Progetto esecutivo 2005-2008 DPC-Reluis Linea 3 Valutazione e ...

Progetto esecutivo 2005-2008 DPC-ReluisUdine 22 Novembre 2006 – Convegno AnnualeLinea 3Valutazione e riduzione del rischio sismicodei ponti esistentiCoordinatoriGiuseppe Mancini e Paolo Emilio Pinto

Università partecipanti• Torino (G. Mancini)• Pavia (A. Pavese)• Genova (L. Gambarotta)• Chieti (E. Spacone)• Roma La Sapienza (P.E. Pinto)• Roma Tre (R. Giannini)• Cosenza (A. Vulcano)Udine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 2

Programma triennale: temi• Indagini tipologiche• Metodi di valutazione della vulnerabilità• Criteri di adeguamento: rinforzi,isolamento• Analisi e verifica di spalle, opere disostegno e fondazioni• Applicazioni dei metodi a pontirappresentativi delle diverse tipologieUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 3

Programma triennale: prodotti attesi• Proposta di normativa tecnica per lavalutazione e il progetto del rinforzo• Manuale applicativo con esempi deimetodi contenuti nella proposta normativaper ogni tipologia di ponte individuataUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 4

Tema 1: Indagini• Acquisizione di documenti progettuali e rilievisulle tipologie più diffuse di ponti stradali eferroviari• Fonti: ANAS, Società Autostrade, Societàconcessionarie di Piemonte e Lombardia,Italferr, RFI, Ferrovie della Calabria• Obiettivo: Selezione di opere rappresentativeper le analisi numericheUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 5

Tema 2: Metodi di valutazione• Affinamento dei modelli numerici nonlineari• Definizione dei protocolli di indagine• Adattamento ai ponti dei metodi divalutazione degli edifici esistenti• Sviluppo di metodi già finalizzati allavalutazione dei pontiUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 6

Tema 3: Criteri di adeguamento• Approfondimento aspetti specifici ai ponti delletecniche di rinforzo:• tradizionali: Incamiciature in CA e Acciaio• innovative: Precompressione esterna, fasciature conFRP• Messa a punto di soluzioni strutturali perl’isolamento di ponti esistenti• Prove sperimentali cicliche e pseudo-dinamichesu pile a grande scala, pre- e post-rinforzoUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 7

Tema 4: Spalle, fondazioni• Stato dell’arte sui metodi per la verificadelle strutture di ritegno• Selezione e sviluppo dei metodifisicamente più realistici, definizioneambiti di validità• Studio rilevanza del fenomenodell’interazione dinamica terreno-strutturaUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 8

Tema 5: Applicazioni-tipo• Primo obiettivo: supporto alla redazionedella proposta di normativa sullavalutazione e l’adeguamento dei pontiesistenti• Secondo obiettivo: per tutte le tipologieindividuate, sviluppo di un’applicazionedettagliata che illustri l’intero processovalutazione/progetto rinforzo/verificaUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 9

CronoprogrammaUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 10

Prodotti attesi alla fine del I anno• Rapporto sulla definizione delle provesperimentali da svolgere nei successivi18 mesi• Prima bozza della proposta di normativaUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 11

Risultati raggiunti al termine del I anno

Indagini tipologiche: dati acquisiti1• Sono state rilevate le tipologie principali sumolte tratte interessate da attività sismica:• Autostrada Torino-Bardonecchia-Frejus• Autostrada Parma-La Spezia• A1, tratto Firenze-Bologna• A14 Bologna-Canosa: tratta abruzzese• SS16 Adriatica : tratta abruzzese• Linea ferroviaria Roma-Viterbo• Linea ferroviaria Roma-Sulmona• Rete ferroviaria e stradale della Calabria.Udine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 13

Indagini tipologiche: dati acquisiti1• Autostrada Torino-Bardonecchia-Frejus• Costruita tra il 1983 e il 1992• Tipologie abbastanza uniformi:• Impalcati a cassone in CAP – campate40/60/100m – pile alte, fino a 90m• Impalcati semplicemente appoggiati a grigliato ditravi, CAP o misto acciaio-cls – campate tra 20 e80m – pile tra 5 e 30m• Autostrada Parma-La Spezia• Costruita tra il 1965 e il 1975• Tipologie più varieUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 14

Indagini tipologiche: dati acquisiti1Viadotto di Vasto MarinaDella ValleTotale ponti rilevati sulla SS16: 52Selezionati per analisi numeriche: 4SinelloValle GrandeUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 15

Metodi di valutazione: affinamento analisiIl problema dello smorzamentoStatica ciclica100806040FORZA [kN] …200-0.12 -0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12-202-40-60-80OPENSEESSPERIMENTALE-1000.150.10“Initial”SPOSTAMENTO [m]0.150.1“Tangent”0.050.05SPOSTAMENTO [m] [m]0.000 2.5 5 7.-0.05-0.10-0.15SPOSTAMENTO [m] [m]00 2.5 5 7-0.05-0.1-0.15Tavola vibrante-0.20-0.25-0.30OPENSEESsperimentaleUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 16-0.2-0.25-0.3OPENSEESsperimentale

Metodi di valutazione:Modellazione “a fibre” di ponti in muraturaarco a due luci ribassato(materiale NTR,E=15000, 101 nodi)1000900BrencichRingOpenSees2Confronto deirisultati con i modelliclassici e con irisultati disponibili inletteraturacarico ultimo [KN]8007006005004003000,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9x/sPer modellare illegame costitutivodella fibra abbiamoutilizzato leggiformulate per ilcalcestruzzo (Kent &Park, Mander)Udine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 17

Metodi di valutazione: affinamento analisiCombinazioni direzionali: alternativeEurocodice 8SRSSE = E + E +2x2yE2z2Sisma XSisma YProposta originale: Newmark (1975);Rosenblueth e Contreras (1977)( E + 0,3 E , E 0, E )E = ± max + 3E X100/30xy yE YInterpretazione corrente:8 combinazioni= ± Ex± 0,3Ey, ± Ey±E 0, 3ExxOPCM 3274CQC3RcrR( ) 2 22 22⎛ , x1+ R , y2⎞2⎛ R , x1− R , y2⎞21 + γ ⎜⎟ + ( 1−) ⎜⎟ + R xy= γ⎝ 2 ⎠⎝2⎠2Udine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 18

Metodi di valutazione:Definizione protocolli indagine2• Obiettivo• Ridurre il numero delle prove distruttive (D)aumentando l’attendibilità delle misureindirette (ND)• Soluzione• Regressione ND-D specifica per ognistruttura, caratterizzata in probabilitàUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 19

Metodi di valutazione:Definizione protocolli indagineIndirette:es: V s⎡xˆXˆ=⎢⎢M⎢⎣ˆ1x n⎤⎥⎥⎥⎦Dirette,es: R cyˆ=⎡ yˆ⎢⎢⎢⎣ˆ1My n⎤⎥⎥⎥⎦Regressione acoeff. aleatoriy= xθ + ε2p(y x,Xˆ, yˆ)=⎛ ν + 1⎞Γ⎜⎟⎝ 2 ⎠λ(x)Γ( ν 2)νπ⎡⎢1+⎢⎣( y-Xθˆ)2νλ( x)2⎤⎥⎥⎦−(ν+1 )/ 2Fissata p (confidenzanella stima) -> Numeroprove distruttive minimoNumero prove distruttive->confidenza nella stimaUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 20

Metodi di valutazione:Dinamico lineare equivalente2• Ipotesi: impalcato elastico+pile elastiche con K sec• Partendo da una deformata inziale:• K secper ogni elmento• ξ eq dell’intera struttura (pesato) (Shibata, Sozen)• Calcolo risposta: analisi modale con spettro in spostamento• Iterazione, convergenza: controllo su spostamenti e sollecitazioni• A convergenza verifica di deformabilità e resistenza (V)Pila 1F jPila jKsecΔ jiΔ jDeformata inizialei-esima iterazionePila nR= 1−( Δ − Δ )n2∑1ji0jin 2n∑ Δji+ ∑ Δ1 01n∑ ( Mji− M )1 0 jin 2n∑ Mji+1 0 ∑1Udine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 21RRΔiMi= 1−R Δ+ R=M2≅ 1→M2ji2jiconvergenza2

Criteri di rinforzo: FRP per ripristino dipile con problemi di aderenza• Obiettivo:• Evitare la perdita di aderenza nella zona disovrapposizione ripristinando la risposta della pilacome se fosse costituita da barre longitudinalicontinue3• Soluzione:• Deviare il flusso delle sollecitazioni verso un rinforzoesterno• Utilizzo di strisce longitudinali in fibra di carbonio (Eelevato) nel tratto di sovrapposizione• Utilizzo di avvolgimenti in fibra di carbonio permantenere un rapporto ottimale di resistenza a taglioe flessioneUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 22

Criteri di rinforzo: FRP per ripristino dipile con problemi di aderenzaSenza FRPF = 120 kNΔ = 35 mmCon FRPF = 200 kNΔ = 35 mmDrift [%]-2.4 -1.2 0 1.2 2.43Longitudinal fibresØ 7 CFRP barEpoxy resin fillingBase shear [kN]2001000-100-200FEM predictionT250L-FRPT250L-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40Lateral displacement [mm]Udine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 23

Criteri di rinforzo per ponti in muratura:stato dell’arte dei metodi tradizionaliRinforzoa trazioneMeccanismo (cerniere)Collasso per compressione3Barre acciaioCFRPUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 24

Criteri di rinforzo per ponti in muratura:stato dell’arte dei metodi tradizionaliBarre passantiRaddoppio in c.a.3Tiranti trasversaliArchi di rinforzoUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 25

Definizione delle prove sperimentali:Viadotto Rio Torto3BO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1217,3530,6130,4926,7527,8639,4141,3436,4925,74pienapienacavapienapienacavacavacavacavapienapienapiena1200275275Giunti intermediBologna29,0533 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 29,05Sezione trasversale impalcato17,19Stilata oggetto di studio14,37630 650 630120 120120560138013,8Firenze130570630Udine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 26

Definizione delle prove sperimentali:Viadotto Rio TortoModello scala 1:4 della prima pila (lato Firenze):3• Caratterizzazione del comportamento ciclicosperimentale della pile in assenza diadeguamento• Determinazione del meccanismo di collasso• Determinazione della capacità portante• Progetto e verifica di differenti sistemi dirinforzoUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 27

Definizione delle prove sperimentali:Viadotto Rio TortoSchema pila con armature630120Schema modello elementi finiti(OpenSees)63031380120 12013057012012030 304013069552120 45100 100 100 45 1203000 kN 3000 kNS4 S5S6 S7 S6S5 S4S1S1165 300 165300 kN 300 kNS2 S3 S23 4647 tipi di sezione afibre (S1-S7)5601206251S1S1313 elementi di tipononlinearbeamColumncon effetto P-δ1 2Udine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 28

Definizione delle prove sperimentali:Viadotto Rio Torto695625630120 45100 100 100 45 120S4 S5S6 S7 S6S5 S4562 S1165 300S1 41653 S2 S3 S241 S1S1 3δ 1δ 2δ 2δ 1Analisi dinamica nonlineareper l’accelerogramma 1drift (cm) nodo 3-suolo151050-5-100 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50314001 2Confronto analisi pushover eanalisi dinamica nonlinearedrift (cm) nodo 5-nodo3151050-5-100 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50tempo (s)taglio alla base [KN]12001000800600400200Pushoveraccelerogramma 1accelerogramma 2accelerogramma 3accelerogramma 4accelerogramma 5accelerogramma 6accelerogramma 700 5 10 15 20 25 30spostamento [cm]Forza di taglioalla base [kN]Forza di tagliolivello trasverso [kN]200010000-1000-2000-10 -5 0 5 10 15200010000-1000-2000-10 -5 0 5 10 15drift (cm)Udine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 29

Definizione delle prove sperimentali:Viadotto Rio Torto157,5Martinetti Idraulicida 500 kN e relative celle dicaricoMartinetto DinamicoMTS da 250 kNcorsa +/- 12.5 cmTrasd.LASERMartinetto DinamicoMTS da 250 kNcorsa +/- 12.5 cmBarre di post-tensioneper la simulazione delcarico verticale3martinettiidraulici da 250 kNTrasd.LASERMURO DICONTRASTOVERTICALETrasd.LASERPIASTRA DI BASEPIANTA ATTREZZATURADI PROVAPROSPETTO ATTREZZATURA DI PROVAUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 30

Definizione delle prove sperimentali:Progettazione(Primavera 2007)Pile da ponte in grande scalaPila da ponte in grande scalaModello in scala ridotta (1:2)Rinforzo con FRP della zona disovrapposizione delle barre longitudinali3Analisi(Primavera 2007)SeismoStruct [SeismoSoft, 2006]Sperimentazione(Estate 2007)Prova ciclica in controllo di spostamentoUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 31

Definizione delle prove sperimentali:Pile da ponte in grande scala3Il prototipo scelto per la progettazione della pila ha leseguenti caratteristiche:• Carico assiale N = 2500 kN ν = 0.1• Dimensioni sezione:• Rettangolare cava 1.2 m x 2.0 m• Spessore 0.2 m• Altezza pila: H = 7 m• Materiali:• Acciaio: FeB44K• Calcestruzzo: Rck 400• Armatura:• Longitudinale: 104 φ 12• Trasversale: Staffe φ 6 / 7cm 20034132 101 7 x 95 101 132800120020034132 3411913 x 110132 1193420016002002000Udine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 32

Definizione delle prove sperimentali:Programma sperimentaleRottura Tipo Rinforzo CaricoassialeProvaDebonding As-built 0.10 PS/PD ciclica 1%Arm.longitudinale3Debonding Rinforzata FibracarbonioDebonding Rinforzata Fibra divetro0.10 PS/PD ciclica 1%0.10 PS/PD ciclica 1%Fless./Taglio As built 0.10 PS/PD ciclica 2%Fless./Taglio Rinforzata Cavi/barre0.15 PS/PD ciclica 2%Fless./Taglio Rinforzata Cavi/barre 0.20 PS/PD ciclica 2%Udine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 33

Spalle e fondazioni:modello dinamico non lineare 1D paratie(a)CABDEF(b)4Colonna di suolo“valle”ΔzΔzΔzΔzΔzf t = cbvt( c = 2A⋅ ρ V )Udine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 34b( ) ( )sbsbv( t)Colonna di suolo“monte”

Spalle e fondazioni:legame molle di interazione(Compressive)σ ha,Bσ h(Tensile)εε h/σ vBσσh 0,Bh 0,AE h,AAE h,B(b)4σ hp,AUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 35

Spalle e fondazioni:validazione modello con 2D-FE non lineariγEcct=25kN/ m=30GPa= 0.50m3ν= 0.26.0 macc. (m/s 2 )210-1acc. (m/s 2 )210-1S a(m/s 2 )4245.0 m9.0 mγ= 19.6kN/msVs3= 250m/sν= 0.3φ= 35° c'= 0kPaδ= 2φ3disp. (cm)-20 0.5 1 1.5time (s)3210-1-2-30 0.5 1 1.5time (s)disp. (cm)-20 5 10 15time (s)3210-1-2-30 5 10 15time (s)S d(cm)00 2 4Period (s)10864200 2 4Period (s)Udine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 36

Spalle e fondazioni: risultati02 nd order Ricker wavelet, f=2Hz, a g=0.2g02 nd order Ricker wavelet, a g=0.2g f=2HzDepth (m)-1-2-3-4-5-6-7Fine scavoInviluppodinamicoDisplacement (m)-0.01-0.02-0.03-0.04Fine scavo4-8-9-10-0.05-0.06Residuo-11100 200 300 400 500Bending moment (kNm/Mm)-0.070 2 4 6 8 10Time (s)Udine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 37

275Applicazioni tipo:Viadotto Rio TortoGiunti intermediPorzione studiataBolognaBO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1229,0533 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 29,0517,3530,6130,4926,7527,8639,4141,3436,4925,74pienapienacavapienapienacavacavacavacava17,1914,3713,8pienapienapienaFirenze3Anno costruzione: 1959Luogo:Autostrada A1 Milano-Napoli, presso RoncobilaccioImpalcato: continuo, giunti 2 a , 7 a e 11 a campataLunghezza totale: 421 m (13 campate di luce 33 m)Pile:a telaio, altezza variabile (H=13.80÷41.34m)Appoggi: neoprene di piccolo spessorePorzione studiata: 4 campate (tra la pila 7 e la 11)Udine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 38

Applicazioni tipo: Rio Torto, Analisi modaleDeformata trasversale dell’impalcatoPossibili punti di controllo5 783 883 983 1083~ centrorigidezza~ centromassa1183Udine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 39

Applicazioni tipo: Rio TortoMetodo usato: Modal Pushover Analysis• Pushover con distribuzione di forze modaliinvariante effettuato per tutti i modi significativi• Grandezze di risposta ottenute mediantecombinazione SRSS o CQC delle rispostemodali5• Obiettivi:• Verifica del metodo con analisi dinamiche non lineari• Problema del punto di controllo• Bilinearizzazione• Deformata inelastica diversa dalla forma modaleUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 40

Applicazioni tipo: Rio TortoProblema del punto di controllo9000.5800Taglio alla base [kN]70060050040030020010000 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2Spostamento orizzontale [m]Sa [g]0.40.30.20.1Sempre T>2sCentro di rigidezzaCentro di massa00 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2S d5Sottostima di u 1Deformata inelastica per u 1u 1Deformata elastica φ 1Sovrastima di u 2u 2Udine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 41

Applicazioni: Viadotto Val di LetoEffetto della comp. verticale su ponte isolato1.51ξ Η =10%EC8H.D (target)EC8H.D (artificial)Duzce (E-W)Izmit YP (N-S)1.51ξ V =5%EC8V (target)EC8V (artificial)Duzce (vertical)Izmit YP (vertical)5S aH / g0.50orizzontale0 1 2 3 4T [s]0 0.1 0.2 0.3 0.4T [s]Udine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 42S av / g0.50verticale

Applicazioni: Viadotto Val di LetoEffetto della comp. verticale su ponte isolatoModello accoppiato utilizzato per gli isolatori (Ryan, Kelly & Chopra 2004)P, uV, uVK HK VF, uH, uHC VC H5orizzontaleFF[ ( ) ]2P P cru H= K Hu = HK 1− H 0CHu&H≅ ( ξHKHTHπ ) u&0 1 Hverticale⎛P = K⎜VuV−⎝P = C u&≅= ( ) V Vξ VK VT Vπ u&0 1 VPPSEuh2Hb⎞⎟⎠Udine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 43

Applicazioni:Viadotto Vasto Marina (SS16)Prospetto Lato MonteVista Laterale5PilaImpalcato a graticcio Degrado CalcestruzzoUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 44

Applicazioni:Viadotto Vasto Marina – analisi lineareModello FEρ = Di / Ci.3025201510Rapporti ρ=D/Cper le diverse pile55My (kNm)Risultati analisi con q=1.5250200150100500-1000 -500 -50 0 500 1000 1500 2000 2500 3000-100-150-200-250Mx (kNm)Udine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 4500 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14N° pilaConclusione:Analisi linearinon applicabili

Linee guida per la valutazione e il rinforzo diponti esistenti: prima bozza• Completata una primabozza con indicazioniper ponti in CA/CAP emuratura• Aspetti caratterizzanti:• Definizione delleprestazioni attese• Definizioneprobabilisticadell’azione sismica (T R )• Metodi di analisi linearie non lineari• Grandezze di verifica:deformabilità eresistenzaUdine 22 Novembre 2006 - Progetto DPC/Reluis - Attività della Linea 3 46