Analisi della Sicurezza dei Casi Studio;
•
Identificazione dei Parametri Dinamici di Riferimento attraverso lo studio di
scenari di danneggiamento;
•
Sviluppo dei Sistemi di Monitoraggio con Capacità Early-Warning.
Analisi dinamica sperimentale e monitoraggio di ponti e costruzioni - Walter Salvatore
42
Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
CONCLUSIONI
 Analisi Dinamica Sperimentale
► Analisi Modale Operativa – Forzanti Ambientali
► Chiara Identificazione dei Modi di Vibrazione (Frequenze e Forme Modali)
► Identificazione delle Condizioni di Esercizio Effettive della Struttura
► Base per lo Sviluppo di Sistemi di Monitoraggio
 Monitoraggio Permanente
► Valutazione in Tempo Reale dei Parametri Dinamici e delle Condizioni di Esercizio
► Controllo delle Condizioni Ambientali
► Monitoraggio del Traffico Reale (Ponti) e dei Carichi di Esercizio (Strutture Industriali)
► Algoritmi di Identificazione del Danno
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Il monitoraggio delle strutture nella prevenzione del rischio sismico
GRAZIE PER L’ATTENZIONE
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