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Robustezza strutturale di ponti e viadotti
Franco Bontempi Professore Ordinario di Tecnica delle Costruzioni
Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI ROMA LA SAPIENZA
Via Eudossiana 18 - 00184 Roma - ITALIA
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Parte I: Robustezza strutturale «in senso ristretto»
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OBJECT
NET
Structural System
Infrastructural System
USE
SAFETY
INTEGRITY
f(D)
D
Mean Frequent
Maximum Rare
Accidental Exceptional
Bla
ck S
wan
Eve
nts
Service Limit States
Ultimate Limit States
Integrity Limit States
Performance, Safety and Integrity Levels
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STRUCTURAL INTEGRITY
• Structural integrity is the ability of an item—either a structural component or a structure consisting of many components—to hold together under a load, including its own weight, without breaking or deforming excessively.
• It assures that the construction will perform its designed function during reasonable use, for as long as its intended life span.
• Items are constructed with structural integrity to prevent catastrophic failure, which can result in injuries, severe damage, death, and/or monetary losses.
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Synonym: Damage Tolerance
• Property of a structure relating to its ability to sustain defects safely until repair can be effected.
• The approach to engineering design to account for damage tolerance is based on the assumption that flaws can exist in any structure and such flaws propagate with usage.
• In engineering, structure is considered to be damage tolerant if a maintenance program has been implemented that will result in the detection and repair of accidental damage, corrosion and fatigue cracking before such damage reduces the residual strength of the structure below an acceptable limit.
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Synonym: Graceful Degradation
• Ability of a computer, machine, electronic system or network to maintain limited functionality even when a large portion of it has been destroyed or rendered inoperative. The purpose of graceful degradation is to prevent catastrophic failure.
• Ideally, even the simultaneous loss of multiple components does not cause downtime in a system with this feature.
• In graceful degradation, the operating efficiency or speed declines gradually as an increasing number of components fail.
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STRUCTURAL ROBUSTNESS
• Capacity of a structure (structural system) to show regular decrease of its structural quality (integrity) due to negative causes.
• It implies:
a) some smoothness of the decrease of structural performance due to negative events
(intensive feature);
a) some limited spatial spread of the ruptures
(extensive feature).
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Structural Robustness: Intensity Feature
ATTRIBUTES
RELIABILITY
AVAILABILITY
SAFETY
MAINTAINABILITY
INTEGRITY
SECURITY
FAILURE
ERROR
FAULT
permanent interruption of a system ability
to perform a required function
under specified operating conditions
the system is in an incorrect state:
it may or may not cause failure
it is a defect and represents a
potential cause of error, active or dormant
THREATS
NEGATIVE CAUSE
ST
RU
CT
UR
AL
QU
AL
ITY
less robust
more robust
Nominal configuration
Dam
aged
co
nfi
gura
tio
n
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“IMPLOSION” OF THE
STRUCTURE
“EXPLOSION” OF THE
STRUCTURE
is a process in which
objects are destroyed by
collapsing on themselves
is a process
NOT CONFINED
STRUCTURE & LOADS
Collapse Mechanism
NO SWAY
SWAY
Bad vs Good Collapse: Extensive Feature
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Usu
al
UL
S &
SL
S
Veri
fica
tio
n F
orm
at
Structural Robustness
Assessment
1st level:
Material
Point
2nd level:
Element
Section
3rd level:
Structural
Element
4th level:
Structural
System
Level of Structural Failures
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DESIGN STRATEGY #1: CONTINUITY
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Nipigon River Bridge
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New Haengju Bridge
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DESIGN STRATEGY #2: SEGMENTATION
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Es.
Es.
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CASCADE EFFECT / CHAIN REACTION
• A cascade effect is an inevitable and sometimes unforeseen chain of events due to an act affecting a system.
• In biology, the term cascade refers to a process that, once started, proceeds stepwise to its full, seemingly inevitable, conclusion.
• A chain reaction is the cumulative effect produced when one event sets off a chain of similar events.
• It typically refers to a linked sequence of events where the time between successive events is relatively small.
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effect
time
decomposability
course predictability
Runaway: Progressive Collapse
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Pan
cake
Typ
e C
olla
pse
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Do
min
o L
ike
Co
llap
se
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Tauern Superhighway Bridge, Austria 1975
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Zip
pin
g Li
ke C
olla
pse
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Long span suspension bridges
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Progressive collapse
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2002
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1997
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Threat from continuity
https://www.tuhh.de/sdb/starossek/Veroeffentlichungen/Dateien/Progressive%20collapse%20of%20bridges%20(Uwe%20Starossek).pdf
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Need of discontinuity
The collision of Esso Maracaibo
https://www.venezuelatuya.com/occidente/puente
rafaelurdanetaeng.htm
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http://www.aukevisser.nl/others/id1337.htm
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Parte II: Robustezza strutturale «in senso generale»
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DESIGN AS DECISION AND SYNTHESIS
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Evolutive vs Innovative Design (1)
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Evolutive vs Innovative Design (2)
Il principio di precauzione si applica non a pericoli già identificati, ma a
pericoli potenziali, di cui non si ha ancora conoscenza certa.
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design clima 1
DESIGN AS FORESIGHT
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2
RESILIENCE
Time Horizon for a Structure
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HPLC High Probability
Low Consequences
LPHC Low Probability
High Consequences
release of energy SMALL LARGE
numbers of breakdown SMALL LARGE
people involved FEW MANY
nonlinearity WEAK STRONG
interactions WEAK STRONG
uncertainty WEAK STRONG
decomposability HIGH LOW
course predictability HIGH LOW
HPLC – LPHC events
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Es.
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100%
Time
% o
f fa
ilure
Unknown phenomena
Known phenomena
Research level Design code level
past present future
A
B B B
C
Hu
man
err
ors
CAUSES OF SYSTEM FAILURE
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3
Scuola Jovine di San Giuliano di Puglia
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Eccesso di Norme Tecniche • «Ma un numero di regole eccessivo comporta vari degli inconvenienti
dianzi citati e in particolare:
- l'impoverimento dell'autonomia e della creatività, in quanto l'opera del progettista è irretita dalle norme;
- la difficoltà di discernere ciò che veramente conta;
- la sensazione di avere, al riparo delle norme, responsabilità assai alleviate;
- la difficoltà non infrequente di rendersi conto dei ragionamenti che giustificano certe regole, rischiando di considerare queste alla stregua di algoritmi, ossia di schemi operativi che, una volta appresi, il pensiero non è più chiamato a giustificare.» - Proliferazione delle normative e tecnicismo. Ultima lezione ufficiale del corso di Tecnica delle costruzioni tenuta dal prof. Piero Pozzati
- nell'a.a. 1991-'92, presso la Facoltà di Ingegneria dell'Università di Bologna (3 giugno 1992).
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DESIGN AS CHOICE OF STRUCTURAL SYSTEM
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4
Es.
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MAIN
STRUCTURAL
SYSTEM
AUXILIARY
STRUCTURAL
SYSTEM
SECONDARY
STRUCTURAL
SYSTEM
SPECIAL
DECK ZONES
BRIDGE
DECK
HIGHWAY SYSTEM
RAILWAY SYSTEM
OPERATION
MAINTENANCE
EMERGENCY
FOUNDATION OF TOWERS
TOWERS
ANCHORAGESSUPPORTING
CONDITION
HIGHWAY BOX-GIRDER
CROSS BOX-GIRDER
RAILWAY BOX-GIRDER
INNER
OUTER
BRIDGE
SUPERSTRUCTURE
MACRO-LEVELS
MESO-LEVELS
MAIN CABLES
HANGERS
SUSPENSION
SYSTEM
SADDLES
Safety levels for increasing Earthquake magnitude
never
may be
accepttable
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Es.
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1
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2
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The fixed bearing assemblies were located at piers 1, 3, 7, 9, 12, and 13. Expansion (sliding) bearings were used at the south and north abutments and at piers 2, 4, 10, and 11.
Expansion roller bearings were used at piers 5, 6, and 8.
+
Bridge Scheme (as designed)
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-
Bridge Scheme (as actual)
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There are 323 sensors that regularly measure bridge conditions
such as deck movement, stress, and temperature
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htt
p:/
/ww
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rib
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-35
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g/2
68
74
65
61
/
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GENERAL FAILURE MODEL
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Swiss Cheese Model for Failure
HAZARD
IN-D
EPTH
DEFE
NCE
HOLES DUE TO
ACTIVE ERRORS
HOLES DUE TO
HIDDEN ERRORS
DESIGN CLIMA
CONCEPTUAL DESIGN
DRAWINGS
CALCULATION
MATERIALS/COMPONENTS
CONSTRUCTION
USE
ACCIDENTS / EXCEPTIONS
MAINTENANCE
MONITORING
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CONCLUSIONI 1. Solo l’esame e la valutazione di tutta la catena logica che può
portare alla crisi strutturale permette consapevolmente di assumere decisioni e assunzioni di responsabilità.
2. Considerare uno solo dei passi precedenti (ad es. il monitoraggio, per quanto anche di moda oggigiorno – ovvero aumentare il corpus normativo) è parziale, fallace e foriero di errori di valutazione.
3. E’ da considerare che non esistono automatismi per arrivare a un giudizio nell’ingegneria.
4. E’ necessario chiedersi chi alla fine è il decisore, ovvero chi si assume la responsabilità civile e penale, quanta autorità è necessaria per decidere e quanta ne ha il singolo in effetti a disposizione.
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Es.: genetics
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https://en.wikipedia.org/wiki/Alm%C3%B6_Bridge
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The Almö Bridge (inaugurated in 1960), that connected the island of Tjörn (Sweden's 7th largest island) to the mainland. The bridge collapsed January 18th 1980, when the bulk carrier MS Star Clipper struck the bridge arch. Eight people died that night as they drove over the edge until the road on the Tjörn side was closed 40 minutes after the accident. A new cable-stayed bridge, Tjörn Bridge, was built and inaugurated in 1981.
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RESILIENCERESILIENCE
CO
NST
RU
CTI
ON
S NEW
EXISTING
COLLAPSED
“As Designed”
“As Built”
“As Actual”
“As Failed”
As …
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design clima
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A Black Swan is an event with the following three attributes.
1. First, it is an outlier, as it lies outside the realm of regular expectations, because nothing in
the past can convincingly point to its possibility.
Rarity -The event is a surprise (to the observer).
2. Second, it carries an extreme 'impact'.
Extreme “impact” - the event has a major effect.
3. Third, in spite of its outlier status, human nature makes us concoct explanations for its
occurrence after the fact, making it explainable and predictable.
Retrospective (though not prospective) predictability - After the first
recorded instance of the event, it is rationalized by hindsight, as if it could have been
expected; that is, the relevant data were available but unaccounted for in risk mitigation
programs. The same is true for the personal perception by individuals.
References: Taleb, Nassim Nicholas (April 2007). The Black Swan: The Impact of the Highly Improbable (1st ed.). London: Penguin. p. 400.
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Black Swan Events
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NTC 2018
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Main Characteristics of a Structure
Micro-level: local size of the sections,
i.e. thickness, area, inertia, … (Detailed
Geometry)
Meso-level: form of the structural
element or structural part (substructure), i.e. main
longitudinal axis, curvature, profile, … (Global Geometry)
Macro-level: connections of the
different structural parts (Load Path)
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2002
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CONCLUSION / CONCLUSIONI
1. Robustness
2. Design
3. Structural System
4. Failures
5. Analysis
6. Responsability
• La robustezza garantisce la sopravvivenza della struttura agli eventi e anche agli errori umani.
• Attenzione al clima e al contesto in cui si è sviluppata la progettazione. La concezione strutturale da i geni alla struttura.
• Attenzione all’organizzazione come sistema della struttura: quali sono le parti più importanti, quelle critiche, elementi secondari ma che possono creare danno.
• Le crisi strutturali sono conseguenza dell’allineamento di diverse debolezze, da quelle nella concezione, quelle nel calcolo e nel disegno, quelle realizzative, quelle legate all’uso e all’intervento di eventi accidentali / eccezionali, fino alla mancata manutenzione e al monitoraggio inidoneo. L’elefantiasi delle norme è foriera di crisi.
• L’analisi è un processo strutturato esplorativo, in cui è essenziale valutare la sensibilità della risposta strutturale e la sua delimitazione. In particolare, i procedimenti dell’ingegneria forense sono essenziali.
• Solo la valutazione di tutta la catena logica permette consapevolmente di assumere decisioni e assunzioni di responsabilità. Considerare uno solo dei passi precedenti (ad es. il monitoraggio) è fallace e foriero di errori di valutazione.
• E’ necessario chiedersi chi alla fine è il decisore, chi si assume la responsabilità civile e penale, quanta autorità è necessaria per decidere.
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97 FB - 18/12/2018
https://www.youtube.com/channel/UCW3IyXTBJVIiS6OZeSdIN7g
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https://fr.linkedin.com/in/francobontempi FB - 18/12/2018 99
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Robustezza strutturale di ponti e viadotti
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