Università degli Studi Roma Tre

Dipartimento di Ingegneria

Corso di Laurea in Ingegneria Civile per la Protezione dai Rischi Naturali

RELAZIONE DI FINE TIROCINIO

“Definizione delle caratteristiche geometriche di un

modellino di ponte integrale per la simulazione su

tavola vibrante”

Candidato: Tutor

Universitario: Tutor

Aziendale:

Georgia De Benedetti

Matricola: 461721

Prof. Camillo Nuti Flavia De Luca

Anno Accademico 2017/2018

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Sommario

1 Introduzione e Obiettivi ............................................................................................................................................. 4

2 Ponti Integrali............................................................................................................................................................. 4

3 Caratteristiche Laboratorio Ospitante ....................................................................................................................... 6

3.1 Tavola Vibrante ................................................................................................................................................. 6

3.2 Scatola di taglio ................................................................................................................................................. 7

4 Definizione delle caratteristiche del modellino ....................................................................................................... 10

4.1 Spessore della spalla ....................................................................................................................................... 10

4.1.1 Verifica di deformazione minima ........................................................................................................... 11

4.2 Spessore dell’impalcato .................................................................................................................................. 12

4.2.1 Configurazione dell’impalcato ................................................................................................................ 13

4.3 Fondazione su pali ........................................................................................................................................... 15

4.3.1 Connessione del palo alla base ............................................................................................................... 16

5 Strumentazione........................................................................................................................................................ 18

5.1 Accelerometri .................................................................................................................................................. 18

5.2 Estensimetro ................................................................................................................................................... 19

5.2.1 Come applicare l’estensimetro ............................................................................................................... 20

5.3 Trasduttori di spostamento ............................................................................................................................. 21

6 Conclusioni ............................................................................................................................................................... 23

3

Indice delle Figure Figure 1: Pile da ponte tradizionale soggette all'azione di sali disgelanti provenienti dal piano stradale _____________ 5 Figure 2: Danneggiamento in corrispondenza di un appoggio ______________________________________________ 5 Figure 3: Pianta, sezione e foto della tavola vibrante _____________________________________________________ 7 Figure 4: Pianta e Sezione della scatola di taglio _________________________________________________________ 7 Figure 5: A)Pulizia del basamento della scatola di taglio B) Sostituzione della base di compensato C) Pulizia della parte

interna della scatola _______________________________________________________________________________ 8 Figure 6: A) Fissaggio della scatola alla base B) Stesura del grasso sulle lamine in alluminio C) Inserimento della

membrana in lattex ________________________________________________________________________________ 8 Figure 7: A) Stesura della colla B) Posizionamento sabbia C) Applicazione dei cuscinetti tra la scatola e le travi laterali 9 Figure 8: Stato iniziale e finale della scatola di taglio _____________________________________________________ 9 Figure 9:Fase di preparazione e assemblaggio impalcato _________________________________________________ 14 Figure 10: Configurazione modellino del ponte integrale _________________________________________________ 14 Figure 11: Fotografia della fondazione ________________________________________________________________ 15 Figure 12: Pali in alluminio _________________________________________________________________________ 15 Figure 13: Dettaglio del collegamento di nylon inserito nei pali ____________________________________________ 15 Figure 14: Barre filettate inserite nei pali per realizzare la connessione con la fondazione _______________________ 16 Figure 15: Barre filettate ___________________________________________________________________________ 16 Figure 16:Connessione palo-pavimento con compensato _________________________________________________ 16 Figure 17: Disco in Plastica inserito nella connessione____________________________________________________ 16 Figure 18: Schiuma di Poliuretano ___________________________________________________________________ 16 Figure 19: Configurazione finale della connessione ______________________________________________________ 17 Figure 20: Strati di Compensato utilizzati per il collegamento con il pavimento _______________________________ 17 Figure 21: Accelerometri Triassiali ___________________________________________________________________ 18 Figure 22: Accelerometro fissato alla scatola di taglio ___________________________________________________ 19 Figure 23: Accelerometro fissato al footing ____________________________________________________________ 19 Figure 24: Accelerometro nella sabbia ________________________________________________________________ 19 Figure 25: Estensimetro in corrispondenza della spalla ___________________________________________________ 20 Figure 26: Estensimetri sul lato interno del muro _______________________________________________________ 20 Figure 27: Applicazione dell'estensimetro sul muro ______________________________________________________ 21 Figure 28: M-Bond200 Adesivo ______________________________________________________________________ 21 Figure 29: Posizionamento degli estensimetri __________________________________________________________ 21 Figure 30: Estensimetri sui pali ______________________________________________________________________ 21 Figure 31: Schema del trasduttore usato ______________________________________________________________ 21 Figure 32: Caratteristiche del traduttore usato _________________________________________________________ 22 Figure 33: Posizione dei trasduttori __________________________________________________________________ 22 Figure 34: Trasduttori orizzontali applicati sul muro _____________________________________________________ 22

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1 Introduzione e Obiettivi

Il presente tirocinio, di cui questa relazione vuole essere esplicativa, è stato svolto nell’Università di Bristol,

in Inghilterra per un periodo complessivo di due mesi.

Affine al lavoro di tesi, riguardante lo studio del comportamento sismico di un modellino di ponte integrale,

tale tirocinio si incentra sullo sviluppo di due punti principali: definizione delle caratteristiche geometriche

assunte dal modellino e identificazione della strumentazione più idonea per valutarne il comportamento.

Entrambi tali tematiche sono implicitamente legate agli strumenti utilizzati per svolgere le prove, tavola

vibrante e scatola di taglio, le cui caratteristiche sono state dunque studiate e approfondite.

A questo si aggiunge un necessario periodo di restauro della scatola di taglio, all’interno della quale il

modellino è alloggiato durante lo sviluppo dei tests.

Questo periodo di tirocinio è stato necessario al fine della preparazione e dello sviluppo della prove vere e

proprie su tavola vibrante, che verranno dettagliatamente approfondite nel lavoro di tesi da me svolto.

In particolare, tale tirocinio ha preso parte alle attività di ricerca per il progetto SERENA (Seismic Response

of Novel Integral Abutment Bridges) inquadrato all’interno del progetto SERA – Transnational Access del

programma della UE Horizon 2020, il quale prevede l’esecuzione di prove sperimentali su tavola vibrante al

fine di determinare la risposta dinamica dei ponti integrali. Con l'acronimo SERENA, intendiamo un

progetto internazionale, che comprende 5 paesi diversi, con i relativi esperti del settore:

• Lead User: Università Roma Tre (Italia): Camillo Nuti;

• Technische Universitӓt Kaiserslautern (Germania): Christos Vrettos;

• Universidad de Porto (Portogallo): Antònio Topa Gomes;

• Università di Lubiana (Slovenia): Tatjana Isaković;

• Università di Fuzhou (Cina): Bruno Briseghella.

I test su tavola vibrante sono stati effettuati nel laboratorio sismico dell'Università di Bristol, coordinato dal

Prof. Ing. George Mylonakis.

2 Ponti Integrali Negli ultimi anni, lo studio dei ponti integrali, ovverosia ponti sprovvisti di giunti di espansione e di appoggi

“tradizionali” (Burke, 2009), ha suscitato notevole interesse nel panorama internazionale, sia per le nuove

costruzioni sia per le esistenti (Briseghella, Zordan, & Siviero, 2005). La motivazione di tale attenzione

è legata agli enormi benefici progettuali ed economici, che si raggiungono introducendo queste tipologie

strutturali:

• forte riduzione dei costi di manutenzione e di progettazione, legata essenzialmente alla mancanza

stessa dei giunti di espansione e degli appoggi tradizionali. Una delle più frequenti cause di degrado

nei ponti tradizionali è l’utilizzo dei sali disgelanti che, trasportati dall’acqua, possono attraversare i

giunti e attaccare le travi e i dispositivi d’appoggio causandone un cattivo funzionamento;

• giunti del ponte soggetti ad usura continua a causa dei ripetuti carichi veicolari e dalle deformazioni

“lente” dell’impalcato;

• migliore livello di confort per gli utenti;

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• vita utile più lunga: le soluzioni di continuità, incrementano la durabilità e quindi la vita utile della

struttura, essendo impedito l’ingresso dell’acqua e dei prodotti antigelo dalle sezioni di

discontinuità strutturale;

• maggiore riserva di resistenza: l’iperstaticità dello schema statico assicura, in generale, una curva di

capacità della struttura del ponte correlata alla sua duttilità. Azioni sismiche superiori al previsto o

azioni non previste attingono a tale riserva di resistenza, che è di gran lunga maggiore di quella

associabile alla sottostrutture dei ponti realizzati con tipologia tradizionale.

• maggiore semplicità in fase costruttiva.

Figure 1: Pile da ponte tradizionale soggette all'azione di sali disgelanti provenienti dal piano stradale

Figure 2: Danneggiamento in corrispondenza di un appoggio

D’altra parte, il concetto dei ponti integrali non è nuovo nello scenario ingegneristico, tanto che le prime

applicazioni risalgono agli inizi degli anni ‘30 (Burke, 2009); in particolare, sono gli Stati Uniti a detenere

attualmente il numero più elevato di esperienze, oltre a vantare il possesso del primo ponte integrale,

nell’accezione più moderna del termine (WHite, 2007). Tuttavia, un numero consistente di questi esempi

può essere anche rintracciato nei territori europei di Germania, Svizzera, Regno Unito, Francia e

Lussemburgo e mondiali di Giappone, Australia e Cina (Collin, Veljkovic, & Petursson, 2006).

A tali numerosi esemplari non corrisponde una bibliografia adeguata, ne la presenza di linee guida o

normative attinenti (Isakovic, 2017). Questo, almeno in prima battuta, è attribuito al fatto che la continuità

tra impalcato, spalle e pile, richiede un’approfondita analisi dell’interazione terreno-struttura, che non si

sposa con le semplicità delle precedure utilizzate attualmente nella pratica (Gherardi, 2010). D’altra

parte, lo studio dell’interazione suolo-struttura è indispensabile per una corretta valutazione sia dell’azione

sismica che dei carichi di servizio; tra questi ultimi si focalizzi l’attenzione sulle escursioni termiche cicliche

del ponte, che portano un progressivo accumulo di pressioni della terra dietro le spalle, che possono

divenire pericolose se sommate alle azioni sismiche (Horvath, 2004).

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Tuttavia, se da una parte si rivela l'effettiva scarsità di approcci globali, dall’altra vi è un elevato numero di

articoli che trattano aspetti specifici e parziali dell'intero problema. Numerosi studi analitici e sperimentali

sono stati condotti sul comportamento degli IAB sotto gli effetti del carico termico (Dicleli, 2011),

riguardo l’interazione terreno-struttura (Kotsoglou & Pantazopoulu, 2009); altri riguardano più

specificatamente le peculiarità degli elementi strutturali che li compongono, come la massima lunghezza

consentita (Dicleli & Albhaisi, 2003) o le caratteristiche della soletta di approccio (Dreier, Burdet, &

Muttoni, 2010). A questi studi prettamenti analitici, si affianca un’altrettanto ricca documentazione legata

a studi sperimentali: monitoraggio della risposta di ponti reali nell’ambiente naturale (Khoidar &

Hassiotis, 2013).

Invece, le indagini sperimentali sull'interazione della struttura del suolo e il ruolo delle spalle in caso di

eccitazioni sismiche sono rari. Recentemente, è stata completata una ricerca congiunta con diverse

università statunitensi (UNR, UCSD, UCB) dedicate alla risposta sismica di ponti con spalle integrali. Sono

stati eseguiti una serie di test e simulazioni collaborative per valutare la loro risposta sismica, compresa

l'interazione suolo-struttura. A tale scopo, le strutture della rete George E. Brown, Jr. Network for

Earthquake Engineering Simulation (NEES) sono state impiegate per eseguire esperimenti su tavola

vibrante.

La breve panoramica sopra riportata mostra che c'è un significativo margine di miglioramento nella

modellazione di queste strutture, nell’ottica di elaborare modelli che catturino gli aspetti fisici fondamentali

e le caratteristiche di risposta dei ponti integrali, senza ricorrere a strumenti che non possono essere

utilizzati nella pratica per la progettazione. Uno degli scopi del progetto SERENA, la cui prima parte è

portata avanti dal tirocinio da me svolto, è approfondire ulteriormente lo studio di taluni parametri, al fine

ridurre l’incertezza epistemica che ancora è forte in alcuni campi.

3 Caratteristiche Laboratorio Ospitante

In questa sezione verranno descritti gli strumenti presenti nel laboratorio di Bristol, al fine di identificare le

prime dimensioni del nostro ponte. Infatti, in particolare le dimensioni della scatola di taglio, ovvero shear

stack, influenzano fortemente le caratteristiche del nostro modello, che deve essere inserito all'interno

della scatola. Quest’ultima sarà posizionata su una tavola vibrante, sollecitata da accelerogrammi

opportunamente selezionati, che simuleranno input sismici.

3.1 Tavola Vibrante

Numerosi esperimenti di diverse strutture di ingegneria civile sono stati eseguiti sulla tavola vibrante di

Bristol. Essa fornisce una preziosa fonte di dati sul comportamento dinamico, in condizioni limite

controllate e note, e fornisce quindi un utile strumento per la calibrazione di analisi numeriche.

Le dimensioni geometriche sono quelle di un quadrato di lato di 3 m; è in grado di sorreggere fino a 15

tonnellate e in grado di raggiungere livelli di accelerazione di 5g, grazie ad 8 attuatori idraulici che ne

permettono in movimento.

La tavola vibrante ha sei gradi di libertà, essendo in grado di muoversi sia verticalmente al suo asse che

orizzontalmente. Di seguito, vengono riportate pianta, sezioni e foto rappresentative della stessa:

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Figure 3: Pianta, sezione e foto della tavola vibrante

3.2 Scatola di taglio

Il modello del ponte integrale da identificare deve essere di dimensioni tali da essere contenuto nella shear

stack, presente nel Laboratorio dell'Università di Bristol, sia per ragioni fisiche, ma anche per ragioni

comportamentali, che verranno analizzate in seguito.

Le dimensioni della scatola di taglio sono 4800 mm di lunghezza, 997 mm di larghezza e 1200 mm di

altezza:

Figure 4: Pianta e Sezione della scatola di taglio

La shear stack lavora in plain strain, cioè in un solo piano, quello longitudinale, lo stato di deformazione non

è nullo; viceversa in tutte le altre direzioni è pari a zero. Questo è realizzato con il posizionamento di

distanziatori di gomma in corrispondenza del lato corto della scatola, che ne permettono la deformazione,

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alternato a tubi rettangolari in alluminio. Invece, il lato lungo della scatola presenta tubolari in alluminio

alternati con compensato.

La prima parte del tirocinio svolto ha necessitato un restauro della scatola di taglio, che ha impegnato circa

due settimane, durante le quali si è provveduto alla pulizia esterna ed interna della scatola, alla sostituzione

del compensato alla base della stessa e della membrana di lattex, all’applicazione della sabbia sulla base in

compensato e al riassemblaggio della scatola stessa. Questi passaggi sono brevemente riassunti con questa

documentazione fotografica:

Figure 5: A)Pulizia del basamento della scatola di taglio B) Sostituzione della base di compensato C) Pulizia della parte interna della

scatola

Figure 6: A) Fissaggio della scatola alla base B) Stesura del grasso sulle lamine in alluminio C) Inserimento della membrana in lattex

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Figure 7: A) Stesura della colla B) Posizionamento sabbia C) Applicazione dei cuscinetti tra la scatola e le travi laterali

Di seguito il confronto tra lo stato iniziale della scatola di taglio e lo stato finale a seguito del restauro effettuato:

Figure 8: Stato iniziale e finale della scatola di taglio

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4 Definizione delle caratteristiche del modellino

Note le misure della scatola del terreno, in cui il modello deve essere contenuto, sono state fissate le prime

dimensioni del modellino in termini di altezza e profondità.

In particolare, poiché l'altezza totale del shear stack è di 1200 mm, l'altezza del ponte sarà di 1000 mm, da

suddividere tra l’altezza della spalla e della fondazione, più lo spessore dell’impalcato, che verrà studiato in

seguito. Per l'altezza dei pali, è stato imposto un valore di 400 mm, mentre l'altezza totale della seconda

partea varierà con lo spessore della fondazione, che sarà deciso nei paragrafi seguenti. In totale, tuttavia, la

somma di queste altezze deve essere uguale a 600 mm. I restanti 200 mm dell'altezza del box del terreno

saranno occupati da una parte dell’impalcato e l'altro rimarrà vuoto.

La lunghezza totale della sovrastruttura è fissata a 1000 mm, mentre le dimensioni totali non devono

superare 1400 mm su un lato e l'altro, a partire dal centro. Questo perché nei 1000mm rimanenti nella

scatola potremmo essere influenzati dagli effetti di bordo, che inevitabilmente metterebbero a repentaglio

i risultati dell'esperimento. Per quanto riguarda la larghezza del ponte, non si estenderà per tutti i 997 mm

di scatola di taglio, ma 950 mm, al fine di evitare problemi di attrito con la scatola durante la simulazione

sismica. Ovviamente, per mantenere il terreno, che invece copre l'intera profondità della scatola, viene

posizionata una striscia di poliuretano, che si estende per 23,5 mm unendo il ponte con la scatola e ha uno

spessore di 5 mm.

Ciò che è stato fatto finora porta ad avere le dimensioni iniziali del modello del ponte, analizzando i limiti

fisici imposti dalla scatola di taglio. Questi possono essere considerati come i valori estremi delle lunghezze,

che possono variare durante lo studio affrontato.

Invece, il paragrafo seguente spiega le teorie utilizzate per valutare le dimensioni delle rimanenti incognite:

Spessore della spalla;

Spessore dell’impalcato.

4.1 Spessore della spalla

Per identificare lo spessore di una parete, che garantisce la flessibilità richiesta, è stato utilizzato l'approccio proposto da (Veletsos & Younan, 1997). Nel documento (Veletsos & Younan, 1997) lo schema statico utilizzato è una mensola, libera di ruotare in testa. Da ora si vuole sottolineare che questo schema statico non coincide con quello che verrà utilizzato per la spalla, essendo quest'ultima collegata all’impalcato in sommità e quindi non libera di ruotare in testa.

Lo schema statico proposto è il seguente:

Il parametro primario che governa la risposta dello schema è dw, relativa flessibilità del muro, definita da:

�� = �����

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Dove:

• G è il modulo di elasticità del terreno di riempimento, cioè 15 ∗ 10� �� ;

• H è l'altezza del suolo alla spalla, che è 0,6 m;

• �� è la rigidità alla flessione per unità di lunghezza del muro, data da: �� = �����12(1 − ��� )

• �� è il rapporto di Poisson per l’alluminio, che è 0,3;

• �� è lo spessore del muro ed è l'ignoto.

La lettera w indica il muro.

Dato che se �� > 5 il muro è flessibile, è stato impostato un valore di 15 e è stato trovato il valore dello

spessore cercato:

4.1.1 Verifica di deformazione minima

Successivamente, è stato verificato se lo spessore individuato fosse tale da consentire deformazioni in grado di poter essere misurate da strumenti (estensimetri) presenti in laboratorio. Il livello di

funzionamento più basso degli estensimetri è �� = 10��).

Il valore di deformazione corrispondente al nostro muro è stato trovato a partire dall'equazione costitutiva:

� = �� = � �

Esplicitando la deformazione e imponendo il valore di deformazione minima che gli strain gauges possono misurare, si ottiene:

�� = !��2�� = 6 !(1 − ��� ) �� ��� = 10��

Mettendo in evidenza lo spessore massimo consentito per la misurazione, viceversa la spalla sarebbe troppo rigida e non si deformerebbe, si ottiene:

��#�$ = %6 !(1 − ��� ) �� ∗ 10−5

Si osserva che il valore massimo dello spessore della parete, in modo che la strumentazione sia in grado di leggere le deformazioni, è maggiore del valore precedentemente trovato di 0,032 m. Quindi, la verifica è

Gsoil [kN/m2] 15000

Hw [m] 0,6

vw [-] 0,3

Ew [kN/m2] 69000000

dw [-] 15

twM [m] 0,032

Ew γw Hw σ A F Md twmax

kN/m2 kN/m3 m kN/m2 m2 kN kNm m

69000000 16,5 0,568 9,37 0,568 5,32 1,01 0,089305

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soddisfatta e lo spessore della parete del modello è di 32 mm. Di seguito la foto della spalla del modellino effettuata dopo l’assemblaggio:

4.2 Spessore dell’impalcato

Per valutare lo spessore dell’impalcato si è ragionato in termini di rigidezza rotazionale Kd; in particolare, quest’ultima è la rigidezza associata alla molla rotazionale in corrispondenza della testa della mensola, tesa a simulare il vincolo tra spalla e impalcato. Tramite la rigidezza, che dipende direttamente dallo spessore dell’implacato, è stato possibile valutare l’ultima incognita del nostro modellino.

Ciò è possibile grazie alla simmetria del sistema, che consente di studiare solo l'influenza di metà impalcato; si sono prese in considerazione due espressioni della rigidezza rotazionale a seconda dello schema statico utilizzato per descrivere il comportamento:

&! = �'() e &! = *'()

Si sono anche valutati gli spostamenti in corrispondenza della sommità della spalla nel caso in cui quest’ultima fosse schematizzata come una mensola (+,-) e nel caso in cui fosse schematizzata come una mensola con una molla in sommità (+,�).

+,- = .)/�0'(1 e +,� = .)/

�0'(1 − .)2�* 34('(15)34) )6

� '(1

Il valore di &! cambia al cambiare dello spessore dell’impalcato, che è l’incognita da trovare; quindi, il valore di td è stato iterato da 0,01 a 0,1 m, rilevando il valore &! corrispondente ogni volta. In questo modo, si sono trovati molti valori dello spostamento dello schema con la molla rotazionale, quanti sono i valori di &! e quindi di �!.

Invece, il carico q è stato calcolato con la formula geotecnica di Monobe Okabe, per il quale il valore totale della spinta statica e dinamica è pari a:

78' = 12 ∗ 9 ∗ (1 : &;) ∗ �� ∗ <�,'

Considerando un valore dell’accelerazione compreso tra 0,1g e 1g, la spinta trovata è la seguente:

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Noto il valore del carico corrispondente al valore di accelerazione pari a 0,3g, ritenuto accettabile per il caso in esame, si è proceduto valutando l’andamento del rapporto dei due spostamenti +,- > +,� al variare di �!. Il grafico seguente mette in mostra tre cambiamenti di pendenza in corrispondenza di tre valori dello spessore �!; in particolare, per un �! = 0,01? il comportamento dello schema è molto flessibile, mentre per valori vicini allo 0,05 m molto rigido. Si è quindi optato uno spessore dell’impalcato di �! = 0,03?, che descrive un comportamento intermedio.

4.2.1 Configurazione dell’impalcato

A questo punto l’impalcato del modello è una piastra di alluminio con dimensioni 1 x 0,95 x 0,03 m. Tuttavia, questa configurazione presenta sia incoerenze con la realtà costruttiva che i problemi futuri nella praticità del laboratorio. Nel primo caso, perché i ponti dei ponti reali sono costituiti da un complesso di travi e solai e non da un'unica piastra. Il secondo punto, invece, riguarda tutte quelle operazioni di assemblaggio del modello, del posizionamento degli strumenti, del monitoraggio e del controllo, che devono essere eseguite durante la prova e che non possono essere eseguite con la presenza di una singola piastra.

Sulla base di queste motivazioni, sono stati scelti tre diversi valori di larghezza della trave equivalente: 0,4 m, 0,2 m e 0,16 m. Il valore dello spessore del raggio è stato iterato fino a quando la differenza tra la rigidità delle due configurazioni fosse diventata inferiore a un valore definito in precedenza. Quest'ultimo è stato scelto pari allo 0,005%.

Si è scelto di cambiare il materiale da alluminio ad acciaio, viceversa per ottenere la rigidità desiderata avremmo raggiunto uno spessore troppo elevato e poco realistico. Si è deciso di impiegare Acciaio inossidabile grado 416, poiché ha una rigidità di circa 3 volte maggiore rispetto all'alluminio con lo stesso volume.

La configurazione scelta è stata quella con larghezza della trave equivalente pari a 0,4 m, poiché presentava uno scarto minore rispetto alle altre:

g kh=ah/g kv=av/g θk ka Pae[kN/m2]

0,1 0,010 0,007 0,010 0,206 11,937

0,2 0,020 0,014 0,021 0,212 12,002

0,3 0,031 0,020 0,031 0,219 12,070

0,4 0,041 0,027 0,042 0,226 12,141

0,5 0,051 0,034 0,053 0,234 12,215

0,6 0,061 0,041 0,064 0,242 12,291

0,7 0,071 0,048 0,075 0,250 12,371

0,8 0,082 0,054 0,086 0,258 12,454

0,9 0,092 0,061 0,097 0,267 12,540

1 0,102 0,068 0,109 0,276 12,631

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Si è deciso, quindi, di impiegare 4 travi in acciaio di larghezza di 10 cm l’una e con spessore di 3 cm. Di seguito, le foto che ne mostrano la realizzazione:

Figure 9:Fase di preparazione e assemblaggio impalcato

Alluminium Steel

Elastic modulus E [Mpa = N/mm2] 69000 210000

Width b [m] 0,95 0,400

Thickness h [m] 0,03 0,028

Inertial moment I [m4] 2,1375E-06 7,0889E-07

[kNm2] 0,00014749 0,0001489

[Nm2] 0,14749 0,14887

Stifness EI

Figure 10: Configurazione modellino del ponte integrale

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4.3 Fondazione su pali

Per la fondazione del modellino del ponte si sono scelte due lastre rettangolari in alluminio di dimensioni 950x200x32. Su di essi sono poste due file di pile con un passo trasversale di 300 mm e un passo longitudinale di 200 mm, come mostrato in figura:

Le pile scelte sono in alluminio, circolare e cavo, con un diametro di 22 mm, di lunghezza 400 mm:

Figure 12: Pali in alluminio

La connessione tra i pali e la fondazione è stata realizzata con barre filettate, avvitate in uno strato di nylon da 25 mm, inserite nel palo.

Figure 13: Dettaglio del collegamento di nylon inserito nei pali

Figure 11: Fotografia della

fondazione

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Figure 14: Barre filettate inserite nei pali per

realizzare la connessione con la fondazione

Figure 15: Barre filettate

4.3.1 Connessione del palo alla base

La struttura è ancorata al pavimento della scatola da una connessione in legno, mostrata di seguito:

Figure 16:Connessione palo-pavimento con compensato

Questa connessione è stata studiata sia per ragioni pratiche, cioè che le pile rimangono verticali prima dell'inserimento della sabbia, ma anche tecniche, per consentire un opportuno dondolio della struttura, se richiesto dal terremoto. Sono stati utilizzati due strati rettangolari di compensato da 15 mm, per un'altezza totale di 30 mm. Nello strato inferiore, alle otto pile sono stati fatti cerchi di 40 mm di diametro, riempiti di schiuma (Poliuretano). Inoltre, nel foro è stato inserito un cerchio di plastica, per evitare che le pile di alluminio tagliassero la schiuma e si depositassero sul pavimento, non essendo più in grado di oscillare. Mentre nello strato superiore sono stati fatti dei fori, sempre in corrispondenza dei pali, ma con un diametro leggermente superiore a questi ultimi, per consentire l'inserimento ma non il fissaggio.

Figure 18: Schiuma di Poliuretano Figure 17: Disco in Plastica

inserito nella connessione

17

Figure 20: Strati di Compensato

utilizzati per il collegamento con il

pavimento

Figure 19: Configurazione finale della

connessione

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5 Strumentazione

Un altro passo importante è stato il posizionamento degli strumenti di misura. Ciò è stato influenzato dal numero di canali presenti in laboratorio, pari a 64, e dal numero di giranti per gli estensimetri, pari a 32.

Per la misurazione di accelerazioni, spostamenti e deformazioni sono stati impiegati tre tipi base di strumenti: 32 accelerometri, 4 LVDT e 32 estensimetri.

Le caratteristiche della strumentazione utilizzata e la motivazione per il posizionamento sono spiegate in dettaglio di seguito.

5.1 Accelerometri

Gli strumenti utilizzati per valutare le accelerazioni sono gli accelerometri triassiali, che sono ideali per qualsiasi applicazione, in cui è necessario misurare la vibrazione in uno o tutti i tre assi spaziali. Sono fissati alla struttura mediante 4 viti in acciaio, mentre se inseriti nella sabbia sono protetti da cubetti di plastica. Le dimensioni geometriche sono mostrate di seguito:

Figure 21: Accelerometri Triassiali

Le caratteristiche elettriche e meccaniche sono mostrate di seguito:

Come si può vedere dallo schema sottostante, sono stati posizionati 18 accelerometri orizzontali e 6 verticali.

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Grazie alla simmetria della configurazione, è possibile ragionare solo su una delle due parti, in particolare sul lato destro. Quattro accelerometri orizzontali sono stati posizionati sul backfill a due diverse altezze. Per assicurarsi della simmetria comportamentale attuale, un ulteriore accelerometro è stato posizionato anche nel lato sinistro (A24) a 300 mm dal piede. Due accelerometri verticali (A3 e A23) sono stati posizionati sul lato esterno della fondazione su entrambi i lati. Lo stesso è stato fatto per il posizionamento di quelli orizzontali (A5 e A22) all'interno della fondazione. Inoltre, nel lato esaminato, si desiderava anche aggiungere un accelerometro verticale (A4). A10 e A9 sono stati posizionati per valutare il comportamento del terreno nei pressi dei pali. Mentre A11 e A21 sono posizionati sull'asse di simmetria del ponte. Due accelerometri orizzontali e verticali (A1 e A2) sono stati fissati sulla tavola vibrante per valutare il comportamento del mondo esterno. A6 è posizionato per valutare il comportamento del vincolo tra la spalla e l’impalcato. Infine, A18, A19 e A20 sono stati fissati sul lato esterno della scatola, per analizzare le caratteristiche di quest'ultimo.

Figure 22: Accelerometro fissato

alla scatola di taglio

Figure 23: Accelerometro fissato al

footing

Figure 24: Accelerometro nella sabbia

5.2 Estensimetro

L'estensimetro è un sensore in cui la deformazione elastica subita da un elemento metallico o da un semiconduttore si riflette nella variazione della resistenza dell'elemento. Sono utilizzati per la misurazione della deformazione e di conseguenza della forza o della pressione. Nascono dal bisogno di conoscere lo stato di tensione di un dato punto di una parte meccanica, senza rompere il componente. L'uso di questi sensori è molto vario, ad esempio, vengono utilizzati per conoscere i carichi su una determinata struttura,

per verificare le deformazioni strutturali, per eseguire i test. (Omega, s.d.) Esistono vari tipi di

estensimetri, le categorie principali sono (Conterno, 2015):

• La resistenza elettrica è la classe più comune e può essere realizzata con il metallo o con fotoincisione. Saranno utilizzati nell'elaborato.

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• Semiconduttori. Sono fatti di silicio opportunamente drogato. Il vantaggio di questo tipo di sensore risiede nella sensibilità molto più elevata rispetto agli estensimetri metallici e quindi fornisce un segnale molto più forte con la stessa quantità di superficie utile. Lo svantaggio dell'uso del semiconduttore risiede nell'elevata sensibilità alla variazione della temperatura ambientale.

• Estensimetri capacitivi;

• Estensimetri fotoelastici.

Nel lavoro svolto, è stata scelta la prima categoria di estensimetri. Gli estensimetri elettrici a resistenza sono costituiti da un laminato a griglia metallica incollato. Qualsiasi comprensione o estensione di un componente meccanico viene valutata mediante variazione di forma dell'estensimetro, che produce una variazione della resistenza elettrica.

Figure 25: Estensimetro in corrispondenza della

spalla

Figure 26: Estensimetri sul lato interno del muro

5.2.1 Come applicare l’estensimetro

L'incollaggio di un estensimetro è un aspetto di notevole importanza. La qualità della misura dipende dal successo dell'incollaggio che otterremo; infatti dobbiamo pensare che anche l'estensimetro segue correttamente la deformazione del pezzo che deve essere incollato per poter subire la stessa deformazione. È intuitivo che un legame non ottimale si tradurrebbe in una misura senza senso. Va da sé che la colla utilizzata non deve essere troppo piccola, in quanto non ci sarebbe un'adeguata adesione tra l'estensimetro e il pezzo, ma non eccessiva, in quanto finirebbe per creare uno strato elastico che impedisce alla deformazione di deformarsi come il pezzo provocando problemi di variazione apparente di G, isteresi e deriva. Esiste ora una procedura ben collaudata per il legame con gli estensimetri. Questa procedura non include solo la fase effettiva dell'incollaggio ma anche l'intera preparazione della superficie.

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Figure 27: Applicazione dell'estensimetro sul

muro

Figure 28: M-Bond200 Adesivo

In totale, sono stati posizionati 32 estensimetri: 10 lungo il muro, 4 sulla base e 18 sulle pile, come mostrato di seguito:

Figure 29: Posizionamento degli estensimetri

Figure 30: Estensimetri sui pali

5.3 Trasduttori di spostamento

I trasduttori di spostamento che abbiamo usato sono quattro, di cui tre orizzontali e una verticale alla parete. I trasduttori utilizzati sono DTCH400AG, la versione con ritorno a molla:

Figure 31: Schema del trasduttore usato

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Figure 32: Caratteristiche del traduttore usato

Figure 33: Posizione dei trasduttori

Gli LVDT misurano lo spostamento relativo del muro rispetto all'ingresso a cui sono soggetti. In realtà, non sono collegati direttamente al mondo esterno, ma sono fissati al gruppo di taglio con supporti metallici, come mostrano di seguito.

Figure 34: Trasduttori orizzontali applicati sul muro

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6 Conclusioni Il periodo di tirocinio svolto all’università di Bristol è stato particolarmente costruttivo, sia a livello professionale che umanistico. Prendere parte al progetto SERENA, infatti, mi ha permesso di approfondire le conoscenze di base apprese durante il corso di studi, di tradurre praticamente ciò che avevo studiato solo a livello teorico e di collaborare con un team di esperti nel settore.

SERENA rappresenta solo la prima parte del progetto SERA, che si svilupperà impiegando un periodo complessivo di due anni. Questa prima parte, a cui ho collaborato, si è interessata di individuare il modellino di ponte integrale, da sottoporre ad input sismico tramite tavola vibrante e di scegliere la strumentazione idonea per studiare le prove svolte. Alla luce di questi scopi, si è ottenuto uno schema con le seguenti caratteristiche:

Il modellino di ponte integrale è stato valutato alla luce delle caratteristiche degli strumenti presenti in laboratorio, tavola vibrante e shear stack, e presenta le seguenti dimensioni geometriche: - Impalcato: costituito da 4 travi in acciaio inox di dimensioni 100x10x3 cm; - Spalla : in alluminio, di dimensioni 568x997x32cm; - Fondazione: in alluminio, di dimensioni 400x950x32 cm; - Pali: 8 per ogni base, in alluminio, di diametro 22 mm e di lunghezza 40 cm.

Il tutto può essere riassunto dal seguente schema:

La strumentazione è stata scelta e posizionata seguendo criteri economici e di buona

progettazione, oltre alla valutazione delle disponibilità del laboratorio. Ciò ha indirizzato alla seguente strumentazione: - Accelerometri, tesi a valutare l’accelerazione sulla struttura e in numero pari a 32; - Estensimetri, tesi a valutare le deformazioni e in numero pari a 24; - Trasduttori di spostamento, tesi a valutare lo spostamento della struttura rispetto ad un punto

di riferimento ed in numero pari a 4.

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