AUTHOR: Pablo Zoccali
TUTORS: Prof. Ing. P. Crespi e Ing. A. Bajo
INTERNSHIP: IRD Engineering Srl / Strada dei Parchi SpA
MASTER: Master in “Progettazione sismica delle strutture per costruzioni sostenibili” a.a 2019/2020
La maggior parte del patrimonio autostradale italiano è stato realizzato nel secolo scorso e pertanto risulta prossimo alla sua fine vita utile. Nel corso degli anni, inoltre, si è registrato un progressivo mutamento del quadro normativo di riferimento per la progettazione e la verifica dei ponti e viadotti stradali a cui è corrisposto un incremento della capacità richiesta a tali strutture di resistere alle sollecitazioni di progetto, tra cui in particolare all’azione sismica ed ai carichi da traffico.
In data 17/04/2020, il CSLLPP ha emanato le Linee Guida per la classificazione e gestione del rischio, la valutazione della sicurezza ed il monitoraggio dei ponti esistenti, le quali definiscono una procedura per la gestione della sicurezza dei ponti esistenti, ai fini di prevenire livelli inadeguati di danno. Suddette Linee Guida adottano un approccio multilivello, basato su diversi rischi quale quello Strutturale e Fondazionale, Sismico ed Idrogeologico (Frane e Idraulico), ciascuno dei quali caratterizzato in termini di pericolosità, vulnerabilità ed esposizione.
Nel caso di opere caratterizzate da specifiche criticità, si raccomanda in particolare l’adozione di un opportuno sistema di monitoraggio periodico o continuo al fine di verifiche lo stato di conservazione della medesima ed il mantenimento di opportuni livelli di sicurezza.
Vista 3D modello agli elementi finiti ponte
Nel presente lavoro, è stato implementato un modello agli elementi finiti rappresentativo di un’opera afferente all’autostrada A25 e caratterizzata dalla presenza di due pile in alveo, al fine di valutare la possibilità di impiegare sistemi di monitoraggio basati sul rilievo delle caratteristiche dinamiche della struttura per verificare la presenza e/o l’evoluzione di fenomeni erosivi.
Lo studio consta di tre fasi principali, di cui la prima concernente la validazione della schematizzazione dell’opera, con particolare riferimento all’interazione terreno/struttura. Successivamente sono state effettuate simulazioni di diversi scenari di scalzamento (presenza di erosione uniforme in corrispondenza di entrambe le pile e in maniera alternativa su una sola di esse) testando alcuni metodi presenti in letteratura, basati sul rilievo ed eventuali variazioni delle deformate modali (Modular Assurance Criterion – MAC), delle frequenze (Errore medio sulle frequenze) e delle curvature delle forme modali (Curvature Damage Factor – CDF).
Infine, con riferimento ad uno dei tre scenari precedentemente descritti, relativo alla presenza di fenomeni erosivi in corrispondenza della sola pila 4, si sono valutati gli effetti dei medesimi sulla vulnerabilità sismica dell’opera in termini di incremento degli spostamenti in direzione longitudinale e delle sollecitazioni su tutte le pile del ponte e sui pali di fondazione della pila affetta da escavazione.
I risultati hanno confermato l’efficacia dei possibili metodi di monitoraggio esaminati, evidenziando nel contempo alcuni limiti di applicabilità o quanto meno alcuni aspetti meritevoli di approfondimento. In particolare, la scelta di opportune soglie di pre-allerta, richiede studi dettagliati degli effetti dovuti alla presenza di fenomeni di erosione associati alle peculiarità dell’opera in esame, alla presenza di altri difettosità significative che ne possano modificare il comportamento strutturale nonché in funzione delle diverse combinazioni di carico agenti nel corso della sua vita utile
FOR INTERNATIONAL STUDENTS:
Most of the Italian road network was built in the last century and is therefore close to the end of its service life. In the last decades there has been a progressive change in bridge design requirements increasing the capacity demand to respond adequately to the design load actions, with particular attention to seismic and traffic loads.
On 17/04/2020, the CSLLPP issued the Guidelines for Classification and Risk Management, Safety Assessment and Monitoring of Existing Bridges, which define a procedure for the inspection and verification of existing bridges, in order to prevent inappropriate levels of damage. These Guidelines adopt a multi-level approach, based on different risks such as Structural and Foundational, Seismic and Hydrogeological (Landslides and Hydraulic) that are characterized in terms of danger, vulnerability and exposure.
The aforementioned document reports specific critical features, for which it is recommended the installation of an appropriate monitoring system (periodic or continuous) to check the current status of the structure and its single elements.
In the present work, a Finite Elements Model representative of a real bridge belonging to the highway A25 and characterized by the presence of two piers located in the riverbed, has been implemented to evaluate the effectiveness of monitoring systems based on the survey of the dynamic characteristics of the structure to verify the presence and/or evolution of erosive phenomena.
The study consists of three main phases, the first of which concerns the validation of the model assumptions, with particular reference to the soil/structure interaction. Subsequently, different scenarios of scour depth have been taken into account (presence of scour at both piers and alternatively on only one of them) testing some evaluation methods described in literature, based on the changes of the mode shapes (Modular Assurance Criterion – MAC), natural frequencies (Average error on frequencies) and curvatures of the modal shapes (Curvature Damage Factor – CDF).
Finally, with reference to one of the three scenarios described above, relating to the presence of erosive phenomena at pier 4 only, the effects on the bridge seismic vulnerability have been evaluated in terms of increasing of the displacements in the longitudinal direction and of the stresses on all piers and on the piles foundation of the pier 4 affected by scour.
The results confirmed the effectiveness of such methods, although some applicability limits have been highlighted or at least some aspects worthy of further study. In particular, the choice of appropriate pre-alert thresholds requires detailed studies of the effects due to the presence of erosion phenomena associated with the peculiarities of the bridge in question. It should also be taken into account the presence of other significant defects which may alter the structural behaviour under the action of various load combinations during its service life.
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