Giornata su MONITORAGGIO E VALUTAZIONE DI PONTI E VIADOTTI Stato dell’arte e prospettive. ENEA, 14 febbraio 2019

1. 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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ponti e viadotti
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2. FB - 18/12/2018 2

3. 1846
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4. Parte I:
Robustezza strutturale
«in senso ristretto»
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5. OBJECT
NET
Structural
System
Infrastructural
System
USE
SAFETY
INTEGRITY
f(D)
D
Mean
Frequent
Maximum
Rare
Accidental
Exceptional
BlackSwanEvents
Service Limit States
Ultimate Limit States
Integrity Limit States
Performance, Safety and Integrity Levels
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6. 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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9. 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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10. 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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11. 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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12. 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
STRUCTURALQUALITY
less robust
more robust
Nominal
configuration
Damaged
configuration
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13. “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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14. UsualULS&SLS
VerificationFormat
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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15. DESIGN STRATEGY #1: CONTINUITY
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16. Nipigon River Bridge
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18. New Haengju Bridge
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20. FB - 18/12/2018
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21. DESIGN STRATEGY #2: SEGMENTATION
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22. FB - 18/12/2018
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22
Es.

23. Es.
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23

24. FB - 18/12/2018
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25. 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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26. effect
time
decomposability
course predictability
Runaway: Progressive Collapse
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27. FB - 18/12/2018 valutare analiticamente la sicurezza e la robustezza di ponti e viadotti 27

28. PancakeTypeCollapse
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29. FB - 18/12/2018
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31. DominoLikeCollapse
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32. Tauern Superhighway Bridge, Austria 1975
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33. FB - 18/12/2018
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35. ZippingLikeCollapse
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36. Long span suspension bridges
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37. Progressive collapse
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37

38. FB - 18/12/2018 valutare analiticamente la sicurezza e la robustezza di ponti e viadotti 38
2002

39. FB - 18/12/2018 valutare analiticamente la sicurezza e la robustezza di ponti e viadotti 39

40. FB - 18/12/2018 valutare analiticamente la sicurezza e la robustezza di ponti e viadotti 40

41. FB - 18/12/2018 valutare analiticamente la sicurezza e la robustezza di ponti e viadotti 41

42. FB - 18/12/2018 valutare analiticamente la sicurezza e la robustezza di ponti e viadotti 42

43. FB - 18/12/2018 valutare analiticamente la sicurezza e la robustezza di ponti e viadotti 43

44. FB - 18/12/2018 valutare analiticamente la sicurezza e la robustezza di ponti e viadotti 44

45. FB - 18/12/2018 valutare analiticamente la sicurezza e la robustezza di ponti e viadotti 45

46. 1997
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46

47. FB - 18/12/2018 47

48. FB - 18/12/2018
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Threat from continuity

49. https://www.tuhh.de/sdb/starossek/Veroeffentlichungen/Dateien/Progressive%20collapse%20of%20bridges%20(Uwe%20Starossek).pdf
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Need of discontinuity

50. The collision of Esso Maracaibo
https://www.venezuelatu
ya.com/occidente/puente
rafaelurdanetaeng.htm
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50

51. FB - 18/12/2018
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52. http://www.aukevisser.nl/others/id1337.htm
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53. FB - 18/12/2018
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54. Parte II:
Robustezza strutturale
«in senso generale»
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55. DESIGN AS DECISION AND SYNTHESIS
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56. Evolutive vs Innovative Design (1)
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57. 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

58. DESIGN AS FORESIGHT
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58
2

59. RESILIENCE
Time Horizon for a Structure
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60. 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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60

61. Es.
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61

62. FB - 18/12/2018
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63. 100%
Time
%offailure Unknown phenomena
Known phenomena
Research level Design code level
past present future
A
BB B
C
Humanerrors
CAUSES OF SYSTEM FAILURE
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63
3

64. Scuola Jovine di San Giuliano di Puglia
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64

65. 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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66. DESIGN AS CHOICE OF STRUCTURAL SYSTEM
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66
4

67. Es.
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68. 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
ANCHORAGES
SUPPORTING
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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69. Es.
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70. 1
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70

71. 2
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72. 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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73. -
Bridge Scheme (as actual)
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74. There are 323 sensors that regularly measure bridge conditions
such as deck movement, stress, and temperature
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75. http://www.startribune.com/new-35w-bridge-already-is-aging/268746561/
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76. GENERAL FAILURE MODEL
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76

77. Swiss Cheese Model for Failure
HAZARD
IN-DEPTH
DEFENCE
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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78. 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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79. 79FB - 18/12/2018

80. Es.: genetics
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81. FB - 18/12/2018
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82. FB - 18/12/2018
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83. FB - 18/12/2018
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84. FB - 18/12/2018
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85. https://en.wikipedia.org/wiki/Alm%C3%B6_Bridge
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86. 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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88. FB - 18/12/2018
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89. RESILIENCERESILIENCE
CONSTRUCTIONS
NEW
EXISTING
COLLAPSED
“As Designed”
“As Built”
“As Actual”
“As Failed”
As …
89
design
clima
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90. 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.
90FB - 18/12/2018
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Black Swan Events

91. FB - 18/12/2018
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91

92. NTC 2018
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93. 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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94. 2002
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94

95. FB - 18/12/2018
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95

96. 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.
96FB - 18/12/2018
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97. 97FB - 18/12/2018

98. 98FB - 18/12/2018

99. https://www.youtube.com/channel/UCW3IyXTBJVIiS6OZeSdIN7g
FB - 18/12/2018
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99

100. https://fr.linkedin.com/in/francobontempiFB - 18/12/2018 100

101. FB - 18/12/2018 101

102. Robustezza strutturale
di ponti e viadotti
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