Il ponte San Michele a Paderno d'Adda (1889) : modellazione ad E.F., validazione del modello ed analisi strutturali

The Master Thesis presents the results of an investigation of the dynamic characteristics and the static response of one of the most important historical infrastructure in Italy: the San Michele Bridge in Paderno d’Adda (1889). The starting point is represented by the ambient vibration tests and the continuous dynamic monitoring of the bridge, committed by the Italian Railway Authority (RFI) to Politecnico di Milano. The present work firstly started with a careful analysis of the original design drawings of the bridge, so that the complex structural architecture of the bridge could be reconstructed. Once the geometry was completely understood, a 3D Finite Element (FE) model of the structure was implemented by using the SAP2000 FE program; the model can be considered as a refinement of a previous model, tailored on the specific requests coming from RFI, and turned out to be more reliable and efficient in reproducing the global dynamic characteristics of the bridge. Subsequently, a vibration-based calibration of the structural model was made. A sensitivity analysis was performed in order to identify the structural parameters which mostly affect the structural response (especially in terms of natural frequencies), given the absence of documentation about the preservation condition of the structural material (wrought iron). Based on the sensitivity analysis, the optimization of the model was realized, by adopting both manual tuning and model updating techniques. Those procedures provided a solution (in terms of some uncertain structural parameters) that minimizes the difference between experimental and numerical data, in terms of natural frequencies and mode shapes. Moreover, useful information were obtained about the state of preservation of the different sub-structures. Subsequently, the “optimal” model was used for conventional structural analysis, in order to estimate the stress state of the structure, by focusing on the results of the current serviceability limit state and the original design loads calculations. Finally, strength verifications were performed, in order to estimate the strength reserves of the structure, assuming both integer and damaged condition of resisting structural elements.

Nel lavoro di Tesi viene presentato lo studio dinamico-strutturale di una delle più importanti opere storiche dell’ingegneria italiana, il Ponte San Michele di Paderno d’Adda (1889). Lo studio si è avvalso della disponibilità di informazioni sulle caratteristiche dinamiche reali della storica infrastruttura, ottenute dal Politecnico di Milano nell’ambito di una collaborazione con RFI, principale utente istituzionale dell’opera. Lo sviluppo della Tesi ha comportato una preliminare analisi dettagliata degli elaborati progettuali originali del ponte, redatti dalla società costruttrice SNOS, attraverso la quale è stato possibile ricostruire la complessa geometria di cui la struttura si compone. Una volta nota la geometria si è proceduto con lo sviluppo di un modello numerico tridimensionale ad elementi finiti. Il lavoro si è articolato in una fase di calibrazione del modello numerico e, non potendo disporre di dati esaurienti riguardanti lo stato di conservazione dei materiali che compongono la struttura, si sono eseguite analisi di sensitività per comprendere quali parametri influenzassero maggiormente il comportamento dinamico osservato (soprattutto, in termini di frequenze naturali dei modi propri di vibrare). Sulla base di questi risultati si è proceduto con la fase di ottimizzazione del modello realizzata mediante l’aggiornamento manuale (Manual tuning) e il processo di identificazione (Model updating) dei parametri strutturali incerti, che ha consentito di trovare la soluzione che minimizza le differenze con i dati sperimentali in termini di frequenze proprie e deformate modali. Con questa operazione si è riusciti di fatto a validare il modello ed anche ad avere indicazioni circa lo stato di conservazione dell’opera, riuscendo a comprendere quali sottostrutture sono caratterizzate da minore rigidezza (e quindi probabilmente maggiormente danneggiate dalla corrosione). Sul modello così implementato si sono eseguite poi analisi statiche convenzionali, volte a determinare lo stato di sollecitazione nell’opera, mettendo in evidenza i risultati riscontrati nella configurazione di attuale esercizio dell’opera e quelli relativi alla configurazione del progetto originale. Infine sono state effettuate le verifiche di resistenza, al fine di stimare le riserve di resistenza della struttura, focalizzandosi sul confronto tra i casi di membrature integre e danneggiate considerando anche il probabile scenario di danneggiamento strutturale (corrosione) che sembra colpire, in particolare, le membrature dell’arco.