Indagini NDT, prove sperimentali e validazione dei modelli numerici

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1 TECNOLOGIE E COMPETENZE ENEA PER LE INDAGINI NDT: UNA OPPORTUNITÀ PER L ORIENTAMENTO DEI GIOVANI AL MONDO DELLE PROFESSIONI E DEL LAVORO Indagini NDT, prove sperimentali e validazione dei modelli numerici Laboratorio Virtuale DySCO (Structural Dynamics, numerical Simulation, qualification tests and vibration Control) Marialuisa Mongelli ENEA C.R. Casaccia

2 Laboratorio SITEC Tecnologie per l innovazione sostenibile Strumentazione, finalità, settori di applicazione Strumentazione: tavole vibranti e shaker elettrodinamici Qualifica sismica, vibrazione e shock Sitec Servizi tecnici e metodologici per il sistema industriale ed enti pubblici. Supporto alle imprese per il processo di prototipizzazione, innovazione di prodotto e qualifica Miglioramento della risposta dinamica e messa in sicurezza di strutture mediante sistemi tradizionali ed innovativi di: rinforzo isolamento alla base nuove tecniche costruttive Applicazioni per: Civile Patrimonio Culturale Industriale Meccanica Aeronautica Trasporti Nucleare

3 Sistemi di monitoraggio ed indagini NDT Sistemi di acquisizione tradizionali Accelerometri LVDT Laser Trasduttori a filo Celle di carico Geometrical triangulation of data acquisition by NIR cameras 3D reconstruction of markers and overlay of synchronized movies (accuracy mm) Sistema 3DVision Motion capture 3D Utilizza un insieme di telecamere NIR e videocamere (9NIR+3Video) Rileva la traiettoria di alcuni marcatori posti sulle strutture in esame Consente la misura diretta degli spostamenti Set up di prova semplice e rapido Elevata accuratezza della misura Technical Performance of NIR Cameras Misura degli spostamenti in accordo con le nuove linee guida per la progettazione sismica 16 Congresso AIPnD Biennale PnD MD Esposizione MILANO, 22 Ottobre 2015 Atahotel Quark

4 Sistemi di monitoraggio ed indagini NDT Tecniche Esami visivi Endoscopia Termografia Esami Sonori Esami Ultrasonori Georadar Correnti Parassite Scansioni laser Fotogrammetria Nessun sistema di monitoraggio e/o di indagine, è autosufficiente : è la sinergia tra diversi sistemi e competenze a fornire un adeguato livello di conoscenza Analisi storica dell elemento Rilievo geometrico Analisi del quadro fessurativo Monitoraggio ambientale Monitoraggio strutturale

5 Modellazione/Analisi FE e Livello di conoscenza PND Linee guida del Rischio Sismico per il PC La modellazione numerica schematizza il comportamento di una struttura, ma è successiva all analisi della CONOSCENZA che è rappresentativa della REALTA FISICA DELL ELEMENTO IN ESAME Analisi FEM => Soluzioni Approssimate Metodi di prova non distruttivi: Sono ammessi metodi di indagine non distruttiva di documentata affidabilità, che non possono essere impiegati in completa sostituzione di quelli sopra descritti, ma sono consigliati a loro integrazione, purché i risultati siano tarati su quelli ottenuti con prove distruttive. Nel caso del calcestruzzo, si adotteranno metodi di prova che limitino l influenza della carbonatazione degli strati superficiali suivaloridiresistenza. Aumentare il n. di nodi e elementi NON E SUFFICIENTE a migliorare i risultati di un analisi FE Per la conoscenza accurata della struttura architettonica (Livello 3) è richiesta la conoscenza interna dell elemento e la valutazione dello stato di degrado PD + PND

6 Modellazione/Analisi FE e Livello di conoscenza

7 Laboratorio Virtuale DySCo Condivisione in rete delle prove sperimentali su tavola vibrante Home page: Architettura del laboratorio DySCo Accesso remoto in tempo reale alle prove sperimentali tramite una stanza virtuale: Accesso audio, video, chat, microfoni Accesso a software/tool e a risorse di calcolo distribuito (piattaforma di calcolo distribuito ENEA CRESCO4 Computational RESearch center on COmplex system ) Scambio di informazioni, di documenti ( via afs, tramite interfaccia grafica FARO Fast Access to Remote Objects ) T.R.E.M.A. Tecnologie per la Riduzione degli Effetti sismici su Manufatti Architettonici Migliorare la collaborazione tra l ENEA e la rete italiana delle università e dei laboratori di Ingegneria sismica (ReLUISS)

8 Laboratorio Virtuale DySCo Condivisione in rete delle prove sperimentali su tavola vibrante Remotizzazione di servizi di ricerca e caratterizzazione erogati da grandi impianti e/o apparecchiature Le risorse di calcolo offerte all'utenza sono attualmente i sistemi Linux x86_64 (i cluster CRESCO ~8000 cores) e sistemi speciali dedicati (ad es.gpu/phi). Storage AFS e GPFS. Le risorse sono distribuite su 6 Centri di Ricerca ENEA.

9 Laboratorio Virtuale DySCo Condivisione in rete delle prove sperimentali su tavola vibrante Progetto: Diffusione della cultura della prevenzione nelle aree ad alto rischio sismico e sperimentazione di nuovi sistemi costruttivi nelle costruzioni (Roma, 16 ottobre Congresso AIPnD) Conv. ENEA Ist. Sup. Filippo Brunelleschi Acireale (CT) Obiettivo: la diffusione della cultura della sicurezza simica nelle scuole

10 Tamburo della chiesa di San Nicolò l Arena (CT) Collaborazione ENEA MAT QUAL CE.P.I S: CEntro di Prevenzione e Istruzione Sismica Obiettivi Realizzazione modello in scala 1:6 Intervento di miglioramento: Sistema DIS CAM Cucitura Attiva della Muratura con elementi DISsipativi Monitoraggio con sensori in fibraotticaareticolodibragg (FBG) Metodologie Studio preliminare mediante modelli numerici (FEM) Prove dinamiche su tavola vibrante del modello integro, danneggiato e rinforzato mediante intervento con elementi dissipativi in corrispondenza delle finestre

11 Tamburo della chiesa di San Nicolò l Arena (CT) Risultati 3DVision e validazione del modello FE Modello 3D Distribuzione FE Sforzi-Deformazioni I-II Modo: 3.8 Hz III Modo: 6.9 Hz Colfiorito Input time history

12 Tamburo della chiesa di San Nicolò l Arena (CT) Confronto dei risultati FEA and 3DVision: 3DVision D1S marker = FEA 4841 nodo The displacement increase from the bottom to the top of the model agrees with experimental tests. Elastic cracking behavior with limited tensile strength of the masonry and with the path of the fractures proceeding also from the bottom to the top of the mock up New dissipative elements inserted on the damaged structure to improve the seismic behaviour and experimental tests re executed Experimental results shared in real time via Internet

13 Tamburo della chiesa di San Nicolò l Arena (CT) Confronto tra FEA e 3DVision: FEM (nodo) = 3DVision (marker)

14 Obelisco Lateranense (Roma) Obiettivi Studio cinematico dei possibili meccanismi di sliding e rocking dei tre blocchi Metodologie Monitoraggio Ambientale a lungo termine dovuto al traffico e/o microsismi Prove NDT per la definizione delle proprietà meccaniche dei materiali Endoscopia, tomografia sonica, e georadar Modello e analisi agli elementi finiti Vulnerabilità sismica 16 Congresso AIPnD Biennale PnD MD Esposizione MILANO, 22 Ottobre 2015 Atahotel Quark

15 Obelisco Lateranense (Roma) Tomografia Sonica Scenari ipotizzati Dati sperimentali 0.44 Frequenze [Hz] Basamento ν=0.44 Ε=35.7Ε+8 1 Modo Incastro E[Pa]=3 E+10 caso(/) Appoggio E[Pa]=3 E+10 Elm rod base e conci E[Pa]=3 E+10 Elm rod base e conci senza basamento dati sperimentali FEM con basamento dati sperimentali 1E-W E-W

16 Obelisco Lateranense (Roma) Analisi statica non lineare Individuazione delle condizioni di inizio scorrimento e di incipiente ribaltamento tramite: l applicazione di differenti configurazioni di forze applicate al modello numerico la determinazione del moltiplicatore critico di ribaltamento considerando lo spostamento orizzontale di un punto di controllo fino al raggiungimento dello SLU The seismic forces are proportional to the normalized displacements of the first two modes Seismic load: C1 : Gravity + seismic action applied at the gravity center of the obelisk C2: Gravity + seismic action distribuited at the gravity centers of the blocks C3a : Gravity + seismic action proportional to the first mode of the obelisk Critical collapse multiplier 11.25% 12.0% 12.5% C3b : Gravity + seismic action proportional to the second mode of the obelisk 15.0% a) I Mode Critical overturning multiplier 12.5% b) II Mode Critical overturning multiplier 15%

17 Obelisco Lateranense (Roma) Progetto PERPETUATE PERformance based approach to Earthquake protection of culturalheritage in European and mediterranean countries 1:6 scaled model total height m base NOT symmetric hinges not allow sliding

18 Isolamento sismico dei Bronzi di Riace Museo Archeologico Nazionale della Magna Grecia Convenzione ENEA e Direzione Regionale per i Beni Culturali e Paesaggistici della Calabria Riduzione delle forze di ritenuta applicate ai tiranti pari a 1/3 del valore attuale

19 Isolamento sismico dei Bronzi di Riace Museo Archeologico Nazionale della Magna Grecia Prove ultrasoniche e determinazione degli spessori reali Considerazioni Gli spessori reali misurati sono stati inseriti nel modello FEM in quasi tutta la totalità della statua Nella testa i cui punti di misura non sono stati facilmente rilevabili disomogeneità strutturale (presenza di terra) asperità superficiali (capelli e barba). Nella distribuzione effettiva delle spessori, quelli rilevati in corrispondenza delle caviglie sono risultati più bassi, costituendo pertanto punto di criticità della struttura. Il comportamento di massima ottenuto nello specifico per il "Bronzo b" in termini di analisi statica e modale è da considerarsi simile anche per il bronzo A.

20 Isolamento sismico dei Bronzi di Riace Museo Archeologico Nazionale della Magna Grecia Prove ultrasoniche e determinazione degli spessori reali I Modo Frequenze [Hz] I modo traslazione lungo y I modo traslazione lungo x I modo rotazionale intorno a y Modello con tiranti e spessore costante Modello con tiranti e spessore reale II Modo

21 Isolamento sismico dei Bronzi di Riace Museo Archeologico Nazionale della Magna Grecia (R. C.) Prove ultrasoniche e determinazione degli spessori reali Considerazioni Gli spessori reali misurati sono stati inseriti nel modello FEM in quasi tutta la totalità della statua Nella testa i cui punti di misura non sono stati facilmente rilevabili disomogeneità strutturale (presenza di terra) asperità superficiali (capelli e barba). Nella distribuzione effettiva delle spessori, quelli rilevati in corrispondenza delle caviglie sono risultati più bassi, costituendo pertanto punto di criticità della struttura. Il comportamento di massima ottenuto nello specifico per il "Bronzo b" in termini di analisi statica e modale è da considerarsi simile anche per il bronzo A.

22 Analisi FE e definizione dei punti di misura Bar elements 3D Exa elements Preliminary FE Modeling and Analysis 4 Different steps: Preliminary FEA on the undamaged structure Shaking table tests until the cracked stages Consolidation and Reinforcement by SRG technique Shaking table tests until the collapse 3D Exa 1D bar elements (left); first modal shape (center); second modal shape (right) Test set up of unreinforced structures Retaining steel structure Anchor devices Misura del danno

23 Duomo di Orvieto Modello numerico tridimensionale e posizionamento dei sensori Studio dei tre macroelementi principali: facciata, navata e transetto Dall analisi modale le maggiori sollecitazioni sono concentrate: nella parte superiore del timpano Modello ed analisi FE del macroelemento facciata in corrispondenza delle due torri principali Visualizzazione zone maggiormente deformate (verde, giallo e rosso) per il I modo Posizione accelerometri

24 Duomo di Orvieto Modello numerico tridimensionale e posizionamento dei sensori Facciata Controfacciata Navata Centrale Forme modali Forme modali Laser Scanner Aree critiche Marker 16 Congresso AIPnD Biennale PnD MD Esposizione MILANO, 22 Ottobre 2015 Atahotel Quark Marker

25 Studio e Monitoraggio del quadro fessurativo e del comportamento sismico del Ponte delle Torri di Spoleto Dati letteratura * Frequenza [hz] Analisi 2D Frequenza [hz] I modo II modo Pila numero 4 stato fessurativo più importante: Perdita della malta legante e scarnitura dell apparato murario Perdita di malta sugli archi dell impalcato. Lesioni e distacchi nel paramento esterno. Danneggiamento della parte inferiore delle pile (espulsione delle pietre angolari) Crolli parziali localizzati sugli archi di collegamento intermedio tra le pile. Alterazione della malta tra fondazione e parte inferiore delle pile.

26 Sistemi innovativi di rinforzo strutturale su strutture in c. a.: il Pilastrino Midollo (brevetto EdilInnova) In collaborazione con EdilInnova e SISMLab Condivisione in diretta da remoto via ENEA GRID su piattaforma virtuale DySCO con: ordini professionali, enti pubblici e privati studi di progettazione università italiane e estere

27 Futuri sviluppi Progetto COBRA (Bando Regione Lazio) Sviluppo e diffusione di metodi, tecnologie e strumenti avanzati per la COnservazione dei Beni culturali, basati sull applicazione di Radiazioni e di tecnologie Abilitanti Potenziare la piattaforma virtuale DySCo su CRESCO4 attraverso i servizi disponibili via ENEA GRID per condividere le competenze scientifiche e mettere a disposizione la CAPACITA DI RICERCA ENEA comprendente le tecnologie diagnostiche sviluppate, procedure di acquisizione e di elaborazione dati e i risultati delle campagne di misura eseguite. Incrementare nell attuale piattaforma virtuale DySCo le funzionalità di INTEGRAZIONE E COVALIDAZIONE DELLE VARIE TECNICHE DI DIAGNOSTICA Potenziare funzionalità e prestazioni dei laboratori e delle competenze ENEA, attraverso: l adeguamento di strumentazioni e attrezzature per renderle più idonee al trasferimento tecnologico; lo sviluppo della collaborazione tecnica con le imprese per una maggior integrazione pubblico privato e per la partecipazione congiunta a programmi di ricerca nazionali e europei. l accesso delle imprese ai laboratori e del personale di ricerca alle imprese, rendendo disponibili le proprie infrastrutture tecniche di eccellenza. favorire l inserimento di giovani talenti in progetti di ricerca aperti ad applicazioni innovative nel settore dei beni culturali

28 Grazie a tutti per la partecipazione!!!