Conclusioni II Congresso Nazionale CODIS

Conclusioni II Congresso Nazionale CODIS
(Associazione per il Controllo, la Diagnostica e la Sicurezza di
Strutture, Infrastrutture e Beni Culturali)
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

Orizzonte temporale
4FB-08-11-19

Design as Foresight
5FB-08-11-19

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
7FB-08-11-19

Integrità strutturale
• Integrità strutturale è la qualità di una costruzione di avere
tutte le sue parti organizzate ordinatamente capaci di
sviluppare le proprie funzioni in modo da garantire la
sicurezza delle persone (e dell’ambiente) oltre alle
prestazioni previste per la costruzione.
8FB-08-11-19

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)
9FB-08-11-19

-
Bridge Scheme (as actual)
11FB-08-11-19

RESILIENCE
Time Horizon for a Structure
12FB-08-11-19

RESILIENCERESILIENCE
CONSTRUCTIONS
NEW
EXISTING
COLLAPSED
“As Designed”
“As Built”
“As Actual”
“As Failed”
As …
13
design
clima
FB-08-11-19

Es.: design clima
14FB-08-11-19

Ponte sul Rio Sinigo
15
L’industria Italiana del
Cemento 1983;12:759–72.
FB-08-11-19

16
Cemento 1983;12:759–72.
FB-08-11-19

18
Cemento 1983;12:759–72.
FB-08-11-19

19
Cemento 1983;12:759–72.
FB-08-11-19

Principio di precauzione
• Nell’introduzione di tecnologie e materiali innovativi, deve essere
adottato questo principio che si declina come:
1. Criterio adottato da istituzioni governative e scientifiche in
base al quale vengono sospese quelle attività e produzioni
dell'uomo per le quali non sia possibile escludere una loro
potenziale influenza dannosa sull'ambiente.
2. Criterio di gestione del rischio in condizioni di incertezza
scientifica circa possibili effetti dannosi ipoteticamente
collegati a determinate attività, installazioni, impianti, prodotti,
sostanze.
• Da notare che la precauzione, nel suo significato di prudenza, è
uno dei requisiti (insieme a diligenza e perizia) della deontologia
professionale.
23FB-08-11-19

Precauzione (Vocabolario Treccani)
• precauzióne s. f. [dal lat. tardo praecautio -onis, der. di praecavere
«guardarsi, essere cauto» (comp. di prae- «pre-» e cavere «stare in
guardia»), prob. attraverso il fr. précaution]. –
• 1. Prudenza, cautela, circospezione nell’agire per evitare pericoli,
danni, rischi imminenti e possibili: operare, muoversi, avanzare con
p.; comportarsi con p.; guidare con estrema p.; anche, attenzione,
delicatezza nel maneggiare, nel toccare qualcosa: trasportare con
mille precauzioni un vaso di cristallo. 2.
• Atto, provvedimento attuato a scopo di cautela, di prudenza, di
prevenzione: adottare le dovute p.; prendere precauzioni (spesso con
riferimento alla profilassi anti contraccettiva); abbiamo agito con ogni
possibile p.; p. igieniche, sanitarie; non prese nessuna p. contro la
peste (Manzoni).
24FB-08-11-19

Mixture 2 before the addition of the fibers
FB-08-11-19 25

Mixture 2 after the addition of the fibers
FB-08-11-19 26

Casting of plate n. A3
FB-08-11-19 28

Introduzione e utilizzo dell’amianto negli Anni ‘60
29
All’inizio degli
Anni Sessanta,
l’amianto era
considerato
come un ottimo
materiale
innovativo, e ne
erano vantate
applicazioni in
testi tecnici di
riferimento: una
chiara,
devastante,
violazione del
principio di
precauzione.
FB-08-11-19

Risk treatment
Option 1 Risk avoidance, which usually means not
proceeding to continue with the system;
this is not always a feasible option, but
may be the only course of action if the
hazard or their probability of occurrence
or both are particularly serious;
Option 2 Risk reduction, either through (a) reducing the
probability of occurrence of some events,
or (b) through reduction in the severity of
the consequences, such as downsizing
the system, or (c) putting in place control
measures;
Option 3 Risk transfer, where insurance or other
financial mechanisms can be put in place
to share or completely transfer the
financial risk to other parties; this is not a
feasible option where the primary
consequences are not financial;
Option 4 Risk acceptance, even when it exceeds the
criteria, but perhaps only for a limited
time until other measures can be taken.30FB-08-11-19

Monitoraggio e diagnostica
31FB-08-11-19

Traditional Design vs Performance Based Design
FB-08-11-19 32
https://www.slideshare.net/FrancoB
ontempi/design-knowledge-gain-by-
structural-health-monitoring-
125618929

33FB-08-11-19

34FB-08-11-19

Knowledge & Experience
35FB-08-11-19

36FB-08-11-19
FORWARD
ANALYSIS
BACK
ANALYSIS
36

FB-08-11-19 37
https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/15732479.2015.1075050

Sistema strutturale
38
Una struttura è un insieme organizzato
e gerarchico di parti ed elementi
strutturali.
In particolare, elementi strutturali
come le travi, hanno una ben precisa
fisiologia (modalità attraverso le quali
l’elemento strutturale riesce a
mantenere equilibrio e stabilità).
L’introduzione di nuovi materiali deve
essere rispettosa di questi
comportamenti intrinseci, oltre che
della gerarchia strutturale
complessiva. Ad esempio, la
sostituzione di elementi portanti
lineari come le barre di rinforzo in travi
con microfibre appare innaturale.
FB-08-11-19

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)
Structural Levels
39
DIMENSIONI
FORMA (MORFOLOGIA)
CONNESSIONI
(PERCORSO CARICHI)
FB-08-11-19

Pilastro 11 Piano terra
FB-08-11-19 40

Numerazione pilastri
Pilastro N. 4
Pilastro N. 12Pilastro N.11 (collassato)Pilastro N. 10
Configurazione finale
FB-08-11-19 53

0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85
DISTRIBUZIONE RISULTATI PROVINI CLS
carote pilastri cubi certificati carote pilastro 11 Serie5 Serie6
FB-08-11-19 61

FB-08-11-19 63
https://www.darioflaccovio.it/appalti-
edilizia-forense/1268-ingegneria-forense-
strutturale.html

Processo diagnostico
I. Fase analitica (semeiotica)
• Osservazione
• Rilevamento critico dei segni e sintomi (anamnesi, esame obiettivo,
indagini semeiologiche di laboratorio e strumentali)
II. Fase di elaborazione logica
• Concentrazione dei segni e sintomi in quadri logici e confronto di
questi con la patologia nota
III. Fase diagnostica (sintesi)
• Corrispondenza tre le varie condizioni morbose aventi attinenza con
la sintomatologia del paziente (diagnosi differenziale)
• Definizione della forma morbosa con maggiore corrispondenza
(diagnosi definitiva)
64

Intelligenza artificiale
65FB-08-11-19

66
Response time history approximation
0,6
0,61
0,62
0,63
600 1100 1600 2100 2600timeRx
Training Test A Test B Test C
Displacements time history
Rotations time history
Wind mean velocity: 57 m/s
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
600 1100 1600 2100 2600time
Uz
Training Test A Test B Test C
Finite element analysis
FB-08-11-19

67
0,E+00
2,E-05
4,E-05
6,E-05
test
err
NN
BNN
Training TestA TestB TestC
0
0,0001
0,0002
0 100 200 300 400time
err
Training TestA TestB TestC
0
0,002
0,004
0,006
0,008
0,01
0 100 200 300 400 500time [s]
err
Training TestA TestB TestC TestD
Comparison of the results
Error comparison
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
test
err
NN
BNN
Training TestA TestB TestC TestD
Network “4 + 4”
Network “2 + 1”
FB-08-11-19

68
POSTERIOR FOR , 
TRAINING: OPTIMIZATION
w = wMAP?
?( ) ( )DMEVDMEV ii 1−
INFERENCE OF NEW DATA
CHOOSE MODEL Mi-1
?
POSTERIOR FOR Mi
,  = MP, MP
DATA PRE- PROCESSING
OUTPUT
NETWORK MODEL Mi
N HIDDEN = i
N INPUT = k
POSTERIOR FOR w
yes
DATA POST PROCESSING
PROBABILISTIC MODEL
no
INPUT
CHOOSE INITIAL , 
INITIALIZE WEIGHTS w
RE-ESTIMATION OF , 
yes
n
oWγ 
yes
no
i= i+1
is 1,…,k
‘very large’?
k= k-1
yes
no
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
0 20 40 60 80
Damage detection
Identification of the portion
of the deck
Identification of the
element
FB-08-11-19

69
Nonlinear feed-forward basis functions
Neural network model
( ) 







+








+=  ==
)2(
0
1
)1(
0
)1(
1
)2(
, k
D
j
jiji
M
j
kjk bbxwgwfy wx
=
+=
D
i
jijij bxwa
1
)1(
0
)1(
( )kk afy =
=
+=
M
j
kjkjk bzwa
1
)2(
0
)2(
( )jj agz =
NEURAL NETWORK
MODEL
( ) ( )







= =
M
j
jjwfy
1
, xwx 
output units
hidden units
activations
weights
bias
FB-08-11-19

70
Learning and generalization (model complexity)
Underfitting
TOO SIMPLE
The network performance is strictly related to the model complexity
TOO COMPLEX
x
y
y = f(x)
h = g(x)
Overfitting
“with at most two hidden layers with a sufficient number
of units it is possible to approximate any function with
arbitrary accuracy. If the function is
continuous only one hidden layer is sufficient”
(Cybenko, 1989)
It is difficult to define what “a sufficient
number of units” is!
FB-08-11-19

71
Probabilistic interpretation
( )  



−− 2
;
2
exp),,,( ww nn xytMxtp


1) Probabilistic interpretation
of the network output
2) Probability model
for the prediction error
);( wxyt −=
Gaussian  = 0
D
2 = 1/
3) Predictive PDF
The output
approximates the
conditional average of
the target data
hyperparameter
4) Prior PDF
( )






−=
2
2
exp
1
),( w
Z
Mwp
W



Gaussian  = 0
w
2 = 1/
hyperparameter
FB-08-11-19

FB-08-11-19 72https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/15732479.2014.951867

Passaggi semiautomatizzati
FB-08-11-19 73
La fase di lavoro di cui vengono di
seguito esposti i risultati è consistita
nella realizzazione di modelli
geometrici delle strutture che
possano, attraverso passaggi semi-
automatizzati, essere
immediatamente acquisiti dai
programmi di calcolo.
In particolare, i modelli di
restituzione aerofotogrammetrica
acquisiti mediante drone sono stati
elaborati e da essi sono stati
derivati i modelli geometrici,
oggetto delle analisi strutturali
previste nel corso delle prossime
fasi del lavoro di questo task.

Contrasti trasversali
FB-08-11-19 76
Pila 12 BLU

FB-08-11-19 79
5,00 = 2,40 m
5,00 = 2,40 m
Testa pila

FB-08-11-19 80
5,00 = 2,40 m
5,00 = 2,40 m
Testa pila

Pila 12 BLU
13
3.5
FB-08-11-19 81

11.41
2.77
FB-08-11-19 82
Pila 11 BLU

10.51
2.31
FB-08-11-19 83
Pila 10 BLU

Confronto spostamenti
FB-08-11-19 84
progetto
misurato
RED monte
misurato
BLU valle

http://territorio.regione.emilia-romagna.it/codice-territorio/sismica/dossier-sentenze-
della-causa-penale-conseguente-al-crollo-delledificio-scolastico-jovine-di-san-giuliano-di-
pugliaFB-08-11-19 87

100%
Time
%offailure Unknown phenomena
Known phenomena
Research level Design code level
past present future
A
BB B
C
Humanerrors
Causes of System Failure
90FB-08-11-19

Controlli terzi e indipendenti
94FB-08-11-19

99
https://www.corriere.it/extra-per-voi/2016/12/02/truffa-
enron-15-anni-fa-tappe-default-pagine-d-archivio-7b487b7a-
b7f6-11e6-a82f-f4dafb547583.shtml?refresh_ce-cp
FB-08-11-19

100
https://ricerca.repubblica.it/repubblica/archivio/repubblica/2
001/11/30/enron-fallimento-da-record.html?refresh_ce
FB-08-11-19

101
http://www.vita.it/it/article/2004/08/19/crac-parmalat-
anche-i-revisori-dei-conti-pagheranno/36527/
FB-08-11-19

102
https://www.italiaoggi.it/archivio/parmalat-deloitte-sapeva-
ma-ha-fatto-finta-di-niente-1237512
FB-08-11-19

103
https://st.ilsole24ore.com/art/norme-e-tributi/2011-10-
17/crac-parmalat-pena-severa-185559.shtml?uuid=Aa48SmDE
FB-08-11-19

HAZARD
IN-DEPTH
DEFENCE
HOLES DUE TO
ACTIVE ERRORS
HOLES DUE TO
HIDDEN ERRORS
FAILURE PATH
105FB-08-11-19

Failure Path
FB-08-11-19 106
HAZARD
IN-DEPTH
DEFENCE
HOLES DUE TO
ACTIVE ERRORS
HOLES DUE TO
HIDDEN ERRORS
[0] DESIGN CLIMA
[1] CONCEPTUAL DESIGN
[2] DRAWINGS
[3] CALCULATION
[4] MATERIALS/COMPONENTS
[5] CONSTRUCTION
[6] USE
[7] ACCIDENTS / EXCEPTIONS
[8] MAINTENANCE
[9] MONITORING

Robustezza strutturale
• Capacità di una struttura (sistema strutturale) di mostrare un
degrado regolare della propria qualità (integrità) in
proporzione alle cause negative scatenanti.
• Precsiamente, si deve avere:
a. un degrado regolare della qualità strutturale (integrità),
proporzionale all'entità della causa scatenante
(caratteristica intensiva);
b. una diffusione spaziale del degrado strutturale limitata
(caratteristica estensiva).
108FB-08-11-19

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
109FB-08-11-19

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.
110FB-08-11-19

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.
111FB-08-11-19

“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
112
Un risvolto significativo della robustezza è che il
collasso della struttura se avviene, deve
avvenire con modalità opportune: le
conseguenze devono essere limitate, come
avviene nei casi di collassi in cui ha l’implosione
della costruzione, con un processo limitato.
FB-08-11-19

Fail-Safe (ITA)
• Nella tecnica, denominazione dei sistemi (apparati,
componenti, strutture ecc.) progettati in modo da evitare
che eventuali avarie arrechino danni a persone o ad altri
sistemi a loro interconnessi od operanti in prossimità.
• In particolare, nelle costruzioni meccaniche, e specialmente
in quelle aeronautiche, sono così chiamate le strutture
capaci ancora di notevole resistenza, benché affette da
incrinature o rotture di qualche parte o elemento (anche di
parti nascoste o non immediatamente visibili). Le incrinature
e rotture vengono riparate o rimosse in occasione delle
ispezioni e delle revisioni obbligatorie periodiche.
113FB-08-11-19

System run-away
114FB-08-11-19

120
EDI-CEM Srl – Rivista “Strade & Autostrade”
www.stradeeautostrade.it
FB-08-11-19

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