Monitoraggio e early warning di strutture e infrastrutture strategiche

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1 LINEA DI RICERCA 9 Monitoraggio e early warning di strutture e infrastrutture strategiche Rapporto di metà progetto (18 mese) Coordinatore: Prof. Paolo GASPARINI Dipartimento di Scienze Fisiche Università di Napoli Federico II Roma, 3 luglio 7

2 UNITA OPERATIVE PARTECIPANTI ACRONIMO STRUTTURA REFERENTE UNINA-DIST UNIMOL UNIBAS POLITO Università di Napoli Federico II Dipartimento di Ingegneria Strutturale Università del Molise Dipartimento SAVA Università della Basilicata Dipartimento di Strutture, Geotecnica, Geologia applicata all ingegneria Politecnico di Torino Dipartimento di Ingegneria Strutturale Gerardo VERDERAME Giovanni FABBROCINO Felice C. PONZO Alessandro DE STEFANO ENEA Centro Ricerche Casaccia Gerardo DE CANIO UNINA DSF Università di Napoli Federico II Dipartimento di Scienze Fisiche Aldo ZOLLO INGV OV INGV - Osservatorio Vesuviano Giovanni IANNACCONE EUCENTRE UNIPARTH EUCENTRE Pavia Università di Napoli Parthenope Dipartimento di Tecnologia Carlo G.LAI Barbara BORZI Antonio OCCHIUZZI

3 OBIETTIVO SINTETICO MIGLIORARE LA CAPACITA DI INTERVENTO IN TEMPO REALE PER LA DIMINUZIONE DEL RISCHIO E LA GESTIONE DELL EMERGENZA POST-EVENTO. SETTORI DI ATTIVITA a) Prototipi di sistemi di early warning per strutture, infrastrutture strategiche e beni culturali. b) Monitoraggio di strutture ed infrastrutture strategiche.

4 Prototipi di sistemi di early warning per strutture, infrastrutture strategiche e beni culturali Unità di Ricerca UNINA DIST, UNINA DSF, INGV, ENEA, UNIP, EUCENTRE, UNIMOL

5 EW regional EW front line EW on site

6 Definizione di Lead Time Epicentro Onde Sismiche 3.5 Km/s Informazione (velocità della luce) Rete Sismica Target Rilevazione Evento Telemetria Elaborazione Lead Time Post - Event ~ 1 min T TPfirst TStarget Time

7 OBIETTIVI: a) Definizione delle problematiche di interfacciamento delle tecnologie sismologiche di Early Warning con l ingegneria sismica per l incremento della affidabilità delle strutture e della sicurezza dei sistemi antropici in Campania. b) Applicazione a un caso studio di due strutture di interesse strategico nel territorio campano. c) Definizione dell affidabilità del sistema campano nei casi in esame basata sulla consequence theory. d) Sviluppo di metodologie per la realizzazione di shake maps in tempo reale. e) Verifica di applicabilità specifica di un sistema di SEW tenendo conto del contesto sismotettonico italiano, della distanza delle sorgenti sismiche dai grossi centri abitati e/o dalle centrali di produzione dell energia e ai corrispondenti tempi di pre-allerta. f) Studio di fattibilità con verifica sperimentale, di un sistema innovativo di protezione sismica di statue o strutture monumentali a prevalente sviluppo verticale. g) Studio di fattibilità dell applicazione di SEW in Molise sia per strutture di interesse strategico che nell ambito della protezione dell industria di processo.

8 PRINCIPALI PRODOTTI Progetto reluis Linea 9 Attività Stato dell arte sulle metodologie per la stima in RT dei parametri di sorgente dei terremoti Sviluppo, test e validazione delle procedure per la stima dei parametri e delle incertezze in funzione del tempo Implementazione e verifica di funzionamento sul sistema SAMS Predisposizione di interfacce tra il sistema SAMS e due infrastrutture strategiche Progettazione, realizzazione e caratterizzazione di dispositivi semi-attivi Trimestri Linee guida per l implementazione di sistemi di early warning in progetti pilota Definizione dei parametri rilevanti ai fini applicativi delle mappe di scuotimento Sviluppo di mappe per la stima dello scuotimento su scala regionale near real-time

9 PRINCIPALI PRODOTTI Progetto reluis Linea 9 Attività Trimestri Identificazione delle tipologie costruttive e del patrimonio sensibile in Molise Caratterizzazione delle sorgenti sismiche e della propagazione delle onde sismiche nel sottosuolo in Molise Studio di fattibilità di un sistema di early warning sul territorio molisano Studio contesto sismotettonico Italia Nord con individuazione scenari di terremoto storici critici per la regione Lombardia Simulazione effetti di scuotimento massimi attendibili ai vari centri ospedalieri Analisi dei limiti di un sistema EEW in una regione a moderata-bassa sismicità legati ai bassi livelli di scuotimento Studio di fattibilità di un sistema EEW nella regione Lombardia Applicazioni del SEW per la protezione delle opere d arte (sperimentazione tavole vibranti e centrifughe) Analisi dei risultati, report finale

10 Legge di Regressione tra il picco di spostamento a 3Hz e la magnitudo finale di un evento: Analisi del database strong motion Giapponese. 56 eventi crostali (maximum depth=5km) 6 registrazioni a distanza ipocentrale < 6Km Dati provenienti dalla rete sismica K-Net. Per MMJ A > 6.1 integrazione con 68 registrazioni da KiK-Net

11 Distribuzione Evolutiva della Magnitudo: Risolto in Forma Analitica ica ( τ ) f m = M M ν μlog( τ ) ln( τi ) νμ σ log( τ ) i= 1 ν MAX μlog( τ ) ln( τi ) νμ σ log( τ ) i= 1 β m e e dm MIN e e β m Misure alle stazioni Gutenberg-Richter τ[s] f(m) Magnitudo 3 3,5,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 Magnitude M

12 Simulazione di un Evento di M 6 a Distanza 11km Progetto reluis Linea 9 t = 5s 6s 1s 9s 11s stazioni

13 Warning per Strutture Specifiche Attraverso una Rete Sismica Regionale: EWS IBRIDO Perdite conseguenti la performance strutturale EDP (i.e. Maximum Interstory Drift Ratio) Rete Sismica (ISNet) Epicentro Propagazione IM (i.e. PGA) Dist. sorgente-sito Ground motion al sito Signale alle stazioni della rete

14 Stima delle Perdite Attese Condizionata ai Dati Provenienti in TempoT empo-reale dalla Rete Estendendo l approccio descritto per la pericolosità si può determinare la perdita attesa condizionata alle misure della rete ed alla eventuale azione di protezione seguente l allarme. [ ], ( τ) LDEDPIMMR ( ) ( ) ( ) ( ) ( τ) E L l f l d g f d edp f edp im f im g dlddd EDPd IM = Perdita attesa 1. Distribuzione della perdita dipendente dalla decisione di allarmare o meno. Distribuzione del danno strutturale e non-strutturale condizionata alla risposta strutturale 3. Distribuzione della Risposta condizionata ad una misura di intensità del moto sismico. Analisi di Pericolosità in Tempo-Reale

15 Perdita attesa in funzione della misura media proveniente dalle stazioni No allarm Allarme Soglia di Allarme Ottima

16 Quando lanciare l allarme? Progetto reluis Linea 9 Una possibile regola decisionale è lanciare l allarme quando la probabilità che la PGA superi un valore critico (PGAc) è troppo alta! PGA C ( ) From real-time hazard analysis Alarm if P [ PGA > PGAC] = 1 fν PGA dpga > P C { True C} { } MA: noalarm PGA > PGA FA: Alarm PGA True PGA C

17 Struttura equipaggiata con un sistema di controllo semi-attivo, es. dissipatori configurabili in tempo-reale.

18 Attività in corso nel secondo anno di progetto: Progetto reluis Linea 9 Implementazione software GRoundShakingmap (GRSmap) per il calcolo delle mappe di scuotimento Sviluppo di una tecnica di interpolazione basata su Area interna alla rete 1. Triangolazione effettuata utilizzando come vertici dei triangoli la stazioni della rete.. Stima corretta dei valori del moto del suolo nei baricentri. Area esterna Griglia regolare con spaziatura pari ad una distanza critica che dipende dalla spaziatura media tra le stazioni e baricentri.

19 GRoundShakingmap Triangolazione:

20 Risultati preliminari ShakeMap GRSmap cthresh=. km ptresh=. km Dcritica=1. km

21 Proposta di un possibile scenario di terremoto futuro Progetto reluis Linea 9 Area sismogenetica Alpi settentrionali, sorgente sismogenetica Orzinuovi (inserita nel 6 in DISS 3.). Simulazione di sismogrammi sintetici con il codice di Hisada & Bielak (3), stima dei livelli di scuotimento massimi attesi e dei tempi di pre-allarme teorici ai principali centri urbani Località Distanza epicentrale (km) PGA orizz. (g) PGV orizz. (cm/s) PGA verticale (g) Tempo di preallerta teorico (s) PGA orizz. da relazione di attenuazione Sabetta & Pugliese 1996 (g) PGV orizz. da relazione di attenuazione Sabetta & Pugliese 1996 (cm/s) Crema Bergamo Milano

22 Valutazione effetti di sito Progetto reluis Linea 9 Riferimento alle indicazioni fornite dalla normativa EUROCODICE 8 per le costruzioni in zona sismica (categorie di suolo A, B, C, D) Ipotesi di profili superficiali di terreno in cui valutare le eventuali amplificazioni introdotte al moto su suolo rigido ottenute dalle simulazioni numeriche Per terreni scadenti (profili di tipo D), depositi di materiali da sciolti a scarsamente coesivi, con scarse caratteristiche geotecniche, sono state ottenute amplificazioni fino a 5 volte del moto su suolo rigido (a f =3.6 Hz) Depth (ft) G max (ksf) Depth (ft) Shear wave velocity (ft/s) Velocità e modulo di taglio, profili di suolo D Analisi di risposta sismica locale condotte con il codice di calcolo SHAKE91 (EERA) Amplification Ratio Frequency (Hz) Amplificazione dell accelerazione spettrale per frequenze pari a 3.6, 1 e 16 Hz Limite dei codici di simulazione non in grado di riprodurre le alte frequenze.

23 Monitoraggio di strutture ed infrastrutture strategiche Unità di Ricerca UNIBAS, POLITO, UNIMOL

24 OBIETTIVO Messa a punto di uno schema progettuale di monitoraggio strutturale (structural health monitoring). FASI 1. Monitoraggio periodico delle condizioni dell immobile;. Monitoraggio di vibrazioni anomale (attivazione a soglia); 3. Allarme post-terremoto;. Monitoraggio post-terremoto; 5. Definitiva valutazione delle condizioni post terremoto; 6. Avanzamento delle conoscenze tecnico-scientifiche. trimestre anno Obiettivi Raggiunti Variazioni rispetto a programma orig.

25 OBIETTIVO Sviluppo di Tecnologie distribuite low-cost per il monitoraggio strutturale di costruzioni strategiche Trimestri Stato dell arte sui metodi di model updating, data mining e filtraggio Implementazione di sistemi di monitoraggio distribuito Linee guida per il monitoraggio permanente di strutture civili Programma previsto Trimestri Stato dell arte sui metodi di model updating, data mining e filtraggio Implementazione di sistemi di monitoraggio distribuito Linee guida per il monitoraggio permanente di strutture civili Programma realizzato

26 1. Analisi dell efficacia dei parametri strumentali su base sperimentale; Correlazione lineare delle singole variabili con il drift Colfiorito EC8 B Progetto POP Δmax [%] Δmax [%] dmax [mm] Δf1 [%] Δf [%] Δξ Δmax [%] Δmax [%] Analisi di regressione multivariabile non lineare Δ an = c1 d max + c d max + c3 Δf1 + c Δf1 + c5 Δf + c6 Δf + c7 Δξ + c8 Δξ Drift sperimentale Δ max vs. Drift Analitico Δ an Δmax [%] 5 3 Colf EC8 B Δmax [%] 5 3 Colf Δmax [%] POP_Δan [%] TREMA_Δan [%] Numerical Δan [%]

27 . Analisi di fattibilità del sistema su base sperimentale Sperimentazione su tavola vibrante Meccanismi di collasso Travi plasticizzate Colonne Plasticizzate Input Sismici [ag\g] Soil A [ag\g] Soil B,C,E [ag\g] Soil D [sec] [sec] [sec] European Strong Motion Database

28 1. Analisi dell efficacia dei parametri strumentali su base sperimentale; 1) Effettuata mediante valutazione della correlazione tra - Indice di danneggiamento globale (drift max.) - Parametri strumentali: Acc.. / Vel.. / Spost. max Variazioni di Frequenza Smorzamento modelli sperimentali in scala 1/ Modelli numerici Unibas - Progetto POP ENEA - Progetto TREMA (Norma sismica Italiana Ord. 331\5)

29 3. Ottimizzazione del sistema e della gestione delle informazioni Messa a punto hardware e relativo software di gestione

30 Completamento di sistema di monitoraggio statico e dinamico permanente (Passerella Olimpica Torino 6). Acquisizione e salvataggio dati con cadenza prefissata. Strumentazione: n. 19 sensori in fibra ottica (reticolo di Bragg) n. 1 accelerometri 3-assiali n. 1 inclinometri -assiali n. termometri n. 1 flessimetro Preparazione benchmark sperimentale per: validazione di tecniche di identificazione dinamica e damage detection su strutture con modi accoppiati validazione di dispositivi/sistemi di misura distribuiti e low-cost La struttura, già realizzata, consente notevole flessibilità d uso grazie alla modificabilità di masse, rigidezze e smorzamenti

31 Terza Componente Principale x x 1 8 Seconda Componente Principale PDF - Gruppi PDF - 6 x 1 8 Prima Componente Principale PDF Implementazione di tecniche di model-updating multimodello (Probabilistic Global Search Lausanne, PGSL) e data mining (principal components analysis, clustering): 1. applicazione al caso studio della Cappella della SS. Sindone. proposta di varianti al PGSL e validazione su benchmark di laboratorio Parametro Parametro Parametro Monitoraggio di gallerie per il trasporto ferroviario (alta velocità) finalizzato all early-warning sismico (eventi near-fault). Avvio di progetto congiunto inter-linea (Linea 6/Linea 9) all interno del DISTR POLITO per lo sviluppo di tecniche di misurazione e strategie di allerta.