Modelli di analisi strutturale

Convegno Infrastructura
L’innovazione nelle infrastrutture di trasporto
II Sessione - Progettazione e realizzazione
Torino, 10 marzo 2005
Materiali e tecnologie
prof. Ezio Santagata
Politecnico di Torino
Introduzione
• Rapporto tra tecnologia ed innovazione
• Forte dipendenza dal contesto
• Ruolo della tradizione nel settore delle costruzioni civili
• Atteggiamento conservativo dei progettisti e costruttori di infrastrutture
• Quesiti da porre con specifico riferimento al settore delle infrastrutture
• Esiste una reale necessità di innovazioni?
• Quando si può davvero parlare di innovazione?
• Esiste un sistema che spinge in questa direzione?
La necessità dell’innovazione
“Introdurre nella pratica progettuale e costruttiva delle novità che
determinino vantaggi tecnici e/o economici”
• Materiali da impiegare
• Sistemi di classificazione e selezione
• Tecniche di messa in opera
• Metodologie di controllo
• Richiesta di prestazioni sempre più elevate
• Cultura ingegneristica sempre più basata sulla modellazione e
sull’applicazione di principi di base di tipo scientifico
• Necessità delle Imprese di fornire un valore aggiunto cui
corrisponde un riconoscimento economico ed una maggiore
possibilità di operare
Norme Tecniche in cui si richiedono
PRESTAZIONI e non semplicemente il
rispetto di PRESCRIZIONI
Il processo di innovazione
• Origine: applicazione di studi e/o sperimentazione “ingenua”
• Processo:
pensiero laterale
pensiero verticale
Il processo di innovazione
• Pensiero verticale
Approfondimento della comprensione dei fenomeni secondo una logica
sequenziale
Ottimizzazione delle prestazioni
• Pensiero laterale
Utilizzazione di una logica diversa da quella di ordinaria analisi dei
problemi
Innovazioni davvero “rivoluzionarie”
Il processo di innovazione
• Un esempio tratto dalla storia passata delle pavimentazioni
pensiero laterale
I conglomerati bituminosi drenanti
pensiero diagonale?
Le sovrastrutture semi-rigide
pensiero verticale
I soggetti innovatori
• Università
• Imprese
• Società
• Enti gestori
Per creare innovazione serve un’idea
Per creare innovazione serve un sistema che traduca l’idea in realtà
ITALIA:
- Iniziative di sistema (cooperazione tra soggetti innovatori)
- Attualmente vi è una ridotta capacità brevettuale
Aree di innovazione
- Caratteristiche strutturali
SOVRASTRUTTURE
- Caratteristiche funzionali
PROGETTO E COSTRUZIONE
AREE DI INNOVAZIONE
- Durabilità strutturale
- Modelli di analisi (razionali
e/o empirici)
- Sicurezza
e comfort di guida
- Metodi di valutazione delle
prestazioni (razionali
e/o empirici)
- Minimizzazione
del rumore
- Tecniche costruttive (mezzi
e procedure)
- Ottimizzazione
dell’impiego delle risorse
- Strumenti per il controllo
delle prestazioni
per la
della
- Minimizzazione
deiecosti
e pianificazione
tempi di manutenzione
manutenzione (sperimentali e di calcolo)
Modelli di analisi strutturale e funzionale
ELEMENTI CARATTERISTICI:
- Schematizzazione della sovrastruttura
- Interazione veicolo-sovrastruttura
- Modelli costitutivi dei materiali
Modelli di analisi strutturale
SCHEMATIZZAZIONE DELLA SOVRASTRUTTURA
- Multistrato continuo
- Sistema discreto (FEM)
- Discrete Element Method (DEM)
L
Modelli di analisi funzionale
SCHEMATIZZAZIONE DELLA PAVIMENTAZIONE
- Tessitura (micro, macro e mega)
- Irregolarità (onde corte, medie e lunghe)
Lunghezza
d’onda
Ampiezza
MICROTESSITURA
0 – 0,5 mm
0 – 0,2 mm
MACROTESSITURA
0,5 – 50 mm
0,2 – 10 mm
MEGATESSITURA
50 – 500 mm
1 – 50 mm
ONDE CORTE
0,5 – 5 m
1 – 20 m
ONDE MEDIE
5 – 15 m
5 – 50 m
ONDE LUNGHE
15- 50 m
10 – 200 m
DOMINIO
TESSITURA
IRREGOLARITA’
Modelli di analisi strutturale e funzionale
ELEMENTI CARATTERISTICI:
- Schematizzazione della pavimentazione
- Interazione veicolo-pavimentazione
- Modelli costitutivi dei materiali
Modelli di analisi strutturale
INTERAZIONE VEICOLO-PAVIMENTAZIONE
- Tensioni verticali e tangenziali
(carico per asse, pressioni di gonfiaggio e coefficiente di aderenza)
80 kN
40 kN
pG = 700 kPa
a = 13,5 cm
40 kN
0
-200
-400
-600
-800
-1000
-1200
-1400
-1600
-1800
-2000
-2200
-2400
-2600
-2800
-3000
-3200
-3400
-3600
θ)
Primo invariante (θ
σ )
Tensione deviatorica (σ
2 00 0
1 90 0
1 80 0
1 70 0
1 60 0
1 50 0
1 40 0
1 30 0
1 20 0
1 10 0
1 00 0
90 0
80 0
70 0
60 0
50 0
40 0
30 0
20 0
10 0
0
Modelli di analisi strutturale
INTERAZIONE VEICOLO-PAVIMENTAZIONE
- Simulazione numerica degli effetti dinamici dovuti alla irregolarità
1,5E- 06
1,4E- 06
Danno
1,3E- 06
1,2E- 06
1,1E- 06
1,0E- 06
9,0E- 07
8,0E- 07
0
10
20
30
Pr ogr essi ve[ m]
40
50
L
Modelli di analisi strutturale e funzionale
ELEMENTI CARATTERISTICI:
- Schematizzazione della pavimentazione
- Interazione veicolo-pavimentazione
- Modelli costitutivi dei materiali
Modelli di analisi strutturale
MODELLI COSTITUTIVI DEI MATERIALI
- Terreni di sottofondo e materiali granulari non legati:
- Prove triassiali dinamiche CCP e VCP
Modelli di analisi strutturale
MODELLI COSTITUTIVI DEI MATERIALI
- Conglomerati bituminosi:
+
L
L
Modelli di analisi strutturale
MODELLI COSTITUTIVI DI MATERIALI INNOVATIVI
- Materiali di recupero e di riciclaggio:
- Necessità di verificare preliminarmente la compatibilità ambientale
- Approccio razionale alla caratterizzazione
- Necessità di sviluppare apparecchiature e procedure
Laboratorio
Sperimentale di Materiali
Innovativi e di Recupero
per le Infrastrutture
dell’Ingegneria Civile
Sustainable development, global
change and ecosystems
L
Modelli di analisi strutturale
MODELLI COSTITUTIVI DI MATERIALI INNOVATIVI
- Materiali di recupero e di riciclaggio:
- Riciclaggio a freddo dei conglomerati bituminosi
Emulsione ESSO
In situ
6000
0 ,4 0
RTI= ,1 3
0 M V- 2 ,4
2
R = 0 ,7 2
0 ,3 0
T I = 0 ,4 1 M V- 0 ,6 1
R
0 ,2 5
2
R = 0 ,4 5
0 ,2 0
2 ,0 0 0
2 ,0 5 0
2 ,1 0 0
2 , 1 05
2 , 20 0
II
2 ,2 5 0
MV e s ,f in a el (g /cm 3 )
IL
Modulo elastico E [MPa]
2
RTI (N/mm
)
Po itl ce n ic o - p ro v e a 2 0 C
¡
Au to s tr a d
e - p r vo e a 2 5 ¡C
0 ,3 5
IM
5000
IN
Valori medi
Elaborazione statistica
4000
α
3000
α = dE/d(logt)
tanα
2000
Einiziale
1000
1
10
100
Giorni di maturazione
1000
Metodi per la valutazione delle prestazioni
METODI EMPIRICI ED EMPIRICO-RAZIONALI
- Dissesti caratteristici
- Correlazioni tra caratteristiche della sovrastruttura e dissesti
- Correlazioni tra parametri di risposta (razionale) e dissesti
ε,σ
σ = f(Nf)
AASHO Road Test (1958-60)
PSI = f(N, SN)
Shell approach (1962)
Metodi per la valutazione delle prestazioni
METODI EMPIRICO-RAZIONALI
- Definizione delle condizioni limite (prove e modelli)
Hollow-cylinder tensile test
Modello elasto-visco-plastico
Metodi per la valutazione delle prestazioni
METODI EMPIRICO-RAZIONALI
- Definizione delle condizioni limite (prove e modelli)
Metodi per la valutazione delle prestazioni
METODI EMPIRICO-RAZIONALI
- Validazione attraverso:
- LONG TERM PAVEMENT PERFORMANCE (LTPP) STUDIES
- ACCELERATED LOADING TESTING (ALT)
- SMART ROADS
Smart Road Equipment
LTPP testing
ALT
Metodi per la valutazione delle prestazioni
General Pavement Studies (GPS)
LONG TERM PAVEMENT PERFORMANCE (LTPP) STUDIES
Approximately 800 sections
7.
Metodi per la valutazione delle prestazioni
FULL SCALE / ACCELERATED LOAD TESTING (ALT)
FHWA’s ALF (USA)
CAPTIF (NZ)
Mn / Road
NCAT Track (USA)
Metodi per la valutazione delle prestazioni
SMART ROADS (The Virginia Smart Road)
Trucktesting
testing
Truck
FWD testing
GPR testing
GPR testing
FWD testing
L
Metodi per la valutazione delle prestazioni
SMART ROADS (The Virginia Smart Road)
HMA strain gauges
Aggregate dynamic
strain gauges
Vibrating wire static
strain gauges
Pressure cells
TDR probes
Thermocouples
L
L
Costruzione
MEZZI E PROCEDURE
- Automazione ed informatizzazione dei mezzi d’opera
Design office
Digital 3D model
of the project
Ground station
Quality
control office
Instruction
data
As-built
data
Shared
data base
On-board
equipment
Localisation
sub-system
L
Costruzione
MEZZI E PROCEDURE
- Automazione ed informatizzazione dei mezzi d’opera
Reference
point 3
End point of simple curve
Å
Start point of simple curve
End point of clothoid curve
Å
Pitch
Width
Å
Longitudinal
Start point gradient Transverse gradient
Å
of clothoid
Longitudinal
point
Installation
position 2
Control
deviceÅ
gradient
unit
Å PCÅ communication
changing
Planning data files
Reflector
tracking
for
Automatic
station
auto-
Ground station
communication
device)
tracking
total
(PC,
Installation
position 1
Reference
point 2
300m
Reference
point 1
L
Costruzione
MEZZI E PROCEDURE
- Automazione ed informatizzazione dei mezzi d’opera
Information
line
Pass counter done/ due
Environment map
Mission area
Own machine
Other machine
Performed work
Vibration
indicator
Speed Gauge
current/planne
d
Compass
Clock
Costruzione
MEZZI E PROCEDURE
- Automazione ed informatizzazione dei mezzi d’opera
L
Costruzione
MEZZI E PROCEDURE
- Impianti per materiali innovativi (riciclaggio a freddo)
Controllo e manutenzione
TECNICHE DI MISURA
- Distruttive e non distruttive; a basso e alto rendimento
TECNICHE E MATERIALI PER LA MANUTENZIONE
- Adeguamento strutturale e/o funzionale (tailored maintenance)
- Impiego di materiali di recupero
- Minimizzazione dei disagi agli utenti
VALUTAZIONE COSTI/BENEFICI
PIANI DI MANUTENZIONE PROGRAMMATA (PMS)
Controllo e manutenzione
TECNICHE DI MISURA
SCRIM
Profilometro laser
Deflettografo Lacroix
Profilometro
Controllo e manutenzione
TECNICHE E MATERIALI PER LA MANUTENZIONE
COST 343
Reduction in Road Closures by
Improved Pavement Maintenance
Procedures
Obiettivo principale:
Achieve an appropriate balance in European practice between engineeringfocused pavement maintenance and user costs, delays and safety hazards.
21 COST Countries – 4 years, to April 2003
Controllo e manutenzione
TECNICHE E MATERIALI PER LA MANUTENZIONE
Politecnico di Torino
Progetto QUICK-Trenching
Obiettivi principali:
Mettere a punto le tecniche di mix design dei materiali impiegati per il
riempimento e la sigillatura di scavi per sottoservizi.
Minimizzare i danni indotti sulle pavimentazioni.
L
Conclusioni
STRUMENTI PER L’INNOVAZIONE
- Integrazione con settori di ricerca complementari
- Approccio integrato all’analisi strutturale e funzionale
- Rapporto veicolo-infrastruttura
- Utilizzo di metodi di simulazione numerica
- Sviluppo di modelli costitutivi dei materiali
- Smart Roads e Accelerated Loading Facilities (ALT)
- Automazione ed informatizzazione dei mezzi d’opera
- Sviluppo di tecniche di manutenzione a basso impatto