AUTORE: Ing. Andrea Sorzia
TUTORS: Prof. Ing. Alberto Pavese (Università di Pavia), Ing. Simone Reale (Università di Pavia)
TIROCINIO: Dettori & Associati – Ingegneria e Architettura
MASTER: Master in “Progettazione sismica delle strutture per costruzioni sostenibili” a.a. 2023-2024
L’obiettivo della tesi è valutare le prestazioni sismiche di un ponte esistente situato a Tortona (Alessandria, Italia). Nel contesto della valutazione sismica del ponte, rappresentativo della tipica configurazione dei ponti costruiti in Italia tra gli anni ’60 e ’70, i dati ottenuti attraverso una campagna di prove sperimentali effettuate negli anni passati sono stati utilizzati per costruire, validare e aggiornare un modello FEM non lineare della struttura. L’azione sismica del sito del ponte è stata valutata in conformità con le Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC18) e la relativa Circolare.
Il ponte è caratterizzato da tre campate semplicemente appoggiate e ha una lunghezza totale di 43,8 m. L’impalcato è costituito da travi in c.a.p. con soletta superiore in c.a. Sono presenti appoggi in neoprene non vincolati sotto ogni trave. Ogni pila è composta da quattro colonne in c.a. sormontate da un pulvino.
La tesi esplora come i dati desunti da prove sperimentali rappresentino un aspetto fondamentale nella valutazione di strutture esistenti attraverso un approccio progressivo. In primo luogo, la risposta sismica del ponte è stata valutata in base ai risultati di un’Analisi Dinamica Lineare preliminare. Dopo questa fase preliminare, è stato sviluppato un modello FEM non lineare della struttura utilizzando il software commerciale ad elementi finiti SAP2000 (cfr. Figura 1). È stata selezionata una serie di accelerogrammi naturali non scalati considerando la sismicità specifica del sito e le prescrizioni delle Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC18). Dopodiché è stata eseguita un’Analisi Dinamica Non Lineare tipo Time-History (NLTHA) che ha permesso la valutazione sismica del caso studio. La risposta sismica degli appoggi e delle pile, che rappresentano gli elementi critici in caso di eventi sismici come dimostrato da eventi passati, è stata analizzata con attenzione per fornire una valutazione razionale delle prestazioni sismiche del ponte.
L’approccio Direct Displacement Based Assessment ha guidato la procedura di valutazione. I dati sperimentali sulle proprietà meccaniche del calcestruzzo e dell’acciaio sono stati utilizzati per caratterizzare il modello non lineare. Inoltre, basandosi sulle registrazioni ottenute da accelerometri installati sulla struttura, è stata effettuata un’identificazione modale semplificata (cfr. Figura 2).
La tecnica della Frequency Domain Decomposition (FDD) è stata applicata per individuare le frequenze corrispondenti ai modi fondamentali nelle direzioni longitudinale e trasversale (cfr. Figura 3 e Figura 4). Un secondo modello FEM non lineare è stato calibrato sulla base di questi risultati sperimentali, modificando iterativamente la rigidezza a taglio degli appoggi in neoprene, e successivamente valutato (cfr. Figura 5).
Riassumendo i risultati, tutte le verifiche effettuate sono soddisfatte, ad eccezione delle verifiche a taglio condotte con l’Analisi Dinamica Lineare. Il ponte risulta essere in una condizione di sicurezza, almeno per l’azione sismica del sito in esame, che è classificato come zona a bassa sismicità (Zona sismica 3) secondo la classificazione delle Norme Italiane. Infine, si osserva una significativa riduzione degli spostamenti delle sommità delle pile e degli appoggi in neoprene tra il modello FEM preliminare e il secondo modello FEM aggiornato.
Figure 1: Vista 3D del FEM.
Figure 2: Disposizione degli accelerometri e dei canali di registrazione.
Figure 3: I 3 Valori Singolari della tecnica FDD per l’identificazione della prima frequenza naturale in direzione longitudinale.
Figure 4: I 6 Valori Singolari della tecnica FDD per l’identificazione della prima frequenza naturale in direzione trasversale.
Figure 5: Comportamento degli appoggi in neoprene non vincolati sotto azione sismica (da [1]).
[1] D. Cardone. “Displacement limits and performance displacement profiles in support of direct displacement-based seismic assessment of bridges”. In: Earthquake Engineering & Structural Dynamics 43 (2014), pp. 1239-1263.
FOR INTERNATIONAL STUDENTS
The objective of the thesis is performing the seismic performance assessment of an existing bridge structure located in Tortona (Alessandria, Italy). In the context of the seismic assessment of the bridge, which is representative of the typical configuration of bridges built in Italy between the 60’s and the 70’s, data obtained through field tests carried out in the past years are used to build, validate and update a nonlinear FEM of the structure. The seismic action on the bridge site has been evaluated according to the Italian Building Code (NTC18) and relative Commentary.
The bridge is characterized by three simply supported spans and has a total length of 43.8 m. The deck is composed of P.S.C. beams with an upper R.C. slab. Unbolted neoprene pad bearings are present below each girder. Each pier is composed of four R.C. columns and a pier cap.
The thesis explores how experimental testing represents a fundamental aspect in the assessment of an existing structure through a progressive approach. First, the seismic response of the bridge has been evaluated according to the results of preliminary Linear Dynamic Analysis. After this preliminary phase, a nonlinear FEM of the structure has been developed using the commercial finite element software SAP2000 (cfr. Figure 1). A suite of natural unscaled accelerograms has been selected considering the site-specific seismicity and the prescriptions of the Italian Building Code (NTC18). Nonlinear Time History Analysis (NLTHA) has been carried out and the seismic assessment of the case study has been performed. The seismic response of bearings and piers, which are the critical elements in the occurrence of ground shaking as demonstrated by past seismic events, has been carefully scrutinized in order to provide a rational evaluation of the seismic performance of the bridge.
The Direct Displacement Based Assessment philosophy guided the assessment procedure. Experimental data on concrete and steel mechanical properties have been used to characterize the nonlinear model. Additionally, based on recordings obtained from accelerometers installed on the structure, a simple modal identification has been carried out (cfr Figure 2).
The Frequency Domain Decomposition (FDD) technique has been applied to find the frequencies corresponding to the fundamental modes in longitudinal and transverse direction (cfr. Figure 3 and Figure 4). A second nonlinear FEM has been calibrated based on these experimental results, by iteratively modifying the shear stiffness of the pads, and then assessed (cfr Figure 5).
Summarizing the results, all the checks performed are verified except the shear checks with the Linear Response Spectrum Analysis. The bridge gave evidence of being in a safe condition, at least for the seismic force of the site under examination, which is a low seismicity area (Seismic zone 3) according to the classification of the Italian Regulations. Finally, a drastic reducing of the displacements of the tops of pier caps and pads is observed between the preliminary FEM and the second updated FEM.