VALUTAZIONE DELLA RISPOSTA SISMICA DI PONTI A TRAVATA IN STRUTTURA COMPOSTA ACCIAIO-CALCESTRUZZO CALCESTRUZZO

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1 Università degli Studi di Salerno Consorzio ReLUIS Materiali ed Approcci Innovativi per il Progetto in Zona Sismica e la Mitigazione della Vulnerabilità delle Strutture DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA STRUTTURALE - UNIVERSITÀ DI PISA VALUTAZIONE DELLA RISPOSTA SISMICA DI PONTI A TRAVATA IN STRUTTURA COMPOSTA ACCIAIO-CALCESTRUZZO CALCESTRUZZO Autori: Giuseppe Chellini Walter Salvatore Barbara Squarcini 12/13 Febbraio SALERNO

2 INTRODUZIONE Negli ultimi anni, le soluzioni composte acciaio-calcestruzzo hanno riscosso un importante successo nella realizzazione di ponti, viadotti e sovrappassi offrendo considerevoli vantaggi sia costruttivi che progettuali. Il sistema a travi parallele in particolare si è distinto per la sua competitività ed economicità, specialmente nel campo delle piccole e medie luci. La crescente diffusione di questa tipologia strutturale nelle reti di trasporto, sia stradali che ferroviarie, ha determinato la necessità di comprenderne le problematiche legate alla valutazione della risposta dinamica e dell effettivo stato di sollecitazione conseguente all azione sismica. La necessità di garantire la funzionalità delle principali reti di comunicazione nelle fasi immediatamente successive al sisma, comune a tutti i più recenti codici normativi, impone l analisi del comportamento dei componenti strutturali critici. 2

3 INTRODUZIONE Influenza della geometria strutturale sugli effetti del sisma: Inclinazione del traverso terminale rispetto all asse del ponte (ponti obliqui) Differente altezza delle pile Northridge, 1994 Gavin Canyon Undercrossing Northridge, 1994 Route 14/5 3

4 INTRODUZIONE Crisi delle connessioni e per perdita di equilibrio rigido Eccessiva richiesta di spostamento negli apparecchi di appoggio in fase di sisma Niigata, 1994 Showa Bridge Loma Prieta, 1989 San Francisco-Oakland Bay Bridge 4

5 INTRODUZIONE Crisi nella sottostruttura Eccessiva richiesta di duttilità nelle pile Crisi fragile nelle pile per carenza di staffatura o per dettagli costruttivi inadeguati Hyogo Ken Nambu, 1995 Hyogo Ken Nambu, 1995 Viadotto Hanshin 5

6 INTRODUZIONE Crisi nella sottostruttura Crisi nelle spalle dovuta a cedimenti rigidi delle fondazioni superficiali o alla plasticizzazione dei pali. Costa Rica, 1991 Northridge, 1994 Costa Rica,

7 INTRODUZIONE Principali tipologie di danneggiamento della sovrastruttura: Fenomeni di martellamento tra travi adiacenti Fenomeni di danneggiamento in corrispondenza del traverso terminale Northridge, 1994 Hanshin Ponte Expressway sul fiume Santa Clara Hyogo-Ken Nanbu Earthquake Northridge, 1994 Ponte sul fiume Santa Clara 7

8 PROBLEMATICHE SISMICHE Le recenti normative tecniche, nazionali ed internazionali, forniscono criteri generali per la verifica di sicurezza nei confronti dell azione sismica Sia EC 8 che O.P.C.M. 3274/03 prescrivono che l'impalcato debba essere protetto nei confronti della formazione di cerniere plastiche e della perdita di appoggio sotto spostamenti sismici estremi. La formazione di zone dissipative è limitata alle aree in corrispondenza delle pile o di opportuni dispositivi la cui perdita non compromette la funzionalità dell opera. Corretta valutazione dell azione sismica Nuove costruzioni Opportuna progettazione dei componenti strutturali critici (traversi e appoggi) Adeguamento delle strutture esistenti Valutare la giusta strategia di intervento (rinfonzo dei traversi, introduzione di opportuni elementi dissipativi) 8

9 VALUTAZIONE DELL AZIONE SISMICA Procedura per la valutazione dell azione sismica Adeguamento Analisi Modale Sperimentale Model Updating Modello FEM progettuale Progettazione Accelerogrammi Modelli FEM Spettri di progetto Analisi Dinamica Analisi Modale Azione Sismica 9

10 TIPOLOGIE DI MODELLAZIONE FEM MODELLI 3DSOLID : sia le parti in acciaio che quelle in calcestruzzo sono modellate con elementi di tipo 3DSolid lineare ad 8 nodi Elevata affidabilità del risultato Enorme tempo di preparazione ed onere computazionale Non adatti alla progettazione corrente ma per scopi di ricerca MODELLI SHELL/3DSOLID : le parti in acciaio modellate con SHELL lineari a 4 nodi, quelle in calcestruzzo con elementi di tipo 3DSolid lineare ad 8 nodi Elevata affidabilità del risultato Enorme tempo di preparazione ed onere computazionale MODELLI BEAM/SHELL : le parti in acciaio modellate con elementi BEAM, quelle in calcestruzzo con elementi di tipo SHELL lineari ad 4 nodi Buona affidabilità del risultato, funzione della fittezza del reticolo Facile implementazione e modesto onere computazionale Efficaci per la progettazione corrente 10

11 MODELLAZIONI FEM tipo BEAM/SHELL Chung et al., 2006 Sono proposte diverse soluzioni di modellazioni semplificate per le strutture composte acciaio-cls, calibrate essenzialmente per riprodurre il comportamento tensionale e deformativo dovuto ai carichi verticali Manca una valutazione della loro efficacia per la simulazione del comportamento trasversale. 11

12 OBIETTIVI Analisi delle diverse tipologie di modellazione e della loro efficacia per la valutazione dell azione sismica. CASI DI STUDIO: Ponte stradale Selezione ed implementazione di alcune tipologie di modellazione numerica Confronto della loro efficacia ai fini della valutazione dell azione sismica Ponte ferroviario Modellazione numerica Analisi dinamica sperimentale Confronto tra i risultati 12

13 PONTE STRADALE ANALISI NUMERICA PONTE STRADALE Ponte stradale bi-trave con schema continuo su due appoggi intermedi. (il ponte selezionato è stato oggetto di precedenti studi numerici, non legati a valutazioni sismiche, disponibili in letteratura). Utilizzo del programma di calcolo ANSYS per la messa a punto di modelli FEM di differente complessità: Modello SHELL/3DSOLID Modelli BEAM/SHELL Traverso Intermedio Soletta in Cls Modello BEAM/SHELL Travi Principale Shell 7, Rigid Link ,00 50,00 40, , Collegamento Trave/Soletta Beam 15,00 13

14 PONTE STRADALE TIPOLOGIE DI MODELLAZIONE Modello Shell/3DSolid: elementi Shell a 4 nodi per le parti in acciaio e per le pile; elementi 3D-Solid a 8 nodi per le restanti parti in calcestruzzo. Modello Beam/Shell/T1: elementi Beam per le parti in acciaio; elementi Shell a 4 nodi per le parti in calcestruzzo e per le pile; connessione rigida travi-soletta realizzata mediante incastro perfetto. Modello Beam/Shell/T2: elementi Beam per le parti in acciaio; elementi Shell a 4 nodi per le parti in calcestruzzo e per le pile; connessione rigida travi-soletta realizzata mediante cerniere cilindriche. Shell Collegamento Trave/Soletta Beam 14

15 PONTE STRADALE ANALISI MODALE MODELLO SHELL/3DSOLID Modo 1: Hz (Longitudinale) Modo 2: Hz (Torsionale) Modo 3: Hz (Trasversale) Modo 4: Hz (Longitudinale/torsionale) Modo 5: Hz (Longitudinale/torsionale) Modo 6: 2.781Hz (Longitudinale/torsionale) 15

16 PONTE STRADALE CONFRONTO TRA LE PROPRIETA MODALI Shell Valutazione delle frequenze Valutazione dei fattori di partecipazione FPM Collegamento Trave/Soletta Beam Incastro perfetto Cerniera cilindrica Modo Shell/3DS Beam/Shell tipo 2 T1 Beam/Shell T2 Frequenza FPM Frequenza Δf FPM Frequenza Δf FPM [Hz] [%] [Hz] (%) [%] [Hz] (%) [%]

17 PONTE STRADALE Deformabilità laterale dei traversi terminali ed in corrispondenza delle pile Distorsione del traverso sulla pila (modo 3) Modo 1 (verticale) Distorsione del traverso terminale (modo 3) Modo 3 (trasversale) Modo 2 (torsionale) 17

18 PONTE FERROVIARIO Ponte ferroviario NUOVA LINEA AV / AC (Torino-Novara-Milano) 18

19 PONTE FERROVIARIO Geometria della struttura: Traverso terminale Controvento inferiore di torsione Traverso Intermedio Sezione intermedia Traverso Intermedio Sezione intermedia Traverso terminale 19

20 PONTE FERROVIARIO Sezioni intermedie e traversi intermedi Elementi del traverso di testata Connesisone traverso-soletta Solette tra campate adiacenti 20

21 PONTE FERROVIARIO Apparecchi Schema dei dispositivi appoggio: di appoggio: Fisso Bi-direzionale Sottostruttura: APPOGGIO FISSO MONODIREZIONALE BIDIREZIONALE 21

22 ANALISI DINAMICA SPERIMENTALE Il ponte è stato oggetto di analisi dinamica sperimentale all interno del Programma di Ricerca DETAILS DEsign for optimal life cycle costs (LCC) of high-speed railway bridges by enhanced monitoring systems Il posizionamento della strumentazione è stato progettato in modo tale da consentire la caratterizzazione del comportamento sia globale che locale dei principali componenti strutturali. L elaborazione dei dati per l estrazione delle caratteristiche dinamiche è stata effettuata mediante la tecnica di Identificazione Strutturale ad Input Incognito SSI Stochastic Subspace Iteration. 22

23 ANALISI DINAMICA SPERIMENTALE CAMPAGNA SPERIMENTALE (2005) Caratterizzazione del comportamento strutturale e dinamico Scala globale (Configurazione globale ) Scala locale (Configurazione traversi ) Analisi Modale Operativa Stochastic Subspace Identification Eccitazione di tipo Ambientale Rumore Ambientale Passaggio del treno Strumentazione Accelerometri PCB 3701 e PCB 393C Centralina di acquisizione SCADAS LMS Software di acquisizione TESTLAB LMS Frequenza di campionamento 800 Hz 23

24 ANALISI DINAMICA SPERIMENTALE DISPOSIZIONE DELLA STRUMENTAZIONE Configurazione globale A R R Z X D P P P C C B A R R R R R A ACCELEROMETERS Z X P P P C REFERENCE ACCELEROMETERS D C B A 24

25 ANALISI DINAMICA SPERIMENTALE DISPOSIZIONE DELLA STRUMENTAZIONE Configurazione trasversale B A B X Y P P P P Z X GN04 GT04 D P R FN04 FT04 C R R R R C C R B FN01 FT01 P R A GN01 GT01 P P P P B A ACCELEROMETERS B REFERENCE ACCELEROMETERS 25

26 ANALISI DINAMICA SPERIMENTALE Risultati dell analisi modale sperimentale: Modo 1: 5.03 (7.2 %) Flessionale Modo 2: 6.60 (3.2 %) Torsionale Modo 3: (4.5 %) Flessionale Modo 4: (4.3 %) Torsionale Modo 5: (0.9 %) Distorcente Modo 6: 20.91(0.8 %) Distorcente 26

27 ANALISI NUMERICA Caratteristiche del modello FEM (SHELL/3DSOLID): Materiali: Acciaio Calcestruzzo (soletta e cordolo laterale) Ballast (elementi 3DSOLID) Binario (elemento SHELL equivalente ) Traversi Vincoli Elementi tipo Truss Appoggi come da schema Sezione rigida alle estremità della campata Molle estensionali che riproducono la continuità con le campate adiacenti del viadotto. 27

28 ANALISI NUMERICA Risultati dell analisi modale del modello FEM: Modo Hz Modo Hz Modo Modo Hz Modo Hz Modo Hz 28

29 ANALISI DINAMICA SPERIMENTALE Confronto dei risultati: Modo Frequenze AMS [Hz] Frequenze FEM [Hz] Scarto [%]

30 CONCLUSIONI Sono state analizzate diverse tipologie di modellazione, con particolare attenzione a quelle tipiche della progettazione corrente, per la valutazione della loro efficacia nella stima dell azione sismica. Tali metodologie sono state applicate a due casi studio, rappresentativi di ponti sia stradali che ferroviari. E stato evidenziata la necessità di introdurre nella modellazione: gli effetti di deformabilità locale dovuta ai traversi intermedi e terminali gli eventuali effetti di rigidezze dovute a componenti non strutturali (ex. ballast) ed alle strutture adiacenti (ex. campate precedenti e successive nei viadotti) E stata evidenziata l utilità delle tecniche di analisi dinamica sperimentale per la implementazione e calibrazione di efficaci modelli numerici di strutture esistenti. 30

31 SVILUPPI FUTURI Studio della deformabilità di ulteriori tipologie di traversi intermedi e terminali CONCRETE SLAB BALLAST Valutazione di modelli semplificati adatti per la 2 L 100 x 10 2 L 100 x 10 2 L 100 x 10 loro rappresentazione all interno di tipologie L 100 x 10 2 L 100 x 10 2 L 100 x 10 adatte alla corrente progettazione METAL GRATING METAL GRATING 2 L 100 x 10 2 L 100 x Studio del comportamento dei dettagli critici di traversi di ponti stradali e ferroviari 2 L 100 x 10 2 L 100 x 10 METAL GRATING 2 L 100 x 10 2 L 100 x 10 31

32 FINE GRAZIE PER L ATTENZIONE! L 32