MONITORAGGIO STRUTTURALE PER LA PROTEZIONE SISMICA DEL PATRIMONIO EDILIZIO

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1 Giornata di Studio TRA PREVENZIONE E CURA: LA PROTEZIONE DEL PATRIMONIO EDILIZIO DAL RISCHIO SISMICO 20 Maggio 2013 MONITORAGGIO STRUTTURALE PER LA PROTEZIONE SISMICA DEL PATRIMONIO EDILIZIO Maria Pina Limongelli Dipartimento di Architettura, Ingegneria delle Costruzioni e Ambiente Costruito POLITECNICO DI MILANO

2 POTENZIALITA E OBIETTIVI DEL MONITORAGGIO SISMICO STRUTTURALE migliorare le conoscenze relative al comportamento delle strutture sotto azioni sismiche di forti intensità; individuare tempestivamente possibili degradi o danni provocati da un terremoto, consentendo interventi rapidi per il ripristino dell integrità della costruzione; costituire un ausilio alla gestione gli interventi di emergenza e di pianificazione delle operazioni di riparazione delle strutture danneggiate. calibrare modelli numerici che riproducano in maniera realistica e affidabile il comportamento strutturale da utilizzare per la diagnosi; passare da un sistema manutentivo programmato ad un sistema basato su interventi a richiesta sulla base delle effettive condizioni strutturali;

3 SISTEMA DI MONITORAGGIO E ALLERTA SISMICO Acquisizione dati Trasmissione dati Allerta Elaborazione e interpretazione dati

4 ACQUISIZIONE DATI Rete di sensori di vario tipo collocati permanentemente su una struttura e in grado di rilevare sia la risposta strutturale alle sollecitazioni esterne, sia le grandezze ambientali che possano influire su di essa.

5 RETI DI SENSORI Il tipo e la densità della strumentazione dipendono dall obiettivo del sistema di monitoraggio e dal dettaglio con cui si vuole indagare il comportamento della struttura. Amplificazione del moto alla base per verificare i metodi di progetto. Norme USA (UBC-1997): edificio di più di 10 piani almeno 3 accelerometri triassiali. (a) Moti torsionali, rotazioni alla base dovute all interazione terreno-struttura, contributi dei modi più alti, variazioni di regolarità. (b)

7 Cablati WIRED or WIRELESS? Costi dei cavi e relativi alloggiamenti (installazione e manutenzione) Ingombro dei cavi (difficoltà di installazione su strutture esistenti) Protezione dei cavi (corrosione, atti vandalici, roditori) Non cablati Alimentazione dei sensori Sincronizzazione delle risposte registrate. da C. Farrar. Ciclo di lezioni presso il CISM, Udine. Settembre 2008.

8 Ibridi multifunzione WIRED or WIRELESS? Sono in parte cablati e in parte no. Sono basati sull utilizzo di sensori multifunzione dotati di una unità l acquisizione, di un modulo per la trasmissione dei dati e di un microprocessore che consente un analisi in locale e quindi la trasmissione (su richiesta) di dati sintetici con conseguente risparmio delle batterie dei sensori. da C. Farrar. Ciclo di lezioni presso il CISM, Udine. Settembre 2008.

10 METODI PER LA DIAGNOSI DEL DANNO Il cuore di un sistema di monitoraggio risiede nelle procedure utilizzate per l interpretazione dei dati registrati al fine della diagnosi di un eventuale stato di danno. La diagnosi dello stato di salute della struttura può essere effettuata a vari livelli di approfondimento. 1. PRESENZA del danno C E DANNO? 2. POSIZIONE del danno DOVE? 3. SEVERITA del danno QUANTO?

11 METODI PER LA DIAGNOSI DEL DANNO Metodi basati sull utilizzo di un modello ad elementi finiti della struttura. più impegnativi da un punto di vista computazionale; consentono la simulazione della risposta strutturale sotto condizioni di carico diverse da quelle effettivamente registrate; consentono la simulazione degli effetti di eventuali modifiche (miglioramenti) apportati alla struttura. Metodi basati sull identificazione di parametri di danno. maggiore rapidità nell elaborazione dei dati; utilizzabili per valutazioni in tempo reale dello stato strutturale applicabili anche con una rete di sensori poco diffusa.

12 ampiezza VARIAZIONE PARAMETRI MODALI Variazione frequenza propria. Sufficienti 2 sensori Utile per indagini su molti edifici frequenza

13 VARIAZIONE PARAMETRI MODALI Vantaggi Sono indipendenti dal sistema di forze applicato e dalla risposta della struttura. Dipendono solo dallo STATO della struttura. Inconvenienti dipendenza da parametri ambientali (temperatura o l umidità) influenza del rumore presente nei dati registrati (errori nella stima). (a)

14 VARIAZIONE PARAMETRI NON MODALI considerano l intero ambito di frequenza della risposta senza scartare i dati relativi ad ambiti lontani da quelli modali; richiedono una minima interazione con un operatore: sono più indicati per sistemi automatici di rilevamento del danno. Funzione risposta in frequenza Deformate operative

15 INTERPOLATION DAMAGE DETECTION METHOD PRIMA DEL DANNO posizione del danno DOPO IL DANNO Il danno causa una netta variazione della deformata nella sezione in cui si verifica L accuratezza di una funzione che interpoli la deformata si riduce con il danno

16 E INTERPOLATION DAMAGE DETECTION METHOD Shimotsui-Seto suspension bridge Honshū- Japan 4E-007 damage location damage location 3E-007 N29_N43_20% dam. par. threshold E-007 Damage locations 1E-007 0E location

17 INTERPOLATION DAMAGE DETECTION METHOD I-40 Bridge Albuquerque. New Mexico - USA Dati resi disponibili da LANL (Los Alamos National Laboratoires)

18 INTERPOLATION DAMAGE DETECTION METHOD Dogna Bridge Valdogna 30 E damage 1 25 damage 2 damage 3 20 damage 4 damage 5 15 damage 6 damage A17 A15 A12 A10 A6 A3 A1 D1-D6 D7

19 story story story story INTERPOLATION DAMAGE DETECTION METHOD Factor Building UCLA. Monitorato da US Geological Survey (a) (a) (b) (b) Dx_04_2c IDI_x Dx_04_12_2c IDI_x Dx_02_06_10_14_2c IDI_x IDI_y

21 SISTEMI DI ALLERTA Hanno lo scopo di rilevare e trasmettere, in tempi brevi, l informazione circa un eventuale stato di danno della struttura. Il sistema deve funzionare in maniera automatica prescindendo da un intervento umano che, necessariamente, rallenterebbe la procedura. Definizione di un valore di soglia del parametro. Compromesso tra probabilità di falso e mancato allarme f E prima del danno f E,o E T soglia f E,d dopo il danno Probabilità di mancato allarme Probabilità di falso allarme E

22 SISTEMI DI ALLERTA Il valore di soglia è quello cui corrisponde una probabilità, considerata sufficientemente bassa, che la struttura non sia danneggiata (probabilità accettata di falso allarme). L obiettivo della definizione di una soglia è quello di fissare un valore al superamento del quale venga comunicato ad una centrale di controllo se la struttura necessita ulteriori ispezioni visive nel caso sia troppo bassa la probabilità che la struttura non sia danneggiata - oppure se queste possono essere evitate. falsi allarmi comportano costose ma inutili ispezioni della struttura; mancati allarmi possono condurre a situazioni di pericolo per gli utilizzatori della struttura e/o ad un aggravarsi dei danni a causa di un evento successivo. Analisi costi/benefici: costi di interventi non necessari conseguenti ad un falso allarme; benefici prodotti dal risparmio di interventi per l evacuazione o di rafforzamento della struttura

23 MONITORAGGIO SISMICO IN ITALIA In Italia il monitoraggio permanente della risposta sismica di costruzioni pubbliche - scuole, ospedali, municipi, ponti, dighe è condotto tramite l Osservatorio sismico delle strutture (OSS) gestito dal Dipartimento della Protezione Civile. Le strutture monitorate sono strumentate mediante accelerometri collegati ad un sistema di allerta che, nel caso di superamento dei valori di soglia definiti in termini di accelerazione, invia un messaggio d allarme all elaboratore centrale situato nella sede del Dipartimento della Protezione Civile dove i dati registrati vengono elaborati al fine di stimare grandezze rappresentative del danno - spostamenti di interpiano e/o variazioni delle frequenze proprie o anche utilizzati per calibrare e aggiornare modelli numerici delle strutture. I rapporti relativi alle strutture monitorate, contenenti i risultati delle elaborazioni sono resi disponibili sul sito del Dipartimento della Protezione Civile.

24 MONITORAGGIO SISMICO IN ITALIA In Italia il monitoraggio permanente della risposta sismica di costruzioni pubbliche - scuole, ospedali, municipi, ponti, dighe è condotto tramite l Osservatorio sismico delle strutture (OSS) gestito dal Dipartimento della Protezione Civile. Le strutture monitorate sono strumentate mediante accelerometri collegati ad un sistema di allerta che, nel caso di superamento dei valori di soglia definiti in termini di accelerazione, invia un messaggio d allarme all elaboratore centrale situato nella sede del Dipartimento della Protezione Civile dove i dati registrati vengono elaborati al fine di stimare grandezze rappresentative del danno - spostamenti di interpiano e/o variazioni delle frequenze proprie o anche utilizzati per calibrare e aggiornare modelli numerici delle strutture. I rapporti relativi alle strutture monitorate, contenenti i risultati delle elaborazioni sono resi disponibili sul sito del Dipartimento della Protezione Civile.

25 MONITORAGGIO SISMICO IN ITALIA Rapporto pubblicato sul sito dell OSS a seguito del terremoto del 20 maggio Asilo Nido (c.a.) di Via Orsini 14 a Lugo di Romagna (RA)

26 MONITORAGGIO SISMICO ALL ESTERO UNLV Science and Engineering Building University of Nevada Las Vegas (UNLV) campus. Monitorato da United States Geological Survey

27 CONCLUSIONI Il monitoraggio sismico delle strutture è riconosciuto come uno degli strumenti più efficaci per la comprensione del comportamento strutturale durante eventi sismici di forte intensità. Negli ultimi anni l utilizzo di sistemi di monitoraggio permanente per la gestione dell emergenza post sismica ha ricevuto notevole attenzione sia da parte del mondo scientifico sia nelle applicazioni già diffuse in alcune nazioni. L integrazione delle metodologie proposte dal mondo scientifico per l identificazione del danno prodotto da sismi intensi in sistemi di monitoraggio sismico affidabili ed efficienti costituisce uno degli obiettivi principali sia di ricercatori sia degli utilizzatori di tali sistemi. La disponibilità di registrazioni effettuate su strutture reali durante eventi sismici costituisce sia uno strumento insostituibile per lo studio, la messa a punto e l affinamento dei metodi di identificazione del danno - la cui affidabilità non avrebbe modo altrimenti di essere controllata sia l occasione per la messa in opera di sistemi di allerta che possano ridurre gli effetti del sisma ed essere di ausilio nelle operazioni di ispezione post-sisma.