Determinazione dello sforzo assiale in elementi strutturali mediante prove di vibrazione ambientale: analisi numeriche e applicazione al tirante di un ponte ferroviario ad arco a via inferiore.

Determining axial stress is an important aspect for monitoring various types of structural elements, such as tie-rods in arches and vaults or in suspension bridges. A significant redistribution of the axial force in these elements can be a sign of a structural damage, which in some cases may require the repair or replacement of the entire element. This work implements and analyzes a methodology for estimating axial stress based on the element's modal properties, determined through vibration tests. This inverse method requires knowledge of the amplitude of a mode shape in at least five distinct points on the element, as well as the associated vibration frequency. To apply this methodology, there is no need to know either the actual length of the analyzed element, as the relative distances between the measurement points of the mode shape are sufficient, or the external constraint conditions. This method has been validated in literature for particularly slender elements such as a steel rod. This paper reports the results of several numerical analyses conducted to evaluate the accuracy of the method even for elements with a greater bending stiffness than the rod. Specifically, different types of analyses were performed to investigate the influence of the arrangement of the mode shape measurement points, the possible end-constraint conditions and the uncertainty in the knowledge of the physical properties of the element itself on the estimation of the axial force. Further analyses focused on the potential benefits of adding redundant mode shape measurements. Finally, the methodology was applied to the case study of a reinforced concrete tied-arch railway bridge. An experimental campaign was conducted to determine the tension of the vertical suspension elements under unloaded conditions and environmental vibrations. The obtained results were compared with the predictions of a finite element model of the entire bridge to determine the accuracy of the axial force estimation.

La determinazione della sollecitazione assiale è un aspetto rilevante per il monitoraggio di diverse tipologie di elementi strutturali, come le catene di archi e volte o i tiranti di ponti sospesi. Una ridistribuzione significativa dello sforzo normale in questi elementi può essere sintomo di un danno strutturale, che in alcuni casi può richiedere la riparazione o la sostituzione dell’intero elemento. In questo lavoro si è implementata e analizzata una metodologia per la stima dello sforzo assiale basata sull’utilizzo delle proprietà modali dell’elemento, determinate attraverso prove di vibrazione. Per questo metodo inverso è richiesta la conoscenza dell’ampiezza di una forma modale in almeno cinque punti distinti dell’elemento, oltre alla relativa frequenza di vibrazione. Per l’applicazione di questa metodologia non c’è la necessità di conoscere né l’effettiva lunghezza dell’elemento analizzato, in quanto sono sufficienti le distanze relative tra i punti di misurazione della forma modale, né le condizioni di vincolo esterne. Il metodo è stato validato in letteratura nel caso di elementi particolarmente snelli come una barra di acciaio. Nella presente trattazione sono riportati i risultati di diverse analisi numeriche svolte al fine di valutare l’accuratezza del metodo anche per elementi con una rigidità flessionale superiore a quella della barra. Nello specifico sono state svolte diverse tipologie di analisi per investigare l’influenza, sulla stima della forza assiale, della disposizione dei punti di misurazione della forma modale, delle possibili condizioni di vincolo alle estremità e dell’incertezza nella conoscenza delle proprietà fisiche dell’elemento stesso. Ulteriori analisi hanno riguardato i possibili benefici dell’aggiunta di misure ridondanti per la forma modale. Infine, la metodologia è stata applicata al caso studio di un ponte ferroviario ad arco a via inferiore in calcestruzzo armato. È stata effettuata una campagna sperimentale per determinare il tiro degli elementi di sospensione verticali in condizioni di ponte scarico e vibrazioni ambientali. Sono stati confrontati i risultati ottenuti con le previsioni di un modello agli elementi finiti dell’intero ponte per determinare l’accuratezza della stima dello sforzo normale.