Monitoraggio di strutture ed infrastrutture strategiche

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1 Progetto esecutivo (Attuazione Accordo di Programma Quadro DPC-Reluis del 15 Marzo 2005) PROGETTO DI RICERCA n. 9 MONITORAGGIO E EARLY WARNING DI STRUTTURE E INFRASTRUTTURE STRATEGICHE Task 1 Monitoraggio di strutture ed infrastrutture strategiche Udine 22 e 23 novembre 2006 Felice Carlo PONZO

2 Evoluzione delle strategie di monitoraggio Ispezione visiva periodica con descrizione verbale delle condizioni Ispezione visiva periodica con scheda a punti per vulnerabilità e degrado Ispezione visiva periodica con sperimentazione dinamica ambientale Monitoraggio con sensori in stazione permanente ed ispezione visiva periodica Monitoraggio in linea remoto con analisi di rischio ed ispezione visiva su allarme strutture intelligenti

3 Evoluzione delle risposte attese Descrizione soggettiva dei sintomi osservati di danno e degrado Indici sommari di danno e degrado ottenuti con scheda a punti Variazione oggettiva misurata dei sintomi di danno e degrado Valutazione su base oggettiva e misurata della resistenza e vita residua

4 OBIETTIVO PRIMARIO Rete dei Laboratori Universitari di Ingegneria Sismica l integrazione in un approccio metodologico ed operativo di competenze di monitoraggio strutturale e tecnologie di early warning sismico, finalizzata alla proposta di linee guida per il monitoraggio permanente di strutture ed infrastrutture dell Ingegneria Civile. Guidelines & standards ISIS Canada SHM Guidelines FHWA USA Guide 9-8 SHM Guidelines FIB Europe Task Group 5-1 SHM Guidelines ISO SHM Guidelines

5 MONITORAGGIO DI STRUTTURE ED INFRASTRUTTURE STRATEGICHE Unità di Ricerca Coinvolte: POLITO, UNIMOL, UNIBAS, OBIETTIVI: Ottimizzazione delle metodologie di realizzazione delle reti di monitoraggio di edifici strategici, nell ambito del programma di sviluppo di tali reti da parte del DPC, in particolare: valutazione dell efficacia dei parametri strumentali per la determinazione del livello di danneggiamento su base sperimentale; definizione di strategie per l utilizzo delle informazioni relative al danno misurato sul singolo edificio ai fini di una valutazione di scenari di danno e stima dalle perdite; definizione di linee guida per il monitoraggio permanente delle infrastrutture civili o degli edifici.

6 METODI: Rete dei Laboratori Universitari di Ingegneria Sismica Le attività saranno articolate nei seguenti subtasks: M1) Ricerca bibliografica sulle principali metodologie e tecniche di identificazione dinamica delle strutture e di valutazione del danno; M2) Classificazione delle strumentazioni disponibili oggi sul mercato e confronto delle caratteristiche e prestazioni dei diversi tipi di sensori; M3) Definizione di un algoritmo di valutazione del danneggiamento strutturale; M4) Definizione di configurazioni ottimali del sistema di acquisizione (sensori, unità di acquisizione, unità di elaborazione e unità di trasmissione); M5) Ottimizzazione delle procedure per l analisi in real-time del danneggiamento e Definizione di regole di allertamento; M6) Valutazione delle possibilità di estensione, attraverso reti di monitoraggio e con l introduzione di altri parametri, alle stime in real-time degli scenari di danno post-evento a scala locale e regionale; M7) Esame della protezione degli edifici con destinazione rilevante ai fini della protezione civile nel territorio molisano, mediante valutazione degli aspetti connessi alla struttura portante degli edifici e al sottosuolo M8) Progettazione ed installazione di un sistema di Monitoraggio su due edifici strategici (uno ad alta prestazione ed uno di tipo a basso costo),

7 PRODOTTI: 1. Progettazione e messa a punto di uno specifico sistema, con relativo software, per l acquisizione, elaborazione e trasmissione dei dati sintetici sullo stato di danneggiamento dell edificio nelle fasi precedenti il sisma, durante il sisma e nelle fasi terminali del sisma. 2. Definizione di modalità standard di acquisizione ed elaborazione dei dati; 3. Applicazione reale a uno o più strutture campione; 4. Indicazione dei requisiti di una rete di monitoraggio ai fini di una stima in realtime degli scenari di danno postevento a scala locale e regionale a partire dai dati registrati su edifici campione; 5. Definizione di linee guida per il monitoraggio permanente delle infrastrutture civili o degli edifici; 6. Leggi di attenuazione da impiegare nel territorio molisano per caratterizzare i parametri sismici di interesse ingegneristico; 7. Sviluppo di metodologie di valutazione della risposta dinamica di strutture di interesse strategico in territorio molisano in base ad analisi di tremori e rumore ambientale ed applicazione a due casi; 8. Diffusione delle conoscenze acquisite nel progetto di ricerca.

8 Attività primo anno unità di ricerca UNIMOL Obiettivo 2: Monitoraggio strutturale Definizione delle specifiche primarie per sistemi di monitoraggio sismico e integrazione con EWS Implementazione di procedure OMA Identificazione di criteri di elaborazione e archiviazione misure strutturali

9 Obiettivo 2: Monitoraggio strutturale Installazione di un sistema di Sensori per il monitoraggio permanente I sensori Episensor ES- U2-Kinemetrics K2 - Kinemetrics Sistema di acquisizione UNIMOL Attività svolta in collaborazione con UniNA DAPS; UniNA DSF; INGV - OV

10 Obiettivo 2: Monitoraggio strutturale La Torre di Ingegneria Kinemetrics Episensor FBA ES-U2: 2.5 V/g sensitivity, ±1 g FS range; PCB Piezotronics 393B04, 393A03: 1 V/g sensitivity, ±5 g FS range UNIMOL

11 Obiettivo 2: Monitoraggio strutturale I sensori geotecnici Kinemetrics Episensor ES-T; Kinemetrics Shallow Borehole Episensor SBEPI UNIMOL

12 Obiettivo 2: Monitoraggio strutturale: Struttura del database Kinemetrics softwares for continuos monitoring and visualization LabView Application linked to MySQL DB software di elaborazione dati OMA Tools Overlapping and windowing Decimation Auto and cross-power spectra Coherence functions EFDD SSI MAC, AutoMAC and CrossMAC matrices Mode Shape Visualization Report of the identified modal parameters UNIMOL

13 Obiettivo 3: Struttura geofisica regione Molise Innalzamento del livello informativo di natura geofisica del territorio della regione Molise, tramite: caratterizzazione delle sorgenti sismiche presenti sul territorio; caratterizzazione della propagazione delle onde sismiche ; stima preliminare dell input sismico atteso; stima dell effetto di amplificazione di sito (in area test); UNIMOL

14 Obiettivo 1 e 4: Studio di fattibilità di un EWS per la regione Molise Inventario delle strutture strategiche presenti sul territorio Inventario delle strutture industriali classificate a rischio rilevante presenti sul territorio Esame delle principali caratteristiche strutturali e funzionali di apparati produttivi pericolosi Attivati contatti con Assessorati Regionali alla Sanità e ai Lavori Pubblici Elaborazione di carte tematiche del territorio regionale per l analisi di fattibilità di EWS a scala regionale

15 Attività primo anno Unità di Ricerca POLITO L attività del primo anno può essere sintetizzata come segue: 1. elaborazione di alcuni rapporti sullo stato dell arte del monitoraggio strutturale, con particolare riguardo al monitoraggio permanente di infrastrutture strategiche e costruzioni storiche; 2. formulazione di metodi di identificazione dinamica nel contesto della teoria della complessità, finalizzata alla automazione del processo identificativo e ad una caratterizzazione probabilistica dei risultati; 3. sviluppo di sensori innovativi a basso costo e di tipo wire-less; 4. strumentazione di una passerella pedonale in vera scala mediante un sistema di monitoraggio permanente.

16 UIC Sistema di monitoraggio strutturale della Passerella olimpica di Torino

17 Comune di Torino - Passerella Olimpica

18 Il sistema 1 installato 19

19 I sensori

20 Interfaccia di controllo

21 Il collaudo statico

22 Fessurimetro

23 Collaudo dinamico

24 Laboratorio di Materiali e Microsistemi Rete dei Laboratori Universitari di Ingegneria Sismica 740 m 2 totali 135 m 2 camere in classe 100 e m 2 di laboratorio Attività: Ricerca Prototipi Caratterizzazione e collaudo Trasferimento industriale

25 Laboratorio di Materiali e Microsistemi

26 ChiLab-Laboratorio di Microsistemi

27 Attività primo anno Unità di Ricerca UNIBAS 1) Valutazione dell efficacia dei parametri strumentali per la determinazione del livello di danneggiamento su base sperimentale; 2) Analisi fattibilità del sistema su base sperimentale Metodo livello 1 IMPLICAZIONI: Riduzione Costo attrezzatura Rapidità elaborazione dati Quantità e qualità informazioni limitate Frequenza Parametro sensibile al danno Varia al variare della temperatura Difficoltà Riconoscimento di numerose frequenze modali

28 DESCRIZIONE DELLA PROCEDURA 2.5Hz 1) Ricerca correlazione tra - Spostamento interpiano massimo - Parametri strumentali: Acc. / Vel. / Spost. max Variazioni di Frequenza Smorzamento 1.1Hz 2) Definizione Indice di danno I d : I d = Δ = f[α 1 (S/V/A. max ), α 2 (Δf 1 ), α 3 (Δf 2 ), α 4 (ξ)] 3) Calibrazione coefficienti: Tempo (s) N-S 2.0Hz α i : funzione di: - n piani, - h interpiano, - regolarità edificio - Caratteristiche materiali

29 1 FASE DEL LAVORO Rete dei Laboratori Universitari di Ingegneria Sismica ANALISI EFFETTUATE 2 Modelli Sperimentali (scala 1:4) Università ENEA Progetto della Basilicata TREMA (Progetto POP) 1 Modello Numerico Struttura modulare 1-5 piani

30 1 L9- FASE Monitoraggio DEL di strutture LAVORO ed infrastrutture strategiche MODELLI SPERIMENTALI (PROG. TREMA) Colfiorito 50 % % Suolo BCE Δf 1 =(f i -f m )/f i Δf 2 =(f i -f F )/f i PGA [g] PGA [g] Colfiorito Suolo BCE Colfiorito Suolo BCE 3 3 TEST 0.025g 0.05g 0.08g 0.09g 0.12g 0.14g 0.15g 0.16g 0.20g 0.23g TEST 0.05g 0.07g 0.13g 0.16g 0.25g [DRIFT %] [DRIFT %] Correlazione tra drift max. e parametri registrati in testa R 2 =

31 1 L9- FASE Monitoraggio DEL di strutture LAVORO ed infrastrutture strategiche MODELLI SPERIMENTALI (PROG. POP) Colfiorito 70 % % Suolo EC8B Δf 1 =(f i -f m )/f i Δf 2 =(f i -f F )/f i Colfiorito TEST 0.08g 0.1g 0.15g 0.2g 0.25g 0.30g 0.35g Suolo EC8B TEST 0.11g 0.17g 0.22g 0.28g 0.34g PGA [g] Colfiorito drift [%] PGA [g] Suolo EC8B [%] drift Correlazione tra drift max. e parametri registrati in testa R 2 =

32 1 MODELLO NUMERICO MODELLAZIONE NON LINEARE Struttura in C.A. n. Piani var. CD A, B regolarità var. Momento (knm). A B limite elastico C limite plastico D collasso E rottura θ (rad) Dir_Y Dir_X Momento (knm). A B limite elastico C limite plastico D collasso E rottura θ (rad) Analisi Dinamiche Non Lineari 7 x TEST 0.05g 0.15g 0.25g 0.35g x Suolo A, BCE estratti da catalogo RELUIS Suolo D generati

33 SUOLO A RISULTATI Rete dei Laboratori Universitari di Ingegneria Sismica Numerico Formula_Coeff_Regres_Suolo A+BCE+D Formula_Coeff_Regres_Suolo A 1.00% Accelerogramma 55 A 1.00% Accelerogramma 594 A 1.00% Accelerogramma 198 A 1.00% Accelerogramma 5820 A 0.75% 0.75% 0.75% 0.75% 0.50% 0.25% 0.50% 0.25% 0.50% 0.25% 0.50% 0.25% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 1.00% Accelerogramma 1707 A 1.00% Accelerogramma 5819 A 1.00% Accelerogramma 182 A 0.75% 0.75% 0.75% 0.50% 0.25% 0.50% 0.25% 0.50% 0.25% 0.00% 0.00% 0.00% ag (g)

34 SUOLO BCE Rete dei Laboratori Universitari di Ingegneria Sismica Numerico Formula_Coeff_Regres_Suolo A+BCE+D Formula_Coeff_Regres_Suolo BCE 3.0% Accelerogramma 187 BCE 3.0% Accelerogramma 535 BCE 3.0% Accelerogramma 230 BCE 3.0% Accelerogramma 199 BCE 2.0% 1.0% 2.0% 1.0% 2.0% 1.0% 2.0% 1.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 3.0% Accelerogramma 228 BCE 3.0% Accelerogramma 5850 BCE 3.0% Accelerogramma 6328 BCE 2.0% 1.0% 2.0% 1.0% 2.0% 1.0% 0.0% 0.0% 0.0%

35 SUOLO D Rete dei Laboratori Universitari di Ingegneria Sismica Numerico Formula_Coeff_Regres_Suolo A+BCE+D Formula_Coeff_Regres_Suolo BCE 3.0% Accelerogramma D1 3.0% Accelerogramma D2 3.0% Accelerogramma D3 3.0% Accelerogramma D4 2.0% 1.0% 2.0% 1.0% 2.0% 1.0% 2.0% 1.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 3.0% Accelerogramma D5 3.0% Accelerogramma D6 3.0% Accelerogramma D7 2.0% 1.0% 2.0% 1.0% 2.0% 1.0% 0.0% 0.0% 0.0%

36 PROGETTAZIONE MODELLO SPERIMENTALE Modello Sperimentale in Acciaio in Scala 1:15 Modello ADINA Controllo dei meccanismi di collasso: Meccanismo a pilastri a travi plasticizzati plasticizzate Angolare

37 Modello Sperimentale in Acciaio in Scala 1:15 PROSPETTO PRINCIPALE MODELLO TAVOLA VIBRANTE