RICERCA ITALIANA     

Diagnosi di ponti ferroviari mediante l’analisi dinamica durante il passaggio dei convogli.

Politecnico di Torino

Abstract

Il programma di ricerca Railway BriViDi (Bridge Vibration Diagnostics) si propone di sviluppare una metodologia integrata per la valutazione dello stato di integrità strutturale di ponti ferroviari, al fine di garantirne l'uso in condizioni di sicurezza.
Gli aspetti caratterizzanti della metodologia sono :
· applicabilità in condizioni di esercizio, senza alcuna interruzione di traffico ferroviario;
· possibilità di essere utilizzata per un'ampia tipologia di ponti e di condizioni di esercizio (alta velocità, trasporto passeggeri e merci);
· utilizzazione di dati facilmente rilevabili mediante strumentazione industriale;
· robustezza ed affidabilità della metodologia. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Luigi Garibaldi Politecnico di TORINO

Obiettivo del Programma di Ricerca

E' consolidata in letteratura la distinzione tra i quattro principali livelli di informazione che le tecniche di diagnostica possono fornire, e cioè [Farrar et all.] :

(I) presenza del danno;
(II) localizzazione del danno;
(III) caratterizzazione del danno;
(IV) predizione della vita residua.

I livelli di ordine più elevato richiedono tecniche analitiche raffinate e sono raggiungibili solo nell'analisi di strutture correttamente monitorate, sfruttando al meglio le potenzialità dell'identificazione e della modellazione.
Questo progetto si propone di individuare e realizzare una metodologia idonea alla diagnostica di strutture per ponti ferroviari, in grado di dare una risposta statisticamente affidabile per la valutazione della sicurezza del ponte. L'obiettivo è il raggiungimento dei livelli diagnostici corrispondenti ai primi tre gradini di riferimento citati, sebbene sia comunque possibile prevedere di arrivare al IV livello.
L'ampia esperienza delle Unità di ricerca impegnate nel progetto ha permesso di individuare i punti deboli delle metodologie adottate sino ad oggi e, quindi, di riformulare un progetto che tenga conto dei molti aspetti interdisciplinari della diagnostica di ponti ferroviari in opera; tra questi, la modellazione strutturale dinamica e l'interazione con le eccitazioni, l'identificazione sperimentale dinamica del sistema, l'identificazione di parametri strutturali e delle relative variazioni, l'individuazione del danno e la sua caratterizzazione meccanica.
Le tecniche di identificazione del danno possono essere senza modello di riferimento o con modello di riferimento; in questo secondo caso é importante che qusto sia molto accurato. Nonostante questo é tuttavia indispensabile includere le incertezze presenti nei parametri del modello della struttura integra, rispetto al quale si possano valutare gli intervalli di variabilita` della risposta dinamica del sistema reale in condizioni operative.
I parametri del modello di riferimento possono essere ottenuti dalle tecniche di identificazione applicate a misure rilevate sulla struttura in condizioni "nominalmente" integre, oppure da una serie di misure effettuate in tempi precedenti al momento dell'analisi.
Alcuni parametri possono anche essere ottenuti mediante l'applicazione di modellazione agli Elementi Finiti (FE) opportunamente modificati, o dal rilievo sperimentale di sottosistemi meccanici (giunti ed altro).
Per quanto riguarda la struttura completa, le tecniche di identificazione prevedono la misura sperimentale della risposta del ponte ferroviario soggetto ad eccitazioni esterne, normalmente non misurabili su strutture in esercizio.
In questo ambito si inseriscono le problematiche connesse alle tecniche di identificazione, curate in particolare dalle Unità di Chieti, Torino e Trieste, e sintetizzabili nei punti seguenti: risoluzione spaziale e gradi di liberta` di misura, caratteristiche delle forzanti in ingresso, non stazionarietà dei parametri, robustezza degli algoritmi di estrazione, rumore nelle acquisizioni, presenza di non linearità.
L'altro aspetto fondamentale già accennato è il modello di riferimento per la struttura: le tecniche analitiche si affiancano a quelle numeriche per la simulazione del passaggio convogli, ma è solo grazie a queste ultime che si può ottenere il modello sufficientemente dettagliato e rappresentativo della dinamica del ponte, nel campo delle frequenze di interesse, da potersi utilizzare con le tecniche di identificazione del danneggiamento localizzato e del degrado distribuito.
I modelli FE usualmente adottati in letteratura per i ponti per lo più simulano il danno localizzato attraverso una matrice di cedevolezza locale o introducendo un comportamento bilineare (cricca aperta o chiusa) in fase di sollecitazione dinamica. Vi e` la necessita` di sviluppare nuove metodologie per la modellazione del degrado distribuito. I test di laboratorio svolti dall'Unita` di Chieti permetteranno di verificare sperimentalmente la bontà dei modelli adottati e la capacità di identificazione e localizzazione degli algoritmi sulle travi progressivamente danneggiate.
Per quanto riguarda la modellazione numerica, è stata recentemente Esplorata l'introduzione dei parametri incerti per simulare le Incertezze di modellazione (applicabile anche ai dati sperimentali), particolarmente adatti alle strutture in cemento armato. Le unità di Roma Tre e di Bologna si occuperanno dello sviluppo e Dell'applicazione di tali metodologie nell'ambito dei ponti Ferroviari, utilizzando metodi non convenzionali per la modellazione FE, quali i parametri ad intervallo e funzioni di forma di ordine elevato e modificabile.
Un'altra parte di modellazione é invece rivolta alla simulazione Dell'interazione treno-struttura, necessaria per comprendere il Comportamento dinamico del sistema completo, a parametri non costanti durante il passaggio di un convoglio. Questa fase, curata dalle Unità di Bologna e Torino, prescinde dal dettaglio della modellazione del ponte (sostanziale per l'applicazione delle tecniche di updating), ma cura gli aspetti numerici legati alla soluzione del problema. L'aspetto non è marginale, in quanto diversi modelli di contatto ruota-rotaia, sospensioni, velocità di percorrenza e geometria del treno, danno origine a sollecitazioni variabili sia in termini di contenuto spettrale che di ampiezze; poiché gli algoritmi di identificazione output-only richiedono particolari caratteristiche dell'ingresso, è fondamentale approfondire questi aspetti.
Infine, ma non ultimo, poiché i livelli elevati di sollecitazione introducono abitualmente comportamenti non-lineari importanti, è necessario affiancare lo studio delle tecniche di identificazione non-lineare da utilizzare sulle strutture di laboratorio (sperimentazione presso l'Unità di Chieti).
Le attivita' delle Unita' di ricerca si svilupperanno nell'ambito dei riferimenti prima citati:
1. tecniche per l'ottimizzazione dei test sperimentali;
2. modellazione strutturale dinamica (interazione treno-impalcato);
3. modellazione delle eccitazioni (random + deterministiche);
4. attivita` sperimentale in laboratorio e in situ;
5. identificazione dinamica lineare e non-lineare;
6. tecniche di up-dating;
7. modellazione e identificazione del danno localizzato e del degrado distribuito. <<<

Risultati parziali attesi

I RISULTATI ATTESI DELLA RICERCA.

Il programma di ricerca si propone di sviluppare una metodologia integrata, affidabile, e verificata sperimentalmente, per la valutazione dello stato di integrità strutturale dei ponti ferroviari, al fine di garantirne l'uso in condizioni di sicurezza o di prevederne la vita residua.
1) La metodologia sarà applicabile in condizioni di esercizio, senza alcuna interruzione del traffico ferroviario;
2) Avrà la possibilità di essere utilizzata per un'ampia tipologia di ponti e di condizioni di esercizio (alta velocità, trasporto passeggeri, merci);
3) Saranno necessari dati facilmente rilevabili mediante strumentazione industriale;
4) Sarà una metodologià robusta ed affidabile.

INTERESSE E APPLICABILITA'

E' evidente l'interesse sociale ed economico di poter diagnosticare lo stato di salute di un ponte, tantopiù ferroviario e per alta velocità.
Il beneficio economico é inoltre enorme, considerato il numero di ponti ferroviari attualmente in uso superiori ai 50 anni di età, particolarmente soggetti ad agenti aggressivi nelle località marine. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

L'ampia letteratura sulla diagnostica e l'analisi dell'integrità delle strutture civili documenta un notevole interesse da parte della comunità scientifica e, nonostante gli sforzi impiegati nelle ricerche siano considerevoli sia in Europa che in USA e, più recentemente, in Cina, il grado di affidabilità di queste tecniche applicate nell'ambito civile è tuttora in fase di perfezionamento.
L'identificazione del danneggiamento si basa sulla variabilita` delle caratteristiche della risposta dinamica della struttura ad eccitazioni esterne. Si può operare con o senza modello di riferimento, sebbene il primo metodo risulti molto pià dettaglaito e affidabile.
Nel caso dei ponti è noto che, sino ad alcuni anni or sono, la risposta dinamica della struttura era ottenuta attraverso una forzante imposta dallo sperimentatore che forniva un'eccitazione armonica a frequenza variabile in un dato campo di interesse. Tale metodo é lento ed utilizza pesanti apparecchiature di eccitazione con scarso effetto alle basse frequenze, richiedendo, comunque, l'arresto del traffico sul ponte.
Al fine di utilizzare tecniche di eccitazione compatibili con l'esercizio dell'opera, e` vantaggioso utilizzare le sole azioni ambientali e stimare i parametri modali a partire dalla sola misura della risposta nei gdl sperimentali (tecniche output-only). I metodi output-only, inizialmente concepiti per sistemi ad un solo grado di libertà (Auto Regressive Moving Average: ARMA), sono stati estesi ai sistemi a piu' gradi di libertà (Auto Regressive Moving Average Vector:ARMAV, ed ai metodi ARV e TARMA con eccitazione distribuita. Ancor più recentemente i metodi tipo Stochastic Subspace Identification (SSI), con ingresso impulsivo o fornito dalle auto-cross correlazioni, hanno mostrato grande robustezza e affidabilità anche per eccitazioni niente affatto random, purché si sia in grado di separarare i modi propri del sistema dai contenuti armonici delle eccitazioni.
Altrettanto recente è l'applicazione della tecnica Acoustic Emission (AE) per la diagnostica di ponti, ma non è stata ancora studiata la correlazione tra AE e la risposta dinamica della struttura.
Per quanto concerne invece la modellistica dei ponti, aspetto importante per definire il modello di riferimento, esistono approcci analitici, che normalmente modellano l'impalcato del ponte come trave o piastra, e gli approcci numerici agli elementi finiti, di varia formulazione.
I primi sono spesso utilizzati per lo studio dell'interazione tra veicolo e struttura, ed includono anche la modellazione della superficie di rotolamento, i secondi sono invece utilizzati sia in fase di progettazione, sia per la conseguente possibilità di applicare le tecniche di up-dating, sia per la modellazione dei danneggiamenti.
Poiché i parametri del calcestruzzo armato e delle strutture da ponte in generale non assumono valori deterministici, sono recentemente stati introdotti i modelli ad intervalli, che affiancano i già esistenti modelli probabilistici e fuzzy.
Tali modelli permettono di valutare l'incertezza nella risposta della struttura e di permettre la correlazione con le incertezze presenti nei parametri rilevabili sperimentalmente.
La localizzazione e l'estensione del danno sono stati studiati da molti ricercatori, principalmente attraverso l'analisi di sensitività, utilizzando le frequenze naturali, le deformate modali, le curvature e la matrice di flessibilità.
Sono comunque molti gli approcci possibili per la localizzazione del danno, tutti reperibili in letteratura. Al contrario non sono noti in campo dinamico analoghi riferimenti per quanto riguarda il degrado distribuito, problema rilevante per le infrastrutture stradali e ferroviarie a causa del loro invecchiamento. <<<