Studio e Monitoraggio del quadro fessurativo e del comportamento sismico del Ponte delle Torri di Spoleto

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1 Studio e Monitoraggio del quadro fessurativo e del comportamento sismico del Ponte delle Torri di Spoleto 13 febbraio 2015 ore 15:00 Biblioteca Comunale, sala delle conferenze, Palazzo Mauri Spoleto Modello Numerico tridimensionale, indagini NDT e rilievo laser Applicazioni ENEA di Modellazione e Analisi agli elementi finiti per la protezione sismica di macroelementi strutturali storico monumentali e singole opere d arte G. De Canio, M. Mongelli, A. Tatì Marialuisa.mongelli@enea.it

2 Caratteristiche geometriche Il ponte delle torri è in MURATURA con spalle e pile (TORRI) realizzate con pareti in pietrame squadrato assemblato da matrice di malta di calce. Monteluco Nei due versanti: Diverse dimensioni geometriche delle pile Diversi tipi di muratura Muratura a libretto Muratura con pietrame organizzato e squadrato Tessitura muraria diversa secondo lo sviluppo in altezza Sezione longitudinale del ponte La struttura (L = 230 m; h = 80 m) è costituita da: 10 campate, 9 torri 2 spalle Le dimensioni massime di alcuni pilastri alla base sono di metri 10 x 12.

3 Stato attuale di conservazione 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. Pila numero 4 stato fessurativo più importante: due lesioni passanti nella parte bassa della stessa pila sensibile mancanza di malta legante

4 Studio del Modello 3D Si vuole proporre per il Ponte delle Torri di Spoleto lo stesso approccio metodologico utilizzato nello studio del monitoraggio del quadro fessurativo e del comportamento sismico del Duomo di Orvieto Studio dei singoli macroelementi parti delle chiese architettonicamente riconoscibile (facciata, abside, arco trionfale), caratterizzati da una risposta sismica autonoma dal resto della fabbrica (Doglioni et al. 1994) Analisi dei meccanismi di danno locale Metodo della misura degli spostamenti Mediante differenti tecniche di monitoraggio tradizionali ed innovative: (NDT, fessurimetri, laser scanner, interferometria satellitare, ecc.ecc.) Scomposizione del manufatto in più elementi architettonici detti macroelementi solitamente è formato da più pareti ed elementi orizzontali connessi tra loro a costituire una parte costruttivamente unitaria... pur se in genere collegata e non indipendente dal complesso della costruzione [Doglioni 1994]. Laboratorio di Qualificazione Materiali e Componenti ENEA C.R. Casaccia UTT MAT QUAL Spoleto, 9 Aprile 2013

5 Studio del Modello 3D I ponti sono elementi strutturali con: ) forme particolari ) sviluppo orizzontale ) elevate dimensioni Criticità degli archi? e delle pile (torri?) Nei ponti possiamo distinguere i seguenti elementi principali: l arcata (la struttura che porta il piano percorribile) le strutture di sostegno delle arcate (spalla, pila) gli elementi posti al di sopra dell arcata per fornire un piano percorribile (rinfianco, cappa, riempimento); i timpani o muri fondali che contengono lateralmente il riempimento e che sono impostati sulla parte esterna dell arcata. le fondazioni (non visibili) Presentano meccanismi di danno locale che prevedono lo studio del comportamento dell intera struttura e di singoli macroelementi Analisi 3D statica e dinamica Analisi non lineare

6 Modellazione e Analisi agli elementi finiti Struttura continua => Struttura a infiniti gradi di libertà L analisi FE approssima il comportamento di una struttura continua con un numero finito di nodi (gradi di libertà) Il metodo agli elementi finiti (FEM)offre SOLUZIONI APPROSSIMATE sostituendo alle equazioni differenziali alle derivate parziali un sistema di equazioni algebriche Il modello FE studia i macroelementi strutturali significativi ai fini dell individuazione delle zone critiche della struttura

7 Modellazione e Analisi agli elementi finiti D.P.C.M , Linee Guida per la valutazione e riduzione del rischio sismico del P.C. tutelato con riferimento alle NTC 2008, Supplemento ordinario G.U. n.54, Valutazione del rischio sismico di un BC è imprescindibile dall analisi strutturale 2. Analisi FE (statica lineare, non lineare e dinamica) rappresenta una metodologia affidabile per valutare il comportamento sismico della struttura Analisi FE preliminare per Materiali e Vincoli ipotizzati diversi scenari possibili FEA dinamica modale FEA statica non lineare Forme modali Frequenze proprie Mappatura delle deformazioni Mappatura delle sollecitazioni Nella validazione il modello FE viene tarato per passi successivi in funzione dei risultati sperimentali ottenuti dal monitoraggio in situ

8 Modellazione e Analisi agli elementi finiti Definizione del modello numerico Acquisizione dei disegni Autocad, Importazione in un pre processore e operazione di editing della geometria Definizione del modello agli elementi finiti 2D e 3D volta ad individuare: Principali frequenze forme modali della struttura aree critiche ai fini del monitoraggio Aggiornamento e Validazione del modello numerico Indagini per la caratterizzazione del sottosuolo (definizione del modello geologico del sottosuolo) e definizione della risposta sismica locale Prove in situ: monitoraggio strutturale, endoscopia, georadar, ultrasuoni Definizione delle condizioni al contorno Carichi e vincoli Proprietà degli elementi (proprietà dei materiali) Particolare attenzione sarà rivolta alle differenti tecniche di monitoraggio in situ e alla rilevazione del quadro fessurativo per validare il modello numerico.

9 Duomo di Orvieto Modello numerico tridimensionale e posizionamento dei sensori Condizioni di vincolo: Incastro Proprietà meccaniche: Poisson= 0.2 Densità= 2000 kg m3 E = 3E+10 MPa. Modello ed analisi FE del macroelemento facciata I forma modale II forma modale III forma modale IV forma modale

10 Duomo di Orvieto Modello numerico tridimensionale e posizionamento dei sensori Modello ed analisi FE del macroelemento navata I forma modale III forma modale II forma modale IV forma modale

11 Duomo di Orvieto Modello numerico tridimensionale e posizionamento dei sensori 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

12 Duomo di Orvieto Rilievo e monitoraggio del Quadro fessurativo delle colonne e della Navata Centrale Integrazione tramite laser scanner L analisi FE ha evidenziato le colonne come elementi critici ed interessanti al fine del monitoraggio; Si è deciso di monitorare nel tempo eventuali modifiche della verticalità delle colonne e degli spostamenti dei macroelementi. Sono stati fissati alcuni marcatori (punti di misura) sulle colonne e lungo la balconata sulle corrispondenti verticali. E stata eseguita una prima scansione tramite laser scanner, identificata al tempo t=0, volta alla rilevazione della posizione iniziale dei marker. Le scansioni laser scanner vengono ripetute periodicamente nel tempo per evidenziare eventuali spostamenti relativi dei macroelementi principali (facciata, navata, transetto) individuabili nella variazione della inter distanza tra i marcatori fissati. Scansione laser scanner al tempo t= 0; individuazione dei marker sulle colonne e sulla balconata (elementi in blu)

13 Duomo di Orvieto Rilievo e monitoraggio del Quadro fessurativo delle colonne e della Navata Centrale Identificazione e tassonomia delle lesioni Fessurimetri Tomografia sonica

14 Modellazione e Analisi preliminare FE di tipo 2D del ponte delle Torri Proprietà dei materiali E=8000 N/mm2 Densità=2067 kg/m3 Poisson= 0.3 Modello FE 2D 1140 elm quad nodi circa Dati letteratura * Analisi 2D Frequenza [hz] Frequenza [hz] I modo II modo * Stato attuale e vulnerabilità del Ponte delle Torri di Spoleto, F. Cluni e V. Gusella (Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, Università di Perugia, Italia), L. Marchetti (Soprintendente dell Umbria e Presidente della Sezione Beni Culturali nella Commissione Grandi Rischi), XI Congresso Nazionale L ingegneria Sismica in Italia, Genova gennaio 2004

15 Modellazione e Analisi preliminare FE di tipo 3D Pile 4 e 5 Analisi 3D IV e V Pila Proprietà meccaniche Mat1 Mat2 Frequenza E (MPa) 8 E+9 5E+9 [Hz] I modo 0.43 Poisson II modo 1.99 Densità [Kg/m3] Incastro perfetto alla base Vincolato lungo x e z

16 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

17 Chiesa di Santa Maria in Gradi (VT) Meccanismi di collasso Analisi agli elementi finiti per gli elementi macrostrutturali: Facciata e Timpano tipo I : ribaltamento verso l esterno dell intera facciata tipo II: ribaltamento verso l esterno del solo timpano tipo III: rottura a taglio per azioni nel piano della facciata Intervento di consolidamento proposto Tecnica CAM (cucitura attiva delle murature) per: ammorsamento facciata timpano azioni di taglio nel piano tipo I e II tipo III Distribuzione dell energia di deformazione per effetto di un accelerazione costante fuori piano pari a 1g Distribuzione dell energia di deformazione per effetto di un accelerazione costante nel piano pari a 1g Azioni fuori piano: tipo I e II Azioni nel piano: tipo III

18 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 Metodologie Studio preliminare mediante modelli numerici (FEM) Prove dinamiche su tavola vibrante del modello integro, danneggiato e rinforzato mediante elementi dissipativi in corrispondenza delle finestre Sezione trasversale del sistema cupola tamburo Monitoraggio con sensori in fibra ottica a reticolo di Bragg (FBG) Utilizzo del sistema 3DVision e messa in rete dell esperimento

19 Tamburo della chiesa di San Nicolò l Arena (CT) Collaborazione ENEA MAT QUAL CE.P.I S CEntro di Prevenzione e Istruzione Sismica Risultati 3DVision e validazione del modello FE 3D Vision D1S marker = FEA 4841 nodo Colfiorito Input time history Distribuzione FE Sforzi-Deformazioni

20 Volta a Crociera Progetto PERPETUATE Moschea del Palazzo del Dey (Algeri) Modello in scala reale con pareti non simmetriche Due campagne sperimentali: Modello Rinforzato (catene). Modello Tal Quale (non rinforzato) Studio del comportamento degli inserti in legno inseriti alla base di ogni arco.

21 Hagia Irene (Complesso Topkapi Istanbul) Obiettivi 9Individuazione zone critiche 9Valutazione possibili interventi di rinforzo 9Realizzazione modello (scala 1:10) con rigidezza e massa riproducenti le proprietà meccaniche del macro elemento strutturale arco centrale pilastri (punto critico) 9. Metodologie 9Studio preliminare mediante modelli numerici (FEM) 9Prove dinamiche u tavola vibrante del modello integro, danneggiato e rinforzato mediante diverse tecniche: ) tradizionali ) non tradizionali Il sistema 3DVision consente la misura diretta degli spostamenti e la messa in rete delle campagne sperimentali

22 Isolamento sismico dei Bronzi di Riace Museo Archeologico Nazionale della Magna Grecia (R. C.) Obiettivi Massimo isolamento dal terremoto Bassa rigidezza + basso attrito + Grandi Spostamenti Isolamento 3D (nelle 3 direzioni XYZ) Coefficiente di isolamento >90 % (no rocking) Isolamento componente verticale dannosa per i punti critici (braccia e gambe) Riduzione delle celle di carico applicate ai tiranti pari a 2/3 del valore attuale Materiali Compatibili Reversibilità Semplice manutenzione Durabilità Metodologie Prove sperimentali su tavola vibrante con input sismici di: terremoti artificiali (spettro compatibili con lo spettro sismico di Stato Limite Ultimo (SLU) al piano espositivo dell edificio) terremoti naturali con periodo di ritorno anni (Max hazard). Granito / Marmo / Ceramica

23 Isolamento sismico dei Bronzi di Riace Museo Archeologico Nazionale della Magna Grecia (R. C.) 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

24 Progetto PERPETUATE (VII P.Q.) PERformance based approach to Earthquake protection of cultural heritage in European and mediterranean countries Obiettivi Il progetto intende sviluppare delle linee guida per la valutazione e del rischio sismico e la protezione dei beni culturali mediante possibili interventi di miglioramento sismico Realizzazione modelli in scala ridotta o reale Obelisco lateranense (Roma) Volta a crociera del Palazzo del Day (Algeri) Attività ENEA Definizione delle misure di valutazione del danno (WP1) Tecniche diagnostiche, proprietà dei materiali, ed identificazione strutturale (WP4) Individuazione degli elementi macrostrutturali da verificare su tavola vibrante, progettazione dei modelli in scala e prove sperimentali su tavola vibrante (WP5) Contributo alla definizione di nuove linee guida per la protezione del P.C. (WP8)

25 Progetto SIMMI Studio e sviluppo di un Sistema Integrato di supporto al Monitoraggio ed alla Manutenzione di Infrastrutture ferroviarie Deformazioni strutturali Stazioni di misura Le stazioni di misura sono state definite individuando le sezioni con maggiore energia di deformazione sia per carichi statici che per carichi dinamici derivanti dal passaggio di un convoglio sul ponte

26 Grazie a tutti per la partecipazione!!!