RICERCA ITALIANA     

Modellazione e sperimentazione del comportamento dinamico di strutture flessibili

Università degli Studi di Roma "La Sapienza"

Abstract

La progettazione e verifica di un rilevante numero di problemi ingegneristici coinvolgono in misura sempre maggiore competenze di settori differenti della meccanica strutturale. La modellazione delle interazioni con l'ambiente, lo studio degli effetti delle incertezze insite nella modellazione e nella realizzazione delle opere, l'identificazione dei modelli, il monitoraggio delle strutture durante l’esercizio, l'impiego di materiali innovativi richiedono l'integrazione degli strumenti classici della dinamica lineare e nonlineare con un ampio spettro di discipline quali la meccanica dei materiali, la modellazione dei continui, la statistica, la fluidodinamica, la sismologia, la teoria dei circuiti e la teoria dei sistemi. In tali ambiti il gruppo di ricerca proponente ha concentrato la sua attenzione da anni e ha sviluppato un notevole bagaglio di competenze specifiche, anche attraverso una vasta rete di collaborazioni con enti esterni, università e centri di ricerca nazionali ed internazionali.
Il presente progetto costituisce uno sviluppo dei precedenti Progetti cofinanziati dal MIUR, distinguendosi tuttavia dai precedenti per una maggiore attenzione verso i temi di verifica sperimentale ed identificazione dei modelli e dei metodi sviluppati per via teorica. Si prevede infatti un maggiore coinvolgimento delle diverse Unità di Ricerca (UR) in attività sperimentali, in laboratorio ed in sito; a tal fine diverse collaborazioni e convenzioni di ricerca sono già state stipulate con gli enti gestori delle opere (monumenti, infrastrutture, impianti industriali). Il gruppo di ricerca disporrà inoltre di una galleria del vento in avanzato stato di costruzione presso l'UR di Genova e di laboratori sperimentali presso le sedi delle unità coinvolte. Le principali aree tematiche in cui si è inteso suddividere il progetto sono le seguenti:
A. MODELLAZIONE DI AZIONI E STRUTTURE
Sono previsti contributi alla modellazione di strutture classiche ed innovative, alle relative metodologie di soluzione e di analisi di problemi dinamici lineari e non, alla caratterizzazione delle azioni ambientali (vento, sisma) e artificiali (traffico pedonale, veicolare, ferroviario).
B. ANALISI DELLA RISPOSTA DI MODELLI E STRUTTURE REALI
I principali fenomeni dinamici critici per differenti tipologie di costruzioni e di problemi ingegneristici di frontiera saranno oggetto di studio con l'ausilio di modelli analitici e numerici allo scopo di evidenziare gli aspetti salienti dei singoli problemi (strutture snelle soggette all’azione del vento o al passaggio di masse, vibrazioni di strutture da ponte sotto l'azione di convogli ferroviari, smorzatori a comportamento isteretico).
C. SPERIMENTAZIONE, IDENTIFICAZIONE E MONITORAGGIO STRUTTURALE
Per i principali problemi ingegneristici affrontati sono previste prove di laboratorio su prototipi e prove in sito al fine di validare sperimentalmente i modelli teorici proposti. La sperimentazione verterà dunque sia sulla caratterizzazione dinamica di strutture di interesse ingegneristico sia sulla descrizione di azioni ambientali ed artificiali. Si approfondiranno inoltre temi relativi all'identificazione del danno, con particolare riferimento all'individuazione di tecniche e algoritmi per la soluzione di problemi inversi relativi a strutture di grandi dimensioni. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Fabrizio VESTRONI Università degli Studi di ROMA "La Sapienza"

Obiettivo del Programma di Ricerca

Nel campo della dinamica delle strutture si evidenzia un interesse crescente non solo verso l'evoluzione degli strumenti per lo studio della risposta, ma anche verso specifiche problematiche quali la modellazione delle interazioni con l'ambiente, lo studio degli effetti delle incertezze insite nella modellazione e nella realizzazione delle opere, l'identificazione dei modelli teorici o numerici, lo studio dell’integrità strutturale, l'impiego di materiali innovativi, il controllo della risposta.
Al fine di trattare rigorosamente queste problematiche, gli strumenti classici della meccanica strutturale e della dinamica nonlineare devono essere integrati con conoscenze provenienti da diverse aree tematiche quali, ad esempio, la meccanica dei materiali innovativi (compositi, piezoelettrici, a memoria di forma..), la teoria dei circuiti elettrici, la statistica, la teoria dei sistemi, la sismologia e la fluidodinamica. In tali ambiti il gruppo di ricerca proponente ha concentrato la sua attenzione da anni e ha sviluppato competenze specifiche relative a molti problemi di interesse ingegneristico, traendo vantaggio anche da una vasta rete di contatti e collaborazioni con enti esterni, centri di ricerca e università straniere.
La caratterizzazione delle azioni ambientali dovute al vento e ai sismi, la dinamica nonlineare di tipologie strutturali classiche, il monitoraggio nondistruttivo di opere monumentali ed infrastrutturali, l'esame di nuove tipologie strutturali e la loro modellazione, il controllo della risposta strutturale, l'ulteriore sviluppo delle tecniche analitiche e numeriche di soluzione saranno i principali temi di indagine del presente gruppo di ricerca. Queste tematiche, già oggetto di precedenti progetti di cofinanziamento da parte del MIUR, saranno ulteriormente approfondite e arricchite dall’esame di nuovi problemi concreti dell’ingegneria strutturale; le differenti specifiche competenze delle unità di ricerca coinvolte saranno al tal fine integrate tra loro. Anche a questo scopo il presente Gruppo di Ricerca organizza dei convegni su base biennale cui partecipano esperti e ricercatori dei principale settori disciplinari interessati; informazioni più dettagliate sull’ultimo convegno organizzato si trovano sul sito http://www.disg.uniroma1.it/fendis.
I principali temi di indagine, oggetto della presente proposta, sono stati raggruppati nelle tre aree di ricerca; precipui obiettivi del programma di ricerca sono, da un lato, una verifica dei modelli e dei metodi proposti attraverso un esame critico dei risultati e un confronto con le evidenze sperimentali e, dall'altro, un arricchimento degli strumenti teorici con ulteriori nuovi contributi.

A. MODELLAZIONE DI AZIONI E STRUTTURE
- Metodi perturbativi asintotici, estensione dei metodi perturbativi alle biforcazioni di sistemi continui (RM, AQ)
- Metodi analitici di riduzione dello spazio di stato di sistemi dinamici, discreti e continui (RM, AQ)
- Metodi matematici per la trattazione di processi stocastici (ME, GE)
- Modellazione fine di tipologie costruttive classiche (RM, AQ), modellazione di continui con struttura complessa (RM)
- Modellazione di materiali innovativi, compositi e piezoelettrici, leghe a memoria di forma in condizioni non-isoterme (RM)
- Analisi dinamica nonlineare di cavi, blocchi, sistemi con discontinuità, travi e archi (AQ, MI, RM)
- Metodi di identificazione parametrica e analisi di sensibilità di sistemi lineari e nonlineari (RM, AQ)
- Sviluppo di metodi di identificazione basati su sistemi ausiliari elettrici al fine di aumentare la sensibilità al danno (RM)
- Caratterizzazione delle azioni ambientali (GE, ME)
- Caratterizzazione delle azioni artificiali (ME, RM, GE), traffico ferroviario, veicolare e pedonale
- Interazioni fluido-struttura, aeroelasticità di cavi e travi (AQ, MI, GE)
- Interazioni veicolo-struttura (ME, RM), veicolo su ponte
- Sicurezza e affidabilità strutturale, propagazione delle incertezze, sicurezza delle strutture ai carichi eolici (GE, ME)

B. ANALISI DELLA RISPOSTA DI MODELLI E STRUTTURE REALI
- Studio della risposta asintotica, analisi delle biforcazioni dinamiche, transizioni al caos di oscillatori nonlineari (AQ, MI, RM)
- Risposta al vento delle strutture, estensione del coefficiente di raffica a strutture complesse, aerogeneratori, ciminiere, pali elettrici (GE, ME)
- Risposta sismica di strutture snelle, strutture da ponte e dighe (ME, RM)
- Controllo di vibrazioni in pannelli e travi con reti di trasmissione di attuatori piezoelettrici, impiego di dispositivi isteretici come dissipatori (RM)
- Controllo strutturale in campo probabilistico, sensibilità della risposta rispetto ai parametri che caratterizzano dissipatori viscosi o i dispositivi isteretici (ME)

C. SPERIMENTAZIONE, IDENTIFICAZIONE E MONITORAGGIO STRUTTURALE
- Sperimentazione dinamica in laboratorio (AQ, GE, RM), verifica delle tecniche di riduzione, oscillazioni di modelli con isteresi e discontinuità
- Sperimentazione aerodinamica in galleria del vento, modelli rappresentativi di passerelle con confronto tra predizioni e risultati sperimentali (GE)
- Sperimentazione al vero, caratterizzazione dinamica del Colosseo, ponte pedonale soggetto a vibrazioni indotte da carichi umani, ponti autostradali soggetti al traffico veicolare, ponti in muratura soggetti al traffico ferroviario (GE, RM)
- Prove su elementi strutturali semplici, travi in acciaio e cemento armato, archi, pannelli murari, per verificare le tecniche di identificazione del danno (RM, AQ)
- Identificazione e monitoraggio, ponti in muratura soggetti a traffico ferroviario, monitoraggio di ciminiere Enelpower dotate di smorzatori a massa accordata, sollecitazioni sul fusto e sulle fondazioni di macchine aerogeneratrici (AQ, GE, MI, RM)
-Costruzione di prototipi di travi accoppiate a batteria di attuatori piezoelettrici per controllo e identificazione strutturale (RM) <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La modellazione e la sperimentazione del comportamento dinamico delle strutture sono i temi sui quali questo gruppo di ricerca (GR) ha prevalentemente concentrato la sua attenzione da anni e intorno ai quali ha sviluppato delle competenze specifiche. I precedenti progetti MIUR hanno avuto un ruolo fondamentale nella formazione scientifica del GR che ora può contare su un bagaglio culturale ricco sia dal punto di vista della produzione scientifica che su quello dell'alta formazione. Negli ultimi anni infatti il GR, attraverso i componenti delle unità di ricerca (UR), è stato particolarmente attivo nell'alta formazione tecnico-scientifica in materie che hanno conosciuto un'evoluzione significativa, quali l'ingegneria del vento e il controllo strutturale, attraverso lo svolgimento di Master Universitari, nonché nella organizzazione di convegni nazionali e internazionali e nella gestione di simposi sui temi della dinamica strutturale nell'ambito di conferenze a carattere più generale. Inoltre, l'omogeneità scientifica raggiunta dal gruppo ed il buon livello di interazione esistente tra i componenti le diverse UR, testimoniato dal gran numero di lavori scientifici trasversali rispetto alle singole UR, costituisce un'importante risorsa sulla quale investire nel prossimo biennio. A questo fine, importante è stato il ruolo rivestito dall'ultimo convegno Fendis (FENomeni della DInamica Strutturale, www.disg.uniroma1.it/fendis) organizzato presso l'Università di Roma "La Sapienza" nel dicembre 2004, ultimo di una serie di incontri biennali che coinvolgono da anni i ricercatori del GR. Ha rappresentato l'occasione per i partecipanti al precedente progetto di discutere i risultati acquisiti e i problemi aperti così da definire nella maniera più naturale sia la base di partenza scientifica di questo progetto che le linee di sviluppo dell'attività di ricerca nel prossimo biennio. Tale attività sarà organizzata secondo tre tematiche guida:

A) Modellazione di azioni e strutture
B) Analisi della risposta di modelli e strutture reali
C) Sperimentazione, identificazione e monitoraggio strutturale.

Questa classificazione è utile alla presentazione degli argomenti, anche se occorre dire che inevitabilmente sono frequenti lavori nei quali convergono argomenti appartenenti a più di una classe; con riferimento a queste ed alle pubblicazioni citate nella sezione dedicata ai riferimenti bibliografici, verranno presentati i contributi forniti dalle cinque unità di ricerca, nel seguito indicate con le seguenti sigle: UR-AQ (L'Aquila), -GE (Genova), -ME (Messina), -MI (Milano), -RM (Roma).
A) Modellazione di azioni e strutture
La modellazione delle strutture e delle azioni rappresenta una tematica centrale della dinamica strutturale chiamata da un lato a ridurre al minimo le incertezze insiste nella modellazione delle interazioni ambiente/struttura e dall'altro ad affinare i suoi modelli così da seguire l'evoluzione di nuove opere, quali ponti sospesi e strallati, torri e grattacieli, sistemi di cavi e gru che presentano peculiari problemi dinamici. Il GR ha affrontato nel corso dei precedenti progetti entrambe le questioni rafforzando le sue esperienze nella modellazione delle azioni incerte quali vento e sisma, approfondendo l'analisi delle interazioni tra strutture e carichi mobili con particolare riguardo alle strutture snelle e continuando a dedicare particolare cura alla modellazione strutturale. Nel prossimo biennio e sulla base dei risultati acquisiti e di seguito riassunti, il GR intende approfondire alcune delle tematiche già affrontate nonché avviare nuove linee di ricerca come descritto.

A1) Modelli per le azioni e le interazioni. La base di partenza è estesa e comprende la modellazione delle interazioni massa viaggiante/struttura in diversi contesti strutturali.
Il GR, attraverso la UR-RM e la UR-ME, ha affrontato la problematica connessa al transito di carichi ferroviari su strutture da ponte [1], mettendo a punto due modelli di crescente dettaglio, a forza viaggiante e a massa viaggiante. Le formulazioni matematiche che ne derivano sono di difficoltà diversa e suggeriscono di usare il modello semplificato ai fini di problemi di identificazione, il modello più fine qualora il fenomeno da indagare investa un campo di frequenze più elevato. Approccio alternativo è quello di riguardare ponte e veicolo come due differenti sottostrutture e, nel caso di ponti ferroviari, aggiungere il modello di trave continua su suolo elastico per il binario. La soluzione del sistema di equazioni differenziali, a coefficienti dipendenti dal tempo, è ottenuta per via numerica mediante una variante del metodo di sintesi delle componenti modali [2].

Attenzione è stata inoltre riservata all'analisi delle interazioni dinamiche tra strutture leggere e masse viaggianti che possono modificare le proprietà dinamiche strutturali delle strutture. Il problema è stato ampiamente affrontato dalla comunità scientifica con riferimento a travi, non altrettanto per i cavi; si intende colmare tale carenza, vista la competenza acquisita dal GR, nell'analisi delle proprietà dinamiche di cavi ribassati e laschi [3-5] e l'interesse nella modellazione dell'interazione cavo/funivia.

A2) Modelli per le strutture ed i materiali. La base di partenza nel contesto della modellazione di strutture è costituita dai modelli elaborati dalle UR-AQ e UR-RM per l'analisi dinamica nonlineare di travi ed archi in regime di presollecitazione [5], per l'analisi statica lineare di multistrutture elastiche costituite da elementi a piastra collegati attraverso il bordo [6,7], per l'analisi nonlineare di travi aperte di spessore sottile caratterizzate da ingobbamento nonlineare e accorciamento da torsione [8,9], per l'analisi nonlineare di cavi sospesi, archi [10], e ponti strallati [11].
Inoltre, sfruttando il precedente bagaglio acquisito nello studio delle biforcazioni multiple dei sistemi meccanici discreti [12], l'analisi nonlineare di travi piane e spaziali è stata finalizzata allo studio del comportamento critico e postcritico in presenza di forze conservative e non conservative agenti simultaneamente, tema tuttora oggetto di dibattito, a fronte dell'ampia letteratura sul problema lineare. Lo studio, da sviluppare ulteriormente, ha portato all'analisi di biforcazioni di divergenza, di Hopf e di biforcazioni di doppio-zero nelle condizioni di carico premesse [13,14].
Una vasta ricerca sul tema della fatica indotta dal vento è stata sviluppata dal GR principalmente attraverso la UR-GE che ha elaborato vari modelli innovativi [15,16], poi applicati ad un'ampia gamma di problemi comprendenti la risposta longitudinale, trasversale e tridimensionale, gli effetti nonlineari prodotti dal distacco dei vortici, il ruolo della direzione del vento.
Un tema da sviluppare nel prossimo biennio a partire dal materiale già a disposizione concerne la modellazione di materiali e strutture innovative. Sono stati sviluppati modelli costitutivi per il comportamento macroscopico di leghe a memoria di forma [17] e utilizzati poi per lo studio della risposta nonlineare di oscillatori a memoria di forma [18].

B) Analisi della risposta di modelli e strutture reali
Tutte le UR hanno fornito recenti contributi che costituiscono la base di partenza scientifica per compiere nel presente progetto un passo ulteriore nel perfezionamento di metodi che, nati soprattutto come ricerca di base finalizzata alla soluzione analitica di problemi di riferimento, si prefiggono ora di fornire risposte concrete a un'ampia gamma di problemi reali, con attenzione alla risposta di strutture nei confronti di azioni turbolente (vento, moto ondoso) e, più in generale, di azioni stocastiche.
B1) Metodologie di analisi. Metodi basati sulla mappa di Poincarè e bilancio armonico sono stati utilizzati dalla UR-RM per lo studio della risposta stazionaria, della stabilità, delle biforcazioni e degli eventuali moti irregolari di sistemi isteretici ad uno e più gradi di libertà [17,18]. E' stata effettuata l'analisi dinamica di travi in regime di pre- e post- buckling e quella di biforcazione di sistemi ad impatto [19].
Nell'ambito del regime caotico, che spesso caratterizza la risposta dinamica nonlineare, vari punti sono già stati investigati, mentre altri restano da studiare. Tra questi, l'uso di modelli ridotti per descrivere il comportamento di strutture continue o lo studio di tecniche di controllo [20].
Attraverso il metodo delle scale multiple è stato affrontato lo studio della biforcazione di una trave spaziale soggetta a forze non conservative; lo scenario critico si presenta molto ricco e mostra biforcazioni semplici di Hopf, di divergenza e biforcazioni di doppio zero [21,22].

Si sono infine estese a catene di oscillatori nonlineari i metodi dell'analisi dinamica dei sistemi periodici lineari [23]. Combinando metodi perturbativi e bilancio armonico, si è ottenuta la funzione nonlineare di trasferimento che, reiterata, fornisce la funzione di trasferimento globale e la risposta forzata risonante del sistema.
La decomposizione ortogonale propria dei processi multi-variati è stato un tema centrale di studio per la UR-GE nei Progetti ‘01 e ‘03 [24-26]. Sviluppata nel dominio del tempo e della frequenza, con modelli discreti e continui, applicata ai processi di carico, ha consentito d'interpretare le azioni come onde spaziali, deterministiche e ortogonali, modulate mediante processi temporali aleatori non correlati. Nell'ambito di questa visione, l'UR ha suggerito nuovi modelli del carico, basati sugli autovalori e gli autovettori della matrice spettrale, anziché sull'impiego tradizionale di questa matrice [26]. Inoltre, la UR-GE ha contribuito allo sviluppo dell' approccio di calcolo legato alla tecnica della serie di Volterra per l'analisi di sistemi dinamici debolmente nonlineari con eccitazione aleatoria formalizzando regole per la definizione delle funzioni di trasferimento di Volterra basate sul concetto di assemblaggio di sistemi elementari. L'uso di tali regole, in luogo delle tradizionali tecniche disponibili, comporta un'alta semplificazione nell'analisi di sistemi complessi e/o multi-variati [27].

B2) Analisi della risposta. Lo studio dei problemi di oscillazioni galoppanti nei cavi sospesi è un argomento su cui è stata maturata esperienza in ambito sia lineare (condizioni critiche) che nonlineare (percorsi post-critici). Le UR–MI, UR–RM e UR–GE hanno lavorato sul tema proponendo un modello ridotto di cavo, in regime di cinematica finita ed in condizioni di presollecitazione generica, studiando le proprietà spettrali delle autosoluzioni al fine della comprensione delle instabilità e delle risposte biforcate. Nel caso di cavi sospesi ricoperti di ghiaccio, sono stati conseguiti risultati utilizzando tecniche di tipo perturbativo [28]. In particolare, all'analisi teorica sviluppata dalla UR-GE si affianca quella numerica della UR-MI che ha messo a punto una procedura numerica per l'analisi dinamica di tali cavi sotto l'azione di un campo di vento turbolento [29-32].
In alcune applicazioni ingegneristiche deve essere preso in esame l'effetto di un vento comunque inclinato rispetto alla struttura. Un tipico esempio è costituito dai cavi che sostengono i ponti strallati il cui asse può appartenere a un piano sghembo rispetto a quello individuato dalla direzione del vento; questo provoca una distorsione nel flusso e l'insorgere di instabilità aeroelastica. Questo argomento appare di grande attualità e interesse, sia teorico che pratico e merita di essere approfondito [33]. Sempre la UR-GE ha sviluppato un metodo che fornisce il valore massimo degli effetti indotti dal vento in virtù di un solo parametro, il coefficiente di raffica d'effetto, che consente di classificare le costruzioni in funzione della risposta e di fornire uno scenario completo delle azioni statiche equivalenti [34,35].
Riguardo l'analisi della risposta di strutture nei confronti del moto ondoso, l'esperienza sviluppata dalla UR-MI concerne elementi immersi sotto azioni idrodinamiche: tunnel flottanti in alveo. Nel corso dei passati progetti, è già stato sviluppato un modello ridotto atto a simulare il fenomeno nel caso di aste snelle con cerniere di estremità e nell'ipotesi di azione assiale costante lungo l'asta stessa [36,37]. Per quanto riguarda l'analisi della risposta di strutture sotto azioni aleatorie, esperienza è stata acquisita dalla UR-ME che ha elaborato dei metodi per la predizione del picco massimo della risposta aleatoria rivisitando metodi esistenti in letteratura e giudicati troppo conservativi. L'efficienza di tali formulazioni sono state mostrate nell'analisi di affidabilità di strutture lineari, anche per strutture a molti gradi di libertà soggette a forzanti colorate [38-40].

C) Sperimentazione, identificazione e monitoraggio strutturale
Il GR ha sempre messo in primo piano lo sviluppo di temi di ricerca aventi un riscontro sui problemi reali delle strutture analizzate in sito o in laboratorio, attraverso prototipi; sulla base dei risultati ottenuti sin qui dalle UR, intende sviluppare ulteriormente questo carattere della propria attività di ricerca che vede fortemente correlati tra loro i tre temi citati nel sottotitolo.
La valutazione del deterioramento delle proprietà meccaniche delle strutture esistenti consente di monitorarne lo stato d'integrità. Le procedure di identificazione delle caratteristiche meccaniche basate su misure dinamiche della risposta strutturale sono adottate per la loro efficacia e semplicità di realizzazione sperimentale; i risultati di indagini sperimentali su strutture semplici rappresentano una base per l'identificazione dei modelli strutturali associati e per lo studio delle modifiche delle loro caratteristiche meccaniche dovute al danneggiamento.

In particolare, la UR-RM ha studiato metodi ed algoritmi dell'identificazione strutturale con riferimento a modelli di travi ed archi con danno attraverso dati sperimentali sia di letteratura sia prodotti artificialmente [41]. Ha poi studiato tecniche per l'identificazione strutturale utilizzando sistemi elettrici ausiliari accoppiati al fine di aumentare la sensibilità del sistema a cambiamenti localizzati delle caratteristiche meccaniche; questo è reso possibile da un fenomeno di cosiddetto veering tra i sottosistemi meccanico ed elettrico.
La UR-AQ ha affrontato il problema della localizzazione e della stima del danno, basato sulla misura delle proprietà spettrali del sistema, per l'analisi dell'integrità strutturale di travi, cavi, e sistemi di travi [42].

Infine, per quanto riguarda l'identificazione del danno di strutture eccitate da forzanti aleatorie, la UR-ME ha lavorato in questo ambito con riferimento al problema della individuazione della presenza di una fessura. Nell'analisi aleatoria, a causa di questa nonlinearità, la risposta è non-Gaussiana, anche se l'input è Gaussiano. La procedura di analisi è stata sviluppata nel dominio del tempo ed è dunque particolarmente adatta ad essere impiegata per analizzare il comportamento sperimentale di travi fessurate soggette a forzanti Gaussiane. Alternativamente, nel caso di sistemi lineari, è possibile procedere alla identificazione strutturale in campo aleatorio mediante l'impiego di espressioni esplicite della risposta [43-45]. <<<