STRIT
Strumenti e tecnologie per la gestione del rischio delle infrastrutture di trasporto
PON Ricerca e Competitività 2007-2013
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Inizio: 2012 - Fine: 2015
Il Progetto STRIT ha affrontato i temi della valutazione, gestione e mitigazione dei rischi ambientali per le grandi infrastrutture di trasporto, al fine di ottimizzare gli interventi di manutenzione e/o di adeguamento strutturale di elementi o di opere d’arte in un’ottica multi-scala e multi-livello. Il progetto ha studiato in particolare le opere d’arte di struttura e dimensioni significative (ponti, viadotti, gallerie) presenti all’interno di reti stradali ubicate in aree soggette a rilevanti rischi ambientali, in particolare al rischio sismico.
Il progetto è stato portato avanti, sotto la guida scientifica dell’ Università “Federico II” di Napoli, da un raggruppamento di Università, Enti di Ricerca ed aziende private del settore; STRESS scarl, società consortile e Distretto per le Costruzioni della Campania è capofila del progetto ed è responsabile del suo coordinamento.
Il progetto di ricerca si è sviluppato intorno a svariati temi, affrontati in un ottica di ricerca specialistica e di attività sperimentali condotte in corrispondenza di siti dimostratori, in particolare su ponti e laboratori.
I temi al centro delle attività sono stati i seguenti:
- Sviluppo di metodi per la valutazione della vulnerabilità delle grandi infrastrutture viarie
- Metodi e tecnologie di riduzione del rischio delle grandi infrastrutture viarie
- Impiego di tecniche di monitoraggio avanzate
- Gestione in tempo reale del rischio sismico delle grandi infrastrutture e gestione dell’emergenza.
Le attività sperimentali e dimostrative sono state svolte presso alcuni ponti ubicati in Campania a Napoli e presso Apice (BN), in Calabria a Longobucco, Cetraro e Fiumefreddo (CS), in Sicilia a Valguarnera (EN) e presso il laboratorio DIST Dipartimento di Strutture per l'Ingegneria e l'Architettura - UNINA; alcune attività di laboratorio sono state svolte anche presso il laboratorio di Eucentre a Pavia.
Isolatori
La sperimentazione di laboratorio, eseguita a Napoli ed a Pavia, ha approfondito alcuni temi legati ai dispositivi di protezione sismica utilizzati per l’adeguamento dei ponti esistenti in c.a. Gli apparecchi di isolamento sismico sono stati testati con accelerogrammi tipici di quella che è l’area geografica di riferimento, considerandone anche le differenti prestazioni per effetto dei fenomeni di “ageing”. Lo studio è stato corredato da numerose analisi numeriche parametriche eseguite su sottostrutture di sistemi semplicemente appoggiati di ponti stradali in c.a.
Barre in FRP con sistema ad uncino
Il progetto ha affrontato temi che sono la nuova frontiera in materia di monitoraggio e diagnostica. Tra essi, sicuramente l’impiego di sensori in fibra ottica che, associati a tessuti di diversa natura, risultano ottimali per i controlli in tempo reale oltre a presentare diversi vantaggi: la flessibilità di impiego (possono essere sia sistemati sulla superficie del materiale da monitorare che inseriti all’interno dello stesso); le dimensioni particolarmente piccole e l’essere immuni da interferenze elettromagnetiche. Il progetto ha approfondito le loro possibilità di uso nel campo del monitoraggio di ponti e viadotti.
Sistema di pre-tensionamento delle lamine in FRP
Tra le sperimentazioni del progetto è stata prevista anche la messa a punto di un sistema di confinamento attivo in grado di fornire una pre-tensione alle lamina in FRP, operando in maniera controllata e modificabile. Lo studio ha interessato lo sviluppo di due parti chiave del sistema: blocchetti di serraggio per l’afferraggio di ciascuna estremità della lamina; sistema meccanico per il tensionamento della lamina. Mediante il sistema di confinamento attivo messo a punto è stato dunque possibile conoscere il valore esatto di sollecitazione della lamina ed eventualmente incrementare tale valore nel caso si rilevi una riduzione dovuta alla fatica statica, oppure in presenza di un incremento della sollecitazione esterna a cui è soggetta la colonna.
Early Warning Seismic
Parte del progetto è stata dedicata allo sviluppo di un sistema di Early Warning Sismico applicabile alle infrastrutture di trasporto. I temi centrali sono i seguenti: la previsione in tempo reale della misura di intensità sismica (IM) attesa al piede di una struttura; la previsione in tempo reale della risposta strutturale e la stima delle soglie di allarme stabilite in termini di minimizzazione delle perdite attese includendo anche i casi di falso e di mancato allarme.
Valutazione della transitabilità post-sisma delle grandi infrastrutture
Il progetto ha affrontato anche temi che presentano una componente gestionale significativa, che però si sposa con le innovazioni tecnologiche oggetto della ricerca completandone la significatività. E’ stata individuata un’area geografica di riferimento, a cavallo tra le provincie di Avellino e Benevento, soggetta a monitoraggio sismico da parte della rete Isnet. In questo scenario sono stati portati avanti lo studio e l’analisi della domanda di mobilità in un ipotetico scenario di post evento sismico, caratterizzato dall’applicazione di un piano di evacuazione dei residenti e/o dall'adozione di adeguate procedure per il soccorso alla popolazione all’insorgere di una condizione di emergenza. Il verificarsi di un evento quale un forte sisma provoca la mobilitazione di un numero di utenti e veicoli non confrontabile con quello delle condizioni di funzionamento ordinario di un sistema di trasporto. La domanda di mobilità, pertanto, in condizioni di emergenza è stata simulata attraverso una serie di sottomodelli tra cui: il modello di emissione degli spostamenti dalla zona di origine; il modello di scelta dell'ora di partenza; il modello di scelta modale con differenti insiemi di scelta sulla base delle alternative disponibili; il modello di distribuzione verso le aree destinate all’ammassamento ed al ricovero; il modello di scelta del percorso.
Modellazione FEM
Ai fini dello studio della sicurezza dei ponti esistenti sono stati costruiti modelli numerici agli elementi finiti in grado di cogliere il comportamento non lineare. I modelli bidimensionali (2D) e tridimensionali (3D) consentono di simulare la risposta dinamica dei viadotti indagati soggetti ad eventi sismici passati, permettendo di valutare le prestazioni ed il danno che si otterrebbero nello stato di fatto e nelle condizioni di progetto di un intervento di consolidamento.
Leghe a memoria di forma
Il progetto ha previsto un’analisi tecnologica, scientifica e commerciale finalizzata allo sviluppo di un “concept” innovativo di dispositivi a base di materiali a elevate prestazioni quali le leghe a memoria di forma (SMA, Shape Memory Alloy), particolarmente indicate nel caso di adeguamento sismico di ponti e viadotti. Sono state studiate in maniera approfondita le seguenti proprietà delle SMA: la super-elasticità, ovvero il comportamento fortemente non lineare del materiale caratterizzato dal recupero spontaneo e completo della deformazione imposta all’atto dello scarico anche se essa è avvenuta in campo tradizionalmente considerato plastico; il comportamento isteretico del materiale, con conseguente dissipazione di energia; l’elevato range di deformazioni (cicliche) di lavoro (fino al 7-8% in regime superelastico), di un ordine di grandezza maggiore rispetto ad altri metalli e leghe; il plateau (tratto tensione-deformazione a basso incrudimento) che il materiale esibisce durante le trasformazioni di fase; l’incremento di rigidezza conseguente al completamento della trasformazione di fase diretta (austenite martensite).
Tessuti automonitoranti
Il progetto ha affrontato temi che sono la nuova frontiera in materia di monitoraggio e diagnostica. Tra essi, sicuramente l’impiego di sensori in fibra ottica che, associati a tessuti di diversa natura, risultano ottimali per i controlli in tempo reale oltre a presentare diversi vantaggi: la flessibilità di impiego (possono essere sia sistemati sulla superficie del materiale da monitorare che inseriti all’interno dello stesso); le dimensioni particolarmente piccole e l’essere immuni da interferenze elettromagnetiche. Il progetto ha approfondito le loro possibilità di uso nel campo del monitoraggio di ponti e viadotti.
Smart-Monitoring
Il monitoraggio pilota previsto in corrispondenza di uno dei casi di ponte dimostratore si è sviluppato durante l’arco temporale dell’intero progetto. Tramite accelerometri posizionati in varie sezioni si è indagato il comportamento dinamico del ponte, mentre altri sensori hanno permesso il monitoraggio in fase operativa e di ordinaria funzionalità.
Presso il Dipartimento di Strutture per l’Ingegneria e l’Architettura dell’Università “FedericoII” di Napoli è stata avviata una campagna sperimentale di elevata significatività e riscontro scientifico. La sperimentazione, infatti, innovativa e di elevato rilievo accademico, può essere raggruppata in tre tipologie di prove: prove dinamiche asincrone (unidirezionali e bidirezionali) su modelli di ponte in grande scala; prove cicliche p-seudo statiche su pile da ponte in c.a.; prove cicliche p-seudo statiche su nodi di pile a telaio.
Prove dinamiche di un ponte in grande scala
Il sistema testato è del tipo Pila-Solettone-Pila in scala 1:3. Sono state realizzate 4 Pile, 2 a sezionecircolare cava e 2 a sezione circolare piena. I collegamenti pila solettone testati sonostati del tipo: Appoggio fisso, Appoggio scorrevole con isolatore elastomerico, Appoggio scorrevole con isolatore a doppio pendolo. La flessibilità del modello costruito, seppur in grande scala, ha permesso di dare vita ad una “campagna di prove” ricca e di elevato interesse scientifico, in quanto ha permesso di studiare il comportamento dinamico di due tipologie di ponti esistenti e delle differenti tecniche di miglioramento/adeguamento sismico possibili (isolamento in testa, rinforzo strutturale, interventi di retrofitting). L'innovazione delle campagna di prova è legata, non solo alla scala elevata dei modelli testati, ma anche alla “dinamicità” e all’”asincronismo” del test. Infatti il modello di ponte è stato posizionato sulle due tavole vibranti site nel laboratorio del DIST dell’Università Federico II di Napoli, ed è stato sottoposto ad una sequenza di accelerogrammi (registrazione di Calitri durante il terremoto del 1980) scalata ed amplificata.Surplus della prova è stato il monitoraggio dinamico del modello.
Prove p-seudo statiche su pile da ponte in scala
Prove sperimentali su provini rappresentativi di pile monofusto in c.a. di differente sezione (circolare cave, circolare piene e scatolari). La realizzazione di tali elementi strutturali è stata particolarmente curata, infatti si è ricorso a materiali che simulano le caratteristiche meccaniche degli anni 60-70 ed a geometrie degli elementi tipica dell’epoca. La prova, ciclica p-seudo statica, è stata atta alla caratterizzazione di differenti modalità di collasso e la valutazione dell’efficacia dei modelli di capacità attualmente utilizzati. Valore aggiunto alla campagna è stata poi la riproduzione della prova su alcuni test campione sottoposti a processo d’invecchiamento accelerato.
Prove p-seudo statiche su 4 intersezioni nodali
La campagna sperimentale si è concentrata su provini rappresentativi di intersezioni nodali appartenenti a pile a telaio in c.a. caratterizzati da due differenti tipologie di armatura,“nervata” e “liscia”. La sperimentazione è stata volta alla caratterizzazione di differenti modalità crisi ed l’analisi dei risultati delle letture del setup di monitoraggio ha consentito di analizzare l’evoluzione dei contributi associati ai differenti meccanismi deformativi.
In data 17.10.2014 è stato firmato un accordo tra l’Amministrazione Provinciale di Benevento e la società consortile STRESS al fine di permettere lo svolgimento di attività di sperimentazione in corrispondenza del ponte sul fiume Ufita, in località Apice, in provincia di Benevento.
Il ponte è una struttura composta (impalcato con travi in acciaio e soletta in cemento armato con predalles) che attraversa con tre campate il fiume Ufita. L’opera è risultata seriamente danneggiata a seguito di un evento climatico eccezionale nell’autunno 2013, che ha procurato un forte scalzamento delle sottostrutture ed il conseguente crollo di una pila. Nonostante tutto, però, la sovrastruttura è rimasta al suo posto limitando così i danni complessivi al ponte. La pila è stata successivamente rimpiazzata con una struttura di supporto temporanea che ha permesso, finora, la funzionalità del ponte pur con qualche restrizione di traffico.
A partire dal 7 Gennaio 2015 sono state avviate le attività di geognostica e diagnostica strutturale dell’infrastruttura. In particolare sono stati svolti: un rilievo in 3D dell’intera struttura con operazioni tramite il laser scanner; dei sondaggi geognostici con esecuzione anche di prove down-hole; operazioni di diagnostica delle sottostrutture e delle fondazioni; rilievi batimetrici e della zona dell’alveo per un’area rappresentativa.
Il 9 marzo 2015, inoltre, sono state svolte sulla struttura delle prove dinamiche operative che hanno permesso di completare il quadro conoscitivo. Terminata la fase di conoscenza sono state condotte analisi di modellazione strutturale del ponte che hanno condotto alla progettazione di un sistema di monitoraggio accurato per la misura dei parametri significativi. Tre sistemi di monitoraggio convenzionali ed innovativi (mems, wireless) hanno controllato costantemente il ponte. Tale sensori, in funzione per diversi mesi, hanno inviato dati letti ed analizzati da remoto. In particolare, all’interno del sito internet del progetto, è stato predisposta un’area dedicata al monitoraggio del ponte di Apice.
Le attività di dimostratore hanno previsto anche lo svolgimento di alcune prove particolarmente specialistiche presso il laboratorio di EUCENTRE a Pavia. E’ parte della ricerca, infatti, una campagna sperimentale basata sulla tecnica di prova ibrida, ad interazione real-time con sotto-strutturazione implementata appunto presso l’EUCENTRE TREES Lab. Tale sperimentazione ha combinato le potenzialità della modellazione numerica con la sperimentazione in laboratorio, consentendo il raggiungimento di importanti risultati ed estendendo le potenzialità della tecnica di prova stessa attraverso l’introduzione di elementi innovativi.
La campagna sperimentale, si è posta come obiettivo, oltre alla progettazione, implementazione e validazione del sistema di prova stesso, la valutazione della vulnerabilità di un ponte avente caratteristiche rappresentative di una buona parte del costruito esistente (framework comunque flessibile, facilmente estendibile a diverse tipologie di ponti) oltre alla verifica dell’efficacia di una strategia di rinforzo basata sull’adozione di isolatori sismici interposti tra pile e impalcato.
Sono state svolte attività diagnostiche e sperimentali per una valutazione della vulnerabilità del ponte sul fiume Trionto a Longobucco, a Cosenza. Tali attività, che hanno anche lo scopo di valutare il livello prestazionale del ponte, sono state possibili grazie ad accordi intercorsi con l’amministrazione municipale di Longobucco. Il ponte è una struttura in C.A. ad arco con 3 campate di accesso alla stessa (1 da un lato e 2 dall’altro) costruita negli anni ’60. La diagnostica del ponte è stata condotta in maniera esaustiva mediante un misuratore Laser con lo scopo di verificare le dimensioni geometriche, oltre ai dati topografici, riportate sulle tavole grafiche del progetto esecutivo fornito dall’Amministrazione Comunale di Longobucco. E’ stata svolta anche una prova di caratterizzazione dinamica rilevando le accelerazioni indotte dal vento e dal traffico in corrispondenza dell’arco. Accanto alla parte identificativa dell’opera sono state svolte delle analisi non lineari per determinare i livelli prestazionali del ponte.
Sono state svolte attività diagnostiche e sperimentali per una valutazione della vulnerabilità e per la determinazione dei livelli prestazionali di tre ponti in provincia di Cosenza ovvero "Fiume di mare" a Fiumefreddo Bruzio lungo la SP39, Arenazza lungo la SP270 e Caprovini lungo la SP26 a Cetraro. In particolare il ponte "Fiume di mare" presenta una struttura ad una sola campata con travi in c.a.p. poggiante su spalle costituite da pali e pulvini con speroni in pietra preesistenti; Ponte Arenazza è caratterizzato da 2 campate di dimensioni simili costruite con travi prefabbricate e si presenta apparentemente simmetrico rispetto alla pila. Le campate sono appoggiate agli estremi su spalle in cemento armato, in corrispondenzadelle quali sono stati sistemati degli smorzatori. La soletta è giuntata in corrispondenza dell’appoggio sulla pila dove sono stati sistemati degli ulteriori smorzatori; Ponte Caprovini presenta una struttura a tre campate in cemento armato, apparentemente simmetrica. La campata centrale poggia su doppia struttura ad andamento parabolico con travi irrigidenti. Le campate laterali, oltre ad essere giuntate alla struttura ad arco, poggiano su spalla in cemento armato ed in mezzeria su stampella in c.a. avente doppia colonna.
Sono state svolte attività diagnostiche e sperimentali per una valutazione complessiva del viadotto di Valguarnera in provincia di Enna. Tali attività, che hanno anche lo scopo di valutare il livello prestazionale del ponte, sono state possibili grazie ad accordi intercorsi con l’amministrazione provinciale di Enna. Il ponte è una struttura in C.A., lunga quasi 500 m, con pile in cemento armato a telaio ed impalcato costituito da travi in CAP e soletta gettata in opera.
Capofila: Stress S.c.a r.l.
Università degli Studi di Napoli Federico II, Università della Calabria, Amra S.c.a r.l., Eucentre, Diagnosis S.r.l., Dismat s.r.l.Boviar S.r.l., L&R laboratori e Ricerche S.r.l.
