PASSERELLE PEDONALI FORMA E STRUTTURA

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1 Lunedì 23 Maggio 2011 Presso lo Spazio Viterbi della Provincia di Bergamo PASSERELLE PEDONALI FORMA E STRUTTURA Prof. Ing. Bruno Briseghella University of Fuzhou (PRC) Prof. Ing. Enzo Siviero Università IUAV di Venezia Prof. Ing. Tobia Zordan Tongji University (PRC) GESTIONE E MANUTENZIONE 1

2 Sostenibilità Sostenibilità Ciclo di vita 2

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4 Staffe scoperte / ossidate Aspetti di durabilità e costi di gestione Secondo Bergmeister et altri se si analizzano le cause più frequenti dei danni ai ponti, risulta che esse sono riconducibili a: A. 25% - 40% ad errori di impostazione progettuale B. 30% - 44% ad errori di esecuzione dei lavori C. 28% - 33% alle modalità di utilizzo Il progettista deve prestare oggi una grande attenzione agli aspetti della durabilità già in fase di impostazione progettuale, oltre che in fase esecutiva. 4

5 Aspetti di durabilità e costi di gestione La conoscenza dei materiali e lo studio accurato delle patologie ci dimostrano che su 100 calcestruzzi precocemente degradati, - circa 45 lo sono per un confezionamento non corretto (dosaggi di cemento troppo bassi, rapporti a/c troppo elevati, mixdesign non corretti, ecc.); - 25 circa, per errori o imperfezioni nella messa in opera (compattazione non sufficiente e/o malamente eseguita, casserature non idonee, insufficienti o inesistenti operazioni di curing, ecc.); - 25 circa, per una progettazione non corretta dell'opera (copriferro inadeguati, spazi interferro troppo limitati per consentire la corretta posa del conglomerato, errata o inesistente valutazione della classe di esposizione ambientale, ecc.). - Solo 5 calcestruzzi su 100, infine, risultano danneggiati da cause ambientali non totalmente prevedibili. Aspetti di durabilità e costi di gestione Vulnerabilità degli edifici in c.a. secondo Olazabal e Traversa 5

6 A. Durata delle costruzioni Si ammette generalmente che: - il degrado sia un fenomeno irreversibile; - la manutenzione ordinaria ( M.O. ) sia lo strumento capace di rallentare il degrado. - la manutenzione straordinaria (M.S.) come strumento per ricostituire una ridotta funzionalità ed eventualmente per migliorarla, secondo lo schema temporale mostrato nella figura seguente. B. Costo totale di un manufatto Aspetti di durabilità e costi di gestione C Tot, t = C Cost + C Isp + C Man + C Monit + C Rip + C St + C Coll Dove: C Tot, t C Cost C Isp C Man C Monit C Rip C St C Coll = Costo totale del manufatto per il mantenimento in efficienza durante l intera vita effettiva; = Costo di costruzione; = Costi per le ispezioni; = Costi per le manutenzioni; = Costi per i monitoraggi; = Costi per le riparazioni; = Costi per opere stradali provvisionali; = Costi di demolizione. Aspetti di durabilità e costi di gestione PONTE 46.5 X M A. Calcestruzzo armato precompresso C Cost C Cost = 0.14 x C Tot, t C M.O. = 1.14 x C Cost C M.O. = 0.16 x C Tot, t C M.S. = 4.74 x C Cost C M.S. = 0.65 x C Tot, t C Coll. = 0.43 x C Cost C Coll. = 0.05 x C Tot, t PERIODO DI VITA = 100 ANNI C Tot, t. = 7.30 x C Cost C Tot, t. 6

7 Aspetti di durabilità e costi di gestione Investimenti nelle manutenzioni e nelle nuove costruzioni in Europa il metodo Wiecke modificato IUAV e CIAS (1/2) S A = Σ (G N K 1 K 2 ) Indice di difettosità assoluta: esprime il grado di conservazione di una classe di componenti strutturali (es. spalle, travi ) S R = Σ (G K 1 K 2 ) Indice di difettosità relativa: esprime il livello di danneggiamento di un singolo elemento all interno di una specificata categoria (es. quella spalla, quella trave ) Dove: G = numero base K1 = fattore di volume con valori che possono essere uguali a 0.2, 0.5, 1.0 K2 = fattore di intensità con valori che possono essere uguali a 0.2, 0.5, 1.0 N = numero di volte che un certo elemento è presente nella costruzione. 7

8 il metodo Wiecke modificato IUAV e CIAS (2/2) Esempi di valori tipici del numero di base per alcuni tipi di difetti G Difetti strutturali Corrosione armatura Riduzione armatura di precompressione Lesioni diagonali Difetti tecnologici Macchie d umidità Espulsione del copriferro Presenza di vespai Dilavamento superficiale calcestruzzo Cls ammalorato/dilavato ISPEZIONI VISIVE (1/5) 8

9 ISPEZIONI VISIVE (2/5) Distacco del copriferro Armatura ossidata ISPEZIONI VISIVE (3/5) Armatura scoperta / Vespai 9

10 ISPEZIONI VISIVE (4/5) Staffe scoperte / ossidate ISPEZIONI VISIVE (5/5) Testate di ancoraggio non sigillate 10

11 Analisi difettologica Schede tipo CORRELAZIONE TRA ISPEZIONI VISIVE E VALUTAZIONE DELLA TIPOLOGIA E GRAVITà DEL DIFETTO 11

12 Procedura per l analisi difettologica dall ispezione visiva alla difettosità relativa attraverso le schede Casi studio 12

13 Passerella Parco San Giuliano a Mestre (L = 140 m, Redesco) 13

14 Caratterizzazione dinamica della struttura A. Prove di vibrazione ambientale B. Prove impulsive C. Prove con vibrodina vibrodina a masse controrotanti 14

15 Caratterizzazione dinamica della struttura Modo cal Frequenza mis. [Hz] Frequenza cal. [Hz] Confronto fra le prime quattro frequenze misurate e i corrispondenti valori teorici Analisi di sensibilità Dettagli costruttivi critici a) ancoraggi degli stralli di ormeggio alle fondazioni b) ancoraggi degli stralli di controventamento alle fondazioni c) stralli di ormeggio (si ipotizza la non perfetta tesatura delle funi) d) giunto ancoraggio strallo-trave longitudinale-traverso 15

16 Analisi di sensibilità A. Ancoraggi degli stralli di ormeggio alle fondazioni Confronto fra frequenze calcolate per il caso base e frequenze calcolate assumendo un malfunzionamento degli stralli di controventamento dell antenna su uno dei due lati (per simulare questo malfunzionamento per gli stralli si assume E=0.5 Eo) Dettaglio dell elemento terminale per il collegamento del triangolo di chiusura alla spalla in c.a.. Variando la rigidezza di questo elemento viene simulato il malfunzionamento dell ancoraggio alla spalla degli stralli di ormeggio (b) Analisi di sensibilità B. Ancoraggi degli stralli di controventamento alle fondazioni Mo do Frequenza [Hz] Frequenza [Hz] (1) Diff. [%] Confronto fra frequenze calcolate per il caso base e frequenze calcolate assumendo che l ancoraggio di uno dei triangoli di chiusura degli stralli di ormeggio alla spalla sia danneggiato (per simulare il malfunzionamento del vincolo danneggiato si assume che l elemento di collegamento abbia E=10-3 E o ) 16

17 Analisi di sensibilità C. Stralli di ormeggio (si ipotizza la non perfetta tesatura delle funi) Confronto fra frequenze calcolate per il caso base e frequenze calcolate assumendo un malfunzionamento degli stralli di ormeggio dovuto alla non perfetta tesatura degli stessi (per simulare questo malfunzionamento per gli stralli si assume E=0.5 Eo) Analisi di sensibilità D. Giunto ancoraggio strallo-trave longitudinale-traverso Confronto fra frequenze calcolate per il caso base e frequenze calcolate assumendo il non corretto ripristino della continuità fra traversi e travi longitudinali 17

18 Sistema di monitoraggio Strumentazione: a) 5+5 accelerometri verticali per campata ( ) b) 1+1 terna accelerometrica per campata ( ) Widening of the Eraclea bridge, Venice 18

19 During the construction of the two new structures, it was decided by the builder to have an increased gap between the axes of the trusses at the joints in order to ease the assembly of the three dimensional layout of the structure. The decision taken by the builder is critical with reference to the state of stress introduced within the structure at the joints; This is due to the remarkable measure of the eccentricity, that varied from a minimum of 150mm to a maximum of roughly 170mm and to the survey inaccuracies that led to eccentric supports at the tripods. 19

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24 d i d 0 24

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31 Part. 1 31

32 Part. 2 Part. 3 32

33 With reference to the results obtained it was decide to replace some parts of the structure reducing the eccentricities at the joints (fig 12) and, since this was found not to be enough, replacing the existing bearings over the tripods with new bearings placed at appropriate locations so not to have any further eccentricities. The structure, as resulting from the proposed changes is shown in figure 13. Green areas refer to zones that were left with the eccentricities as they were originally built. Blue areas (fig. 13) refer to zones with reduced eccentricities as shown in figure 12(I), while yellow areas (fig. 13), over the supports, refer to zones with joints characterized by the absence of any accentricities. A new global FE model representative of the proposed retrofitting strategy was implemented (fig. 14, 15). 33

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35 The proposal followed after the builder introduced different eccentricities at the joints compared to those provided in the original project and after some inaccuracies during the survey implied further eccentricities at the supports. This problems, as previously shown, implied unbearable state of stress within the structure. Local and global FE analysis carried out on the footbridge allowed for a strategy that led to the modification of the as built situation without, nevertheless, stepping back to the original layout, but still accepting a certain degree of eccentricity at the joints. This allowed for a reduction of the total cost of retrofitting keeping the overall cost of construction (inclusive of the retrofitting phase) comparable to the one budgeted for the original structure with no eccentricities. 35

36 The Fourth Bridge over the Grand Canal in Venice Main data sheet: Design: Santiago Calatrava Total length: 80.8 m Rise: 4.35 M static scheme: arch/beam (f=1/18l) Number of arches: 3 Width: min. 6.5 m; max 9.00 m Beams heigth: Var. min:1702mm max:2084mm Steel kg ( 650 kg/m 2 ) Assembly August

37 Fourth Bridge over the Grand Canal in Venice g 650 kg/m 2 Footbridge (width = 2-4 m) Bridge (width = m) Railway Bridge (one line) From F. De Miranda Ponti in acciaio 80.8 m L= 8,33 m 37

38 Foundations A. Horizontal forces at the abutments H permanent = kn = kn H maximum B. Admissible horizontal displacements Δx = 20 mm C. Foundation characteristics - diaphragms - Length L = 22 m - Cross section B 1 = 9 m B 2 = 22.5 m Foundations Comparison between the difference in horizontal thrust according to rise/span (h/l) for different arch bridges 38

39 Foundations Former solution L = 22.5 m B = 9 m Updated solution 3d Construction of the foundations Comune di VENEZIA 39

40 3d Construction of the foundations Comune di VENEZIA Construction of the foundations 40

41 Construction of the foundations Construction of the foundations 41

42 The steel arches The steel arches 42

44 The steel arches R25-R37 e R25 -R37 - Former solution a) lower tubes D = 219 mm s = 40 mm A = 225 cm 2 - Updated solution a) lower tubes D = 298 mm s = 70 mm A = 501 cm 2 b) Increase of the depth of the trasversal elements 44

45 Sresses in the lower arches R33 Stresses in the trasversal beams R33 The steel arches 45

47 Segments

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51 Z08 Z10 Z10 Z08 PREPARAZIONE LEMBI ASSE TUBO PREPARAZIONE LEMBI PER SALDATURE PER SALDATURE Z IPOTESI 1 TAGLIO TESTA TUBO ESISTENTE 13 B A VISTA FRONTALE A-A PREPARAZIONE LEMBI PER SALDATURE PREPARAZI ONE LEMBI PER SALDATURE 51

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54 The construction phases The construction phases 54

55 Lateral segment - Lateral segment weight kg - SPMT weight (self propelledmodular trailers) kg - SPMT max. load capacity 8 x kg Central segment - Central segment weight kg - SPMT weight (self propelledmodular trailers) kg - SPMT max. load capacity 20 x kg 55

56 The construction phases PROSPETTO (1:100) 56

57 The construction phases PROSPETTO (1:100) The construction phases Central segment: the FE model with the provisional pre-stressing cables used to re-establish the typical response of an arched structure the maximum stress level of 171 MPa reached during erection phases 57

62 a) Beam Model nodes beams - 18 links The F.E.M. Model Program: Straus 7 b) Plate Model nodes beams plates links Torsional deformability - Live load: q = 6.00 kn/m 2 - Maximum vertical displacement δ1-δ2: δ1-δ2 = Δy max = 62.9 mm = 1/71 L Supports Lateral arch (loaded side) Central arch Lateral arch (not loaded side) Fixed δ 1 [mm] δ 2 [mm] δ 3 [mm] Horizontal displacements:30 mm

63 The static tests Static tests on the central portion of the bridge (L = 50 m) The static tests 63

64 The static tests The static tests 64

66 The static tests -P max = kn = 600 kn y pr. y mod. Δ % y pr. y mod. Δ % Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore The static tests -P max = kn = 500 kn y pr. y mod. Δ % y pr. y mod. Δ % Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore

67 The static tests -P max = kn = 200 kn y pr. y mod. Δ % y pr. y mod. Δ % Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore The static tests Q Q prova prog.1 = 0,90 67

69 The static tests The static tests Q Q prova prog.1 = 0,90 69

70 The static tests Step Jacks (kn) Water level (cm) Y fem (mm) Yexp (mm) A B C B ,50-26,14-25,35-26,14 / ,00-52,27-50,69-52,27 / ,50-78,41-76,04-78,41 / ,54-101,38-104,54-96, Load condition 1 The static tests 70

71 The static tests Step Jacks (kn) Water level (cm) Y fem (mm) Y exp (mm) P.le Roma Ferrov ia P.le Roma Ferrov ia A B C B ,5 27,50 12,50-21,67-21,07-21,67 / ,00 25,00-43,34-42,13-43,34 / ,5 82,50 37,50-65,01-63,19-65,01 / ,00 50,00-86,68-84,26-86,68-70, ,2 Load condition 2 The static tests 71

72 The static tests Step Jacks (kn) Water level (cm) Y fem (mm) Y exp (mm) P.le Roma Ferrov ia P.le Roma Ferrov ia A B C B 1 7, ,50 27,50-6,66-18,49-31,47 / ,00 55,00-13,31-36,97-62,94 / 3 22, ,50 82,50-19,97-55,46-94,41 / ,00 110,00-26,63-73,95-125,88-73, ,3 Load condition 3 The dynamic characterization Theoretical vibration modes and related frequencies 72

73 Monitoring system - 6 inclinometers - 14 strain gauges Monitoring system Horizontal settlement of the foundation after release of temporary supports 73

74 A. Central arch. P = 4000 kn, n = 2 Jacks B. Lateral arches. P = 2600 kn; n = 4 (2 + 2) Enerpac CLP Series 74