Altoparlanti
Fazlur R. Khan Docente plenario
Innovazioni nell'ingegneria strutturale con i compositi FRP: il mio viaggio negli ultimi tre decenni
Jin-Guang Teng
Presidente e professore di cattedra
Ingegneria strutturale
Politecnico di Hong Kong
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Negli ultimi tre decenni, i compositi di polimeri fibrorinforzati (FRP) sono emersi come una promettente alternativa all'acciaio e al calcestruzzo sia per il rafforzamento delle strutture esistenti che per la costruzione di nuove strutture, grazie soprattutto alla loro eccellente resistenza alla corrosione in ambiente marino e in altri ambienti aggressivi. In tutto il mondo, l'FRP è ora ampiamente utilizzato come materiale principale per il rafforzamento delle strutture, al fine di estenderne la vita utile. Per le nuove costruzioni, sono stati esplorati lo sviluppo e l'applicazione di vari prodotti in FRP, tra cui le armature in FRP, i tubi avvolti a filamenti in FRP e i cavi in FRP, per sostituire le loro controparti in acciaio e ottenere una maggiore durata e una vita utile più lunga. L'estensione della vita utile delle strutture attraverso l'uso di FRP offre un mezzo efficace per ridurre in modo sostanziale le emissioni di carbonio per anno di servizio, contribuendo così a un futuro più sostenibile dello sviluppo delle infrastrutture.
In questa presentazione, fornirò innanzitutto una rassegna dello sviluppo della tecnologia di rinforzo dell'FRP, sia per quanto riguarda la ricerca che le applicazioni pratiche, per dimostrare che si tratta ormai di una tecnologia di rinforzo mainstream. Successivamente, fornirò una panoramica critica dell'uso strutturale dell'FRP nelle nuove costruzioni, ponendo l'accento su alcuni promettenti prodotti FRP che hanno il potenziale di sostituire le loro controparti in acciaio per migliorare la durabilità delle strutture. Verranno poi esaminati gli ostacoli che si frappongono a una più ampia e rapida adozione degli FRP nelle nuove costruzioni e le strategie per superarli. Infine, utilizzerò i membri tubolari a doppia pelle FRP-calcestruzzo-acciaio, una nuova classe di membri strutturali ibridi abilitati all'uso di FRP inventati dal relatore, come esempio per dimostrare il loro grande potenziale e per illustrare il lungo viaggio dalla concezione all'implementazione pratica delle strutture in nuovi materiali.
Relatori plenari
Ingegneria del ciclo di vita - Influenza sulle strutture a tutte le scale
Mark Sarkisian
Partner
Skidmore, Owings & Merrill LLP
USA
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L'ingegneria civile del ciclo di vita è diventata un quadro di riferimento essenziale per la progettazione di strutture a tutte le scale. Considerare l'intera vita di servizio di una struttura ha portato a considerazioni chiave per la sicurezza della vita, le prestazioni, la manutenzione, la resilienza, i costi e l'impatto sull'ambiente. Per molti anni le considerazioni sulle strutture dei ponti sono state ovvie a causa dell'esposizione diretta agli elementi, ma meno per le strutture degli edifici. Gli sforzi recenti, incentrati sulla definizione della vita attesa delle strutture occupate, soprattutto nelle aree ad alta sismicità , hanno portato a importanti approcci all'ingegneria del ciclo di vita. Attraverso esempi specifici, la presentazione e il documento esploreranno l'ingegneria del ciclo di vita per le strutture a tutte le scale, dalle piccole strutture residenziali agli edifici commerciali di grandi dimensioni. L'emissione di anidride carbonica è una considerazione fondamentale per la progettazione del ciclo di vita delle strutture. Ci sono tre componenti principali che contribuiscono alle emissioni di anidride carbonica durante la costruzione (embodied) e potenzialmente durante il funzionamento. I componenti sono i materiali, il processo di costruzione e i danni probabilistici. I tipi e le quantità di materiali utilizzati hanno in genere il maggiore impatto sul carbonio incorporato, ma anche i tempi e i processi di costruzione contribuiscono in modo significativo. Le considerazioni sui danni probabilistici sono l'ultima componente significativa delle emissioni. Gli edifici progettati in genere per la sicurezza della vita secondo le norme edilizie standard attuali prevedono danni significativi alle strutture durante un terremoto. Questi danni causano un impatto significativo sull'ambiente, poiché le riparazioni richiedono materiali e tempi di costruzione. Se l'edificio è danneggiato in modo significativo e ritenuto inagibile, occorre considerare le emissioni di carbonio associate alla demolizione e alla ricostruzione. Esistono iniziative significative per creare sistemi e componenti strutturali che siano resilienti e limitino i danni in caso di eventi sismici gravi, in modo che le strutture non debbano essere riparate o sostituite dopo un evento sismico grave.
Sfide e opportunità dell'ingegneria dei ponti nel ciclo di vita
Fabio Biondini
Professore
Politecnico di Milano
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La gestione degli asset dei ponti e dei sistemi infrastrutturali è una priorità assoluta per le autorità pubbliche e gli enti di gestione, a causa dell'impatto dannoso dei processi di invecchiamento e deterioramento e dell'esposizione a molteplici pericoli in un clima mutevole. Criteri, metodologie e strumenti multidisciplinari basati sul rischio e orientati al ciclo di vita sono necessari per informare il processo decisionale per un'allocazione razionale di risorse limitate e per una prioritizzazione efficiente degli interventi di manutenzione e riparazione dei ponti a livello di infrastrutture in condizioni di incertezza. Infatti, nella maggior parte dei Paesi sviluppati, un'enorme quantità di ponti e strutture infrastrutturali costruiti nell'ultimo mezzo secolo e oltre si sta rapidamente avvicinando alla fine della vita utile. L'entità delle esigenze di riparazione o sostituzione è notevolmente elevata e rappresenta un ostacolo fondamentale allo sviluppo sostenibile dei Paesi. Questa situazione è aggravata dagli effetti dei cambiamenti climatici, che possono alterare l'esposizione ai rischi ambientali e aumentare il tasso di deterioramento strutturale e di invecchiamento delle infrastrutture. Per affrontare queste sfide, l'ingegneria dei ponti sta subendo un profondo cambiamento verso un approccio basato sul ciclo di vita e sull'adozione di una visione sistemica a livello di infrastruttura. Questo cambiamento di paradigma è di fondamentale importanza per consolidare e migliorare i criteri, i metodi e le procedure per proteggere, mantenere e migliorare la sicurezza, l'affidabilità , la ridondanza, la robustezza, la funzionalità , la resilienza ai disastri e la sostenibilità dei sistemi infrastrutturali critici. Tuttavia, sebbene i metodi di valutazione del ciclo di vita basati sul rischio siano ben consolidati, la loro solida validazione e l'accurata calibrazione sono compiti difficili a causa della limitata disponibilità di informazioni sulle prestazioni a lungo termine delle strutture in servizio. La raccolta di dati provenienti da ispezioni di strutture esistenti e da test sperimentali è quindi essenziale per un'implementazione di successo dei metodi del ciclo di vita nella pratica. Affrontare queste sfide potrebbe anche sbloccare molteplici opportunità per promuovere e far progredire l'ingegneria dei ponti, tra cui l'uso estensivo e l'innovazione dei sistemi di monitoraggio della salute strutturale, lo sfruttamento degli inventari digitali per gestire i dati strutturali di ponti e viadotti in tempo reale e lo sviluppo di infrastrutture intelligenti attraverso l'implementazione di tecnologie emergenti come l'Intelligenza Artificiale, l'Internet degli Oggetti e i Gemelli Digitali, tra gli altri. Questa conferenza presenta una rassegna dei progressi e dei risultati della ricerca, compresi i risultati di recenti progetti di ricerca e casi di studio, per affrontare le sfide, le opportunità e le prospettive future dell'ingegneria dei ponti durante il ciclo di vita.
Il perseguimento della resilienza del ciclo di vita multirischio in un'era di modellazione intelligente e oggettiva
Jamie Padgett
Professore
Rice University
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Il funzionamento affidabile ed efficace di strutture e sistemi infrastrutturali durante e dopo eventi pericolosi, come terremoti, uragani e inondazioni, è essenziale per la sicurezza pubblica, la vitalità economica e la qualità della vita. Le decisioni informate sui rischi che promuovono la resilienza delle infrastrutture (ovvero la loro capacità di resistere, adattarsi e riprendersi) richiedono previsioni affidabili delle prestazioni del sistema quando è esposto a tali fattori di stress per tutta la sua durata. Tuttavia, questo futuro porta con sé incertezze relative a condizioni dinamiche ed evolutive; sfide relative a un'eredità di impatti disparati di rischi naturali e (sotto)investimenti infrastrutturali; e opportunità legate ai sistemi intelligenti e ai dati e algoritmi emergenti. Questa conferenza discute un cambiamento di paradigma verso una modellazione intelligente ed equa della resilienza del ciclo di vita delle infrastrutture esposte a rischi multipli. Discutiamo le caratteristiche e le dimensioni di un tale quadro di modellazione volto a infondere intelligenza e a promuovere considerazioni di equità sia negli algoritmi che nei risultati delle attività di resilienza delle infrastrutture. Si fa riferimento a casi di studio relativi a rischi, sistemi e scale diverse per evidenziare i recenti progressi nella modellazione del rischio e della resilienza, dalla struttura all'infrastruttura, fino alla scala della comunità .
Carbonatazione del calcestruzzo, corrosione delle armature in acciaio e implicazioni sui gas serra.
Robert E. Melchers
Professore
Università di Newcastle
Australia
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La corrosione delle armature delle strutture in calcestruzzo armato interno è spesso attribuita alla "carbonatazione". Ciò si basa sull'affermazione che l'ingresso dell'anidride carbonica atmosferica abbassa il pH del calcestruzzo in misura sufficiente a innescare la corrosione dell'acciaio in presenza di umidità . Nella maggior parte dei casi si considera solo la profondità di permeazione dell'anidride carbonica, di solito in osservazioni di laboratorio spesso in soluzioni piuttosto che in calcestruzzi reali. Raramente vengono riportate prove dirette di una significativa corrosione delle armature. In questa sede si riportano osservazioni dettagliate sulla profondità di carbonatazione, sul pH del calcestruzzo e sulla corrosione delle armature di diverse colonne in calcestruzzo armato prelevate a diverse altezze e posizioni dopo 60 anni di esposizione continua all'atmosfera in una zona climatica temperata. Nonostante siano state esposte in modo ardito, senza alcun tipo di protezione, nessuna ha mostrato segni di corrosione delle armature. Tutti hanno mostrato carbonatazione solo a circa 10-15 mm nella matrice del calcestruzzo e una riduzione progressiva del pH del calcestruzzo dall'interno verso le superfici esterne. Queste osservazioni sono interpretate in base alla moderna scienza della corrosione. In sintesi, l'innesco e la progressione della corrosione dell'armatura possono avvenire solo con la perdita graduale e a lungo termine, per lisciviazione, degli alcali del calcestruzzo e quindi con la perdita del pH del calcestruzzo. Al contrario, i carbonati formati dall'anidride carbonica sono effettivamente protettivi in quanto bloccano i pori del calcestruzzo e quindi rallentano la velocità di lisciviazione degli alcali. Viene proposto un semplice modello per prevedere l'inizio della corrosione delle armature. Le osservazioni attuali indicano che, a condizione che la matrice del calcestruzzo sia di alta qualità , la carbonatazione può fungere da serbatoio per l'anidride carbonica atmosferica senza gravi rischi di corrosione delle armature. Tale assorbimento di anidride carbonica atmosferica è utile per ridurre i gas serra nell'atmosfera. Si conclude che il timore, spesso citato, della corrosione delle armature a causa della "carbonatazione" si basa su una scarsa rappresentazione sperimentale dei calcestruzzi reali e sulla loro interpretazione ed è mal posto.
Campo multi-fisico e teoria predittiva multi-scala per la durabilità e la resilienza delle strutture in calcestruzzo
Airong Chen
Professore
Università Tongji
Cina
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La durabilità e la resistenza dei ponti in calcestruzzo sono significativamente influenzate da processi di degrado come la carbonatazione, l'ingresso di cloruri, le temperature elevate, la corrosione delle armature e la fessurazione del calcestruzzo, che compromettono l'integrità strutturale. Per affrontare queste sfide, la ricerca attuale si è orientata verso una teoria previsionale multifisica e multiscala che studia gli effetti accoppiati di fattori ambientali, materiali e meccanici, tra cui temperatura, umidità , reazioni chimiche e sollecitazioni meccaniche. Le sfide scientifiche principali includono la comprensione dell'innesco e della propagazione delle cricche, la modellazione accurata dell'accoppiamento dei processi multi-campo e il collegamento dei meccanismi su mesoscala al comportamento delle strutture su larga scala. Questa presentazione introduce una teoria di accoppiamento di campi multifisici alla mesoscala per affrontare meccanismi di degrado come la carbonatazione, la penetrazione del cloruro, la corrosione delle armature, la fessurazione e i danni indotti dal fuoco. Il modello integra processi chimici, elettrochimici, termici e meccanici, fornendo una visione approfondita delle interazioni tra questi fattori e ponendo le basi per strategie di manutenzione dei ponti informate.
Gemelli meccanici digitali basati sullo streaming per il monitoraggio dello stato di salute del ciclo di vita e la manutenzione dei ponti strallati
Hong Hao
ARC Laureate Fellow
John Curtin Distinguished Professor
Curtin University
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I tradizionali sistemi di monitoraggio dello stato di salute dei ponti strallati basati sull'IoT facilitano la trasmissione e l'integrazione dei dati dei sensori, ma spesso mancano di interazione diretta con i modelli meccanici a elementi finiti (FE). In genere, i dati dei sensori vengono utilizzati indirettamente per l'aggiornamento modale o inseriti manualmente per regolare i modelli FE, limitando l'efficienza delle valutazioni strutturali in tempo reale. In questo studio proponiamo un framework innovativo che utilizza lo streaming computazionale per integrare direttamente i dati dei sensori in tempo reale con i modelli FE, consentendo aggiornamenti continui e automatizzati del modello meccanico. Ciò riduce l'intervento manuale e consente di riflettere quasi in tempo reale i cambiamenti delle condizioni strutturali nel gemello digitale. Sebbene la trasmissione dei dati e l'aggiornamento del modello FE comportino una piccola latenza, il sistema rimane efficace per il monitoraggio della salute durante il ciclo di vita. Utilizzando Unity 3D, visualizziamo il modello meccanico in tempo reale, creando una piattaforma unificata per i dati dei sensori, l'analisi FE e l'aggiornamento del modello e la visualizzazione del gemello digitale. Questo approccio migliora la precisione e la reattività del monitoraggio dei ponti, collegando i dati dei sensori e il modello fisico del ponte nel sistema digital twin. Questo approccio stabilisce un nuovo standard per la gestione del ciclo di vita nell'ingegneria civile.
Gestione ottimale multi-obiettivo del ciclo di vita e processo decisionale per le strutture in degrado
Sunyong Kim
Professore
Università Wonkwang
Repubblica di Corea
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Le strutture e le infrastrutture in degrado sono continuamente sottoposte a carichi esterni, fattori di stress meccanico, condizioni ambientali ed eventi estremi per tutta la loro vita utile. Questi fattori, di natura altamente incerta, complicano la valutazione e la previsione accurate delle prestazioni strutturali e della vita utile residua. Per affrontare queste sfide, sono essenziali ispezioni e monitoraggi tempestivi. Tuttavia, l'ispezione e il monitoraggio da soli non possono prolungare la vita utile o migliorare le prestazioni. Pertanto, l'integrazione di ispezione, monitoraggio e gestione della manutenzione è fondamentale per un'efficace gestione del ciclo di vita delle strutture in deterioramento. Il presente lavoro si concentra sull'ottimizzazione della pianificazione delle ispezioni, del monitoraggio e della manutenzione durante il ciclo di vita, sulla base di molteplici obiettivi. Questi obiettivi includono: (a) obiettivi basati sulle prestazioni, (b) basati sui costi, (c) basati sul rilevamento dei danni, (d) basati sulla vita utile e (e) basati sul rischio. In questo lavoro vengono presentate le formulazioni di questi obiettivi e gli approcci per l'ottimizzazione mono e multi-obiettivo della gestione delle ispezioni, del monitoraggio e della manutenzione. Viene fornito il processo decisionale per selezionare la migliore strategia di gestione. Inoltre, viene affrontato il processo di aggiornamento, sfruttando le informazioni provenienti dalle ispezioni e dal monitoraggio, per migliorare l'accuratezza della pianificazione delle ispezioni, del monitoraggio e della manutenzione durante il ciclo di vita.
