La valutazione analitica della sicurezza e della robustezza di ponti e viadotti

La valutazione analitica
della sicurezza e della robustezza
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
FB - 20/11/2018 Sicurezza nelle infrastrutture esistenti 1

1. Design
1. Design
2. Structural System
3. Failures
4. Analysis
5. Robustness

Nota 1
• La progettazione è una attività di sintesi basata sulla previsione di quello che la struttura
esperirà nel future. La previsione riguarda situazioni di normale funzionamento, di carico
elevato e situazioni accidentali o eccezionali, nel rispetto del principio di precauzione.
• Una struttura lungo la sua vita utile, affronterà:
• Un degrado continuo, legato all’ambiente in cui è immersa e al suo uso, dovendo
dimostrare durabilità;
• Un danneggiamento in eventi discreti, di natura accidentale o eccezionale, in cui dovrà
mostrare un degrado proporzionale alla causa scatenante, mostrando robustezza;
• Una facilità di essere riparata, ovvero essere riportata ad un grado di sicurezza e
prestazione adeguato, mostrando resilienza.
• La valutazione delle qualità di una struttura, può essere quindi sviluppata come «as
designed» (nel progetto), «as built» (appena costruita), «as actual» (in un momento qualsiasi
nel corso della vita utile), «as failed» (in caso di crisi strutturale).
• E’ necessario considerare criticamente il clima culturale in cui è stato sviluppato il progetto e
la concezione strutturale alla base del progetto. Inoltre è necessario distinguere fra opere di
tipo evolutivo (di casi precedenti) e opere innovative per schema, materiale, utilizzo.

Note 1
• Design is a synthesis activity based on the prediction of what the structure will experience in
the future. The forecast concerns situations of normal operation, high load and accidental or
exceptional situations, in compliance with the precautionary principle.
• A structure along its useful life, will address:
• A continuous degradation, related to the environment in which it is immersed and to its
use, having to prove durability;
• A damage in discrete events, of an accidental or exceptional nature, in which it must
show a degradation proportional to the triggering cause, showing robustness;
• An easiness of being repaired, i.e. being brought back to a degree of safety and adequate
performance, showing resilience.
• The evaluation of the qualities of a structure can therefore be developed as «as designed» (in
the project), «as built» (just built), «as actual» (at any time during the useful life), «as failed
»(In case of structural crisis).
• It is necessary to critically consider the cultural climate in which the project was developed
and the structural concept underlying the project. Furthermore, it is necessary to distinguish
between evolutionary works and innovative works by scheme, material, use.

Design as Foresight

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

RESILIENCE
Time Horizon for a Structure
8FB - 20/11/2018 Sicurezza nelle infrastrutture esistenti

RESILIENCERESILIENCE
CONSTRUCTIONS
NEW
EXISTING
COLLAPSED
“As Designed”
“As Built”
“As Actual”
“As Failed”
As …
9
design
clima
FB - 20/11/2018 Sicurezza nelle infrastrutture esistenti

Evolutive vs Innovative Design
Il principio di precauzione si applica
non a pericoli già identificati, ma a
pericoli potenziali, di cui non si ha
ancora conoscenza certa.

Es.: design clima

Ponte sul Rio Sinigo
L’industria Italiana del
Cemento 1983;12:759–72.

FB - 20/11/2018 13Sicurezza nelle infrastrutture esistenti
L’industria Italiana del
Cemento 1983;12:759–72.

1. Design
3. Failures
4. Analysis
5. Robustness

Nota 2
• La valutazione analitica della sicurezza strutturale è un processo sistematico e gerarchico che
parte dalla comprensione dell’organizzazione della struttura (visione sistemica).
• In una struttura di devono distinguere le varie parti strutturali (a macro-livello, meso-livello,
micro-livello) al fine di evidenziarne subito la criticità e gli adeguati livelli di protezione.
• In termini generali si hanno in una struttura:
• Aspetti di dettaglio – livello micro – che riguardano proprietà sezionale come gli spessori;
• Aspetti a livello di elemento / sottostruttura, che riguardano la forma o la sagoma di queste
parti;
• Aspetti a livello macroscopico che riguardano la topologia ovvero le connessioni far le varie
parti strutturali, influenzando il percorso dei carichi.
• Questa individuazione, è collegata ai livelli di modellazione nel processo complessivo di
analisi strutturale, con eventuali oculate strategie di sottostrutturazione o impostazione
multi-livello.
• Tutto questo al fine di dare un fondato giudizio sui risultati delle verifiche e sullo stato della
struttura in esame, con necessaria confidenza sul significato delle verifiche stesse.

Note 2
• The analytical evaluation of structural safety is a systematic and hierarchical process that
starts from an understanding of the organization of the structure (systemic vision).
• In a structure they must distinguish the various structural parts (at macro-level, meso-level,
micro-level) in order to immediately highlight the criticality and the appropriate levels of
protection.
• In general terms we have in a structure:
• Detail aspects - micro level - that concern sectional properties such as thicknesses;
• Aspects at the element / substructure level, which relate to the shape or shape of these
parts;
• Aspects at the macroscopic level concerning the topology or the connections to the various
structural parts, influencing the path of the loads.
• This identification is linked to the modeling levels in the overall structural analysis process,
with possible ocular sub-structuring or multi-level setting strategies.
• All this in order to give a well-founded opinion on the results of the verifications and on the
state of the structure in question, with necessary confidence on the meaning of the
verifications themselves.

FB - 20/11/2018 20
Structural System
Sicurezza nelle infrastrutture esistenti

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

Global analysis /
Macro-level
models
(Synthesis)
Meso-level
models
Micro-level
models

Es.: main structure

Ponte di Aldino

Es.: secondary structure

ELEMENTI FINITI
UTILIZZATI
• SOLID
• BEAM
• SHELL
• ALGORITMI DI CONTATTO (contatto tra superfici)
Corpo del NJ
Cordolo del viadotto
Piastre bullonate al piede
Ancoraggio al cordolo
Barra rullata
Mancorrente
antiribaltamento
Strutture secondarie: barriere
https://www.ingenio-web.it/3630-aspetti-delle-caratteristiche-
prestazionali-di-barriere-stradali-tipo-new-jersey-descrizione-generale
prestazionali-di-barriere-stradali-tipo-new-jersey-confronto-tra-
tipologie-diverse

prestazionali-di-barriere-stradali-tipo-new-jersey-descrizione-generale
prestazionali-di-barriere-stradali-tipo-new-jersey-confronto-tra-tipologie-
diverse

Structural Health Monitoring

Es.: monitoring

3. Failures
1. Design
3. Failures
4. Analysis
5. Robustness

Nota 3
• Sviluppando un’analisi storica, all’inizio la totalità, ovvero, la gran parte degli insuccessi è
dovuta a non conoscenza di aspetti scientifici e tecnici. Al passare del tempo, crescendo a
livello di ricerca le conoscenze scientifiche e tecniche (research level), i fenomeni non noti si
riducono. Con un po’ di ritardo, anche le normative (design code level) coprono sempre più
differenti fenomeni, riducendo così i casi di fenomeni conosciuti e non normati. Con
l’evoluzione delle conoscenze scientifiche e tecniche, la maggioranza degli insuccessi risulta
essere dovuta a errore umano.
• L’incremento quantitativo del corpus normativo da questo punto di vista risulta inefficiente,
peggiorando anzi nei fatti le cose, con conseguente aumento di possibilità di errore: questo è
il risultato finale della non ergonomia normativa.
• Un ulteriore, grande, possibilità di generazione di errori umani risulta legata alle modellazioni
numeriche. In particolare, la attuale acclarata impossibilità di sviluppare calcolazioni di
verifica in forma manuale, senza l’uso di codici di calcolo o fogli di calcolo, aumenta la
distanza fra consapevolezza fisica dell’oggetto e sua valutazione razionale.
• In termini generali, un sistema strutturale può essere pensato come composto da uno strato
di layer difensivi: ciascuno di questi layer può essere imperfetto e di per sé non è detto che
queste singole mancanze portino al collasso del sistema. Questo avviene solo quando più
mancanze si coagulano in un fenomeno critico.FB - 20/11/2018 Sicurezza nelle infrastrutture esistenti 37

Note 3
• Developing a historical analysis, at the beginning the totality, that is, most of the failures is
due to lack of knowledge of scientific and technical aspects. As time goes by, as research and
scientific knowledge grows, the unknown phenomena are reduced. With a little 'delay, even
the regulations (design code level) cover more and more different phenomena, thus reducing
the cases of known and unregulated phenomena. With the evolution of scientific and
technical knowledge, the majority of failures are due to human error.
• The quantitative increase of the normative corpus from this point of view is inefficient,
actually making things worse, with a consequent increase in the possibility of error: this is
the final result of non-normative ergonomics.
• A further, large, possibility of generating human errors is linked to numerical modeling. In
particular, the current established impossibility of developing calculation calculations in
manual form, without the use of calculation codes or spreadsheets, increases the distance
between physical awareness of the object and its rational evaluation.
• In general terms, a structural system can be thought of as being composed of a layer of
defensive layers: each of these layers can be imperfect and in itself it is not said that these
single deficiencies lead to the collapse of the system. This happens only when more failures
coagulate in a critical phenomenon.

100%
Time
%offailure Unknown phenomena
Known phenomena
Research level Design code level
past present future
A
BB B
C
Humanerrors
Causes of System Failure

Scuola Jovine di San Giuliano di Puglia

http://territorio.regione.emilia-romagna.it/codice-territorio/sismica/dossier-sentenze-della-causa-penale-conseguente-al-crollo-delledificio-scolastico-
jovine-di-san-giuliano-di-puglia

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).

General Failure Model

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

45FB - 20/11/2018
FORWARD
ANALYSIS
BACK
ANALYSIS
45

COSE – STRUTTURE - SISTEMI
THINGS – STRUCTURES - SYSTEMS
PERSONE – COMPORTAMENTI
PEOPLE – HUMAN BEHAVIOR
COSA
WHAT
CHI
WHO
ROTTURA – COLLASSO - CRISI
FAILURE – COLLPASE - CRISIS
PERCHE’
WHY
SPIEGAZIONE – CAUSE
REASON - DISCLOSURE
CONOSCENZA
KONWLEDGE
Aumento conoscenza – Knowledge gain
47
EVENTO
EVENT

Judgement Errors
• Context dependence
• Contrast effect
• Recency effect
• Halo effect
• Plasticity
• Order effects
• Pseudo-opinions
• Vividness
• Wishful thinking
• Anchoring
• Social loafing
• Conformity
• The representativeness heuristic
• Law of small numbers
• Hot hand
• Neglecting base rates
• Nonregressive prediction
• Synchronicity
• Causalation
• Salience
• Minority influence
• Groupthink

50
«Intervenendo sulla struttura
(miglioramento) di fatto il responso
della struttura cioè il coefficiente
medio è il risultato finale è la
somma degli interventi il cui valore
medio è pari a quelli evidenziato dai
calcolo.»

4. Analysis
1. Design
3. Failures
4. Analysis
5. Robustness

Nota 4
• La visione sistemica permetta in termini generali di organizzare il processo complessivo di
analisi strutturale. La scomposizione strutturale, infatti, focalizza l’attenzione del processo di
analisi su scale differenti della costruzione, dall’intero sistema al dettaglio minore. In questo
modo i risultati delle valutazioni ad una scala servono come punto di partenza per le analisi
ad una scala successiva, sia inferiore che superiore.
• L’analisi strutturale deve sviluppare un’indagine della risposta strutturale alle azioni
considerate che permetta valutazioni sia qualitative sia quantitative, tenuto conto delle
incertezze presenti nelle:
a) differenti assunzioni di base (ipotesi di partenza);
b) diverse modellazioni e diversi parametri fissati per la modellazione delle azioni pertinenti;
c) diverse modellazioni e diversi parametri fissati per la modellazione del sistema strutturale,
secondo una strategia che persegua i seguenti due obiettivi generali:
• individuazione della sensibilità della risposta strutturale;
• delimitazione degli estremi della risposta strutturale.
• Si può quindi parlare di esplorazione della modellazione strutturale al fine di valutare in
modo confidente il comportamento strutturale.

Note 4
• The systemic vision allows in general terms to organize the overall process of structural
analysis. The structural decomposition, in fact, focuses the attention of the analysis process
on different scales of the construction, from the whole system to the minor detail. In this way
the results of the evaluations at a scale serve as a starting point for the analyzes at a
subsequent scale, both lower and upper.
• The structural analysis must develop a survey of the structural response to the considered
actions that allows both qualitative and quantitative evaluations, taking into account the
uncertainties present in the following:
a) different basic assumptions (starting hypothesis);
b) different modeling and different parameters set for modeling relevant actions;
c) different modeling and different parameters set for modeling the structural system,
according to a strategy that pursues the following two general objectives:
• identifying the sensitivity of the structural response;
• delimitation of the extremes of the structural response.
• One can therefore speak of exploration of structural modeling in order to confidently assess
structural behavior.

STRATEGY #1: SENSITIVITY

STRATEGY #2: BOUNDING
p
(p)

p
(p)


Es.: tailored safety checks

Cujaba River

Es.: durability

Basics of corrosion induced damage

5. Robustness
1. Design
3. Failures
4. Analysis
5. Robustness

Es.: genetics

https://en.wikipedia.org/wiki/Alm%C3%B6_Bridge

Nota 5
• La robustezza strutturale è la proprietà di una costruzione di mostrare una perdita di qualità
proporzionata all’evento negativo originante tale perdita. In tal modo, se la struttura è
robusta, esiste una relazione continua e regolare fra la causa innescante il decadimento ed il
conseguente effetto.
• Si può illustrare graficamente il concetto di robustezza strutturale considerando in ordinata la
misura della qualità in esame: tale grandezza può essere, ad esempio, la capacità portante
rispetto ad una condizione di carico, rappresentata dal moltiplicatore di carico; in generale, in
ordinata si può riportare una qualsiasi capacità prestazionale o una grandezza
rappresentativa la sicurezza strutturale; in ascissa si riporta l’entità dell’evento negativo, che
può essere pensato come un danno strutturale o anche un errore nella concezione o nel
calcolo della struttura
• Delle due strutture in esame, si nota come quella indicata col colore verde sia di qualità
migliore nelle condizioni integre, o nominali, rispetto a quella indicata col colore blu: la stessa
risulta però meno robusta della seconda, come si vede dal maggior degrado di qualità, a
parità di danno, che risulta addirittura inferiore al livello minimo previsto. Questo esempio
può essere tipico del caso di un pilastro in cemento armato cerchiato con spirale (caso verde)
rispetto a quello di un pilastro quadrato staffato (caso blu).

Note 5
• Structural robustness is the property of a construction to show a loss of quality
commensurate with the negative event originating this loss. In this way, if the structure is
robust, there is a continuous and regular relationship between the cause triggering the decay
and the consequent effect.
• The concept of structural strength can be illustrated graphically by considering the
measurement of the quality under examination in orderly order: this quantity can be, for
example, the load-bearing capacity with respect to a load condition, represented by the load
multiplier; in general, in the ordinate one can report any performance capacity or a
representative quantity the structural safety; in abscissa it is reported the entity of the
negative event, which can be thought of as a structural damage or even an error in the
conception or in the calculation of the structure.
• Of the two structures under examination, we note that the one indicated with the green
color is of better quality in the conditions intact, or nominal, compared to that indicated with
the color blue: the same is however less robust than the second, as seen from the greater
degradation of quality, with the same damage, which is even lower than the minimum level
expected. This example may be typical of the case of a reinforced concrete pillar circled with
a spiral (green case) compared to that of a squared square pillar (blue case).

Structural Robustness (1)
• Capacity of a construction to show regular decrease of its
structural quality 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 rupture
(extensive feature).

Structural Robustness (2)
74
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

Strategie per ottenere robustezza strutturale
• Le strategie, in un certo senso una duale dell’altra, sono:
I. aumentare la connessione delle varie parti strutturali, introducendo un elevato grado
di continuità, in modo che le azioni si possano trasferire dalla parte collassata a quelle
adiacenti, ovvero la costruzione abbia al suo interno una ridondanza di percorsi atti a
trasmettere l’azione;
II. suddividere la costruzione in compartimenti, in modo che il collasso di una parte della
struttura non si propaghi alle parti adiacenti.
• La robustezza dell’opera deve essere saggiata imponendo, singolarmente, le seguenti cause:
a) carichi nominali, arbitrari ma significativi per lo scenario considerato, al fine di saggiare il
comportamento complessivo: è necessario considerare comunque disposta secondo una
direzione orizzontale, una frazione dei carichi agenti in direzione verticale;
b) assenza di elementi strutturali, per valutare le conseguenze della loro perdita a
prescindere dalla causa, al fine di individuare quelli critici.
• Queste valutazioni, possono evidenziare anche errori nella concezione dello schema
strutturale.

Strategy for structural robustness
• The strategies, in a sense a dual of the other, are:
I. increase the connection of the various structural parts, introducing a high degree of
continuity, so that the actions can be transferred from the collapsed to adjacent ones,
or the building has inside there is a redundancy of paths to transmit the action;
II. subdividing the building into compartments, so that the collapse of a part of the
structure does not propagate to the adjacent parts.
• The robustness of the work must be tested by imposing, individually, the following causes:
a) nominal loads, arbitrary but significant for the considered scenario, in order to test the
overall behavior: it is necessary to consider however arranged in a horizontal direction, a
fraction of the loads acting in a vertical direction;
b) absence of structural elements, to evaluate the consequences of their loss regardless of
the cause, in order to identify the critical ones.
• These evaluations can also highlight errors in the conception of the structural scheme.

Design Strategy #1: CONTINUITY

Design Strategy #2: SEGMENTATION

Es.: segmentation in 1846

https://www.tuhh.de/sdb/starossek/Veroeffentlichungen/
Dateien/Progressive%20collapse%20of%20bridges%20(Uw
e%20Starossek).pdf

The collision of Esso Maracaibo
https://www.venezuelatuya.c
om/occidente/puenterafaelur
danetaeng.htm

http://www.aukevisser.nl/others/id1337.htm

CONCLUSIONI
1.Design
2.Structural System
3.Failures
4.Analysis
5.Robustness
• 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 cerare
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 strutturalo, esplorativo, in cui è
essenziale valutare la sensibilità della risposta strutturale
e la sua delimitazione.
• La robustezza garantisce la sopravvivenza della struttura
agli eventi e anche agli errori umani.

CONCLUSIONS
1.Design
2.Structural System
3.Failures
4.Analysis
5.Robustness
• Attention to the climate and the context in which the
design was developed. The structural conception of the
genes to the structure.
• Attention to the organization as a system of the structure:
which are the most important parts, the critical ones,
secondary elements but which can cause damage.
• The structural crises are the consequence of the
alignment of various weaknesses, from those in the
conception, those in the calculation and in the design,
those of realization, those related to the use and
intervention of accidental / exceptional events, to the lack
of maintenance and unsuitable monitoring .
• The elephantosis of the rules is a harbinger of crisis.
Analysis is a structured, exploratory process in which it is
essential to evaluate the sensitivity of the structural
response and its delimitation.
• Robustness ensures the survival of the structure at events
and even human errors.

La valutazione analitica
della sicurezza e della robustezza
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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