Monitoraggio strutturale e strutture intelligenti: opportunità e falsi miti

Carlo Rainieri - Ricercatore TD, Università degli Studi del Molise, carlo.rainieri@unimol.it Giovanni Fabbrocino - Professore Ordinario, Università degli Studi del Molise, giovanni.fabbrocino@unimol.it Matilde A. Notarangelo - CEO e Direttore Tecnico, S2X s.r.l., matilde.notarangelo@s2x.it Danilo Gargaro - Libero professionista, collaboratore S2X s.r.l., danilo.gargaro@s2x.it 25/10/2018 2351

Come una struttura monitorata diventa intelligente

L’osservazione della risposta delle strutture nel tempo e la valutazione delle condizioni di materiali e sistemi nel campo delle infrastrutture hanno normalmente un ruolo assai importante nel garantire condizioni di servizio compatibili con gli standard di sicurezza indicati dalle norme tecniche di settore. Spesso tali attività sono ricomprese nella generale e talvolta generica categoria del monitoraggio, sebbene i recenti avanzamenti della tecnologia abbiano superato tale paradigma operativo a favore di soluzioni capaci di mettere a disposizione di gestori e responsabili della manutenzione grandi messi di misure di parametri fisici e meccanici in tempo sostanzialmente reale. In particolare, il monitoraggio strutturale basato sulle vibrazioni sta conoscendo una rapida diffusione a livello internazionale anche grazie agli avanzamenti tecnologici della sensoristica e dell’ICT. In termini semplici, il monitoraggio basato sulle vibrazioni consiste nella registrazione protratta nel tempo della risposta strutturale in termini di accelerazioni e dei parametri fisici che possono influenzarla efficacemente elaborati per fornire grandezze globali rappresentative di uno stato di funzionamento della struttura. 

In altri termini, si tratta, di realizzare un’osservazione sperimentale in continuo delle grandezze di interesse e accoppiarla a procedure di elaborazione automatica dei dati misurati al fine di estrarre indicatori dello stato di salute della struttura capaci di segnalare in maniera tempestiva e in remoto l’insorgenza di fenomeni di danno e/o degrado (Figura 1). La struttura monitorata diventa così “intelligente”, ossia in grado di fornire un’autodiagnosi del proprio stato di salute. 

Illustrazione schematica del funzionamento di sistemi di Structural Health Monitoring 

Figura 1. Illustrazione schematica del funzionamento di sistemi di Structural Health Monitoring.

I vantaggi del monitoraggio strutturale per la manutenzione dell'opera

L’implementazione di procedure avanzate di monitoraggio strutturale per l’identificazione del danno offre numerosi vantaggi nell’ambito della gestione e della manutenzione del patrimonio strutturale e infrastrutturale, tra cui:

  • il supporto a, e l’oggettivazione del, processo di manutenzione strutturale in conformità con le prescrizioni delle NTC: l’osservazione in tempo reale della risposta strutturale e dell’evoluzione di eventuali fenomeni di degrado o danno è funzionale alla definizione di interventi tempestivi e mirati; affiancato alle tradizionali ispezioni, il monitoraggio rappresenta lo strumento tecnologico e operativo per il passaggio dalla manutenzione programmata (effettuata con cadenza regolare, indipendentemente dall’effettivo stato di salute della struttura) a quella proattiva, basata sulle effettive condizioni della struttura; il monitoraggio strutturale consente, dunque, di ridurre i costi di ispezione e ottimizzare le strategie di gestione finalizzate a garantire la durabilità dell’opera; 
  • la valutazione della risposta strutturale ai carichi dinamici e ciclici a cui l'opera è assoggettata e l’approfondimento delle conoscenze sul comportamento dinamico della costruzione stessa finalizzato, ad esempio, a identificare le cause di problematiche operative (ad esempio, eccessive vibrazioni) o a valutare l’efficacia di interventi strutturali;
  • la protezione sismica, grazie alla possibilità di valutare in remoto lo stato post-evento della struttura e supportare, sulla base delle informazioni raccolte, la gestione dell’emergenza: questo aspetto è di particolare rilevanza nel caso di strutture strategiche (http://www.s2x.it/bacheca/).

A fronte dei potenziali vantaggi della tecnologia, occorre tuttavia definire correttamente opportunità, limiti ed ambiti di applicazione della stessa anche al fine di contenere false aspettative che possono scoraggiarne l’applicazione ritenendola (apparentemente) inefficace. Sulla base di un’esperienza ultradecennale nello sviluppo di soluzioni avanzate di monitoraggio strutturale maturata dagli autori, sia in ambito accademico che di trasferimento tecnologico, il presente contributo mira a chiarire alcuni aspetti fondamentali per la corretta implementazione di soluzioni di monitoraggio strutturale con finalità di identificazione remota del danno. Per maggiore chiarezza espositiva, i diversi punti saranno affrontati nella forma di un’intervista simulata.

Buona lettura!

Domande e risposte sul monitoraggio strutturale

“Il monitoraggio strutturale basato sulle vibrazioni sembra essere di moda per la realizzazione di strutture intelligenti… Quanti e quali sensori servono per valutare lo stato di salute di una struttura?”

“Numero e tipologia di sensori variano da applicazione ad applicazione, in funzione degli obiettivi del monitoraggio e degli scenari di danno attesi. Non è possibile rispondere a priori ad una domanda del genere, ma occorre definire innanzitutto i requisiti di progetto in termini di obiettivi del monitoraggio. La scelta della soluzione tecnologica più adatta è la naturale conseguenza di una corretta definizione dei vincoli di progetto e delle esigenze gestionali collegate alle prestazioni di componenti e sistemi strutturali e non strutturali. Sebbene molto spesso il mercato parta dalla proposizione di una soluzione tecnologica e con quella cerchi di rispondere a qualunque quesito tecnico, la logica va ribaltata. Occorre partire dalla problematica tecnica (e in questo l’ingegnere civile ha un ruolo fondamentale) e solo successivamente identificare le soluzioni tecnologiche più idonee al conseguimento degli obiettivi”.

“Credo di aver capito. Assumiamo allora di voler identificare il danno prodotto da un sisma. Posso usare degli accelerometri per misurare il danno indotto dal sisma?”

“La domanda, mi perdoni, è mal posta. I sensori misurano una risposta meccanica o un parametro fisico, non un danno. Il concetto di danno, del resto, va visto in un’ottica più ampia di valutazione delle prestazioni strutturali. Una fessura in un edificio in elemento in cemento armato potrebbe essere associata sia a condizioni di funzionamento ordinario, sia al verificarsi di un danno. Per tale motivo, il monitoraggio statico dei quadri fessurativi, rispetto al monitoraggio dinamico, ha il duplice limite di misurare un fenomeno allorché questo si è già verificato (l’apertura di una fessura) e di cercare di risalirne le cause sulla base dell’aspetto dei quadri fessurativi rilevati. Il monitoraggio dinamico, invece, in quanto basato su indici di danno che fanno riferimento alla risposta globale della struttura, sono in grado di evidenziare, attraverso un’opportuna elaborazione dei dati, l’insorgenza di anomalie nella risposta che non erano presenti al momento dell’installazione ed, entro certi limiti, l’identificazione del danno può avvenire indipendentemente dalla posizione relativa dei sensori rispetto al danno stesso. In questo senso, l’impiego di accelerometri per misurare la risposta in vibrazioni di una struttura può essere utile a identificare il danno conseguente ad un terremoto, ma i sensori da soli non bastano: occorrono anche procedure automatiche di elaborazione dei dati acquisiti”.

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