Il monitoraggio strutturale di ponti e viadotti

Da una nota del Consiglio Nazionale delle Ricerche è risultato che dai 10.000 ai 12.000 ponti in Italia andrebbero subito controllati e revisionati. Fare controlli sui ponti significa evitare situazioni d’allarme come dissesti e crolli.

Il monitoraggio per tenere sotto osservazione lo stato delle opere d’arte ai fini della valutazione della loro sicurezza.

I controlli più diffusi sono le Ispezioni Visive che, affinché risultino efficaci, devono essere effettuate in modo rigoroso e ad intervalli regolari su tutti gli elementi di ogni opera d’arte infrastrutturale.

È però da chiedersi se così facendo siamo sicuri di riuscire effettivamente a tenere sotto controllo l’intera struttura.

E se così fosse, siamo sicuri che da un sopralluogo ad un altro non succeda nulla che vada a compromettere il manufatto?

A valle di questi dubbi, l’obiettivo principale è sicuramente trovare una soluzione che sia in grado di tenere sempre la struttura sott’osservazione.   

Una delle soluzioni in grado di risolvere il problema delle sole ispezioni visive, e quindi di migliorare la sicurezza delle costruzioni esistenti, è sicuramente il monitoraggio strutturale.

Purtroppo, nelle Norme Tecniche per le Costruzioni 2018, nonostante si presti molta attenzione all’affidabilità dei materiali e alla manutenzione delle strutture, i monitoraggi non vengono mai menzionati come strumento di verifica autorevole delle condizioni di stabilità delle strutture esistenti.

Dei monitoraggi oggi in uso il più appropriato al controllo dei ponti è il monitoraggio in continua, ad acquisizione automatica con gestione dei dati da postazione remota. Esso è grado di monitorare grandezze fisiche 24 ore su 24, i dati acquisiti possono essere gestiti online in tempo reale e sono consultabili in qualsiasi momento da chiunque sia in possesso delle credenziali d’accesso al sistema.

Tra le grandezze monitorabili si hanno grandezze fisiche legate direttamente alla struttura (gli spostamenti, le inclinazioni, le tensioni e le accelerazioni), e grandezze non strutturali (le vibrazioni, il vento, la temperatura e l’umidità) che, pur non essendo connesse alla struttura, ne influenzano il comportamento.

Nel dettaglio:

• spostamenti e inclinazioni vengono monitorate da una strumentazione che possiede una sensibilità nell’ordine del centesimo di mm e del centesimo di grado. Legati agli spostamenti si possono monitorare anche gli allargamenti o restringimenti dei lembi delle lesioni che già di per sé sono sintomo di movimenti strutturali. Il sensore, posto a cavallo della lesione, indica se il movimento è stabile o in evoluzione e la sua entità nel tempo;
• il monitoraggio delle accelerazioni permette, a seguito di un’elaborazione dei dati, di caratterizzare dinamicamente il manufatto. Si consideri che un cambiamento dei parametri dinamici fondamentali è sintomo di un cambiamento di comportamento e quindi di movimenti della struttura;
• il monitoraggio delle tensioni per valutare se sono in atto variazioni dello stato di sollecitazione negli elementi strutturali;
• il vento e le vibrazioni, tra le grandezze non strutturali, sono quelle che hanno un ruolo principe per i ponti e per i viadotti. Le loro variazioni d’intensità generano forze che potrebbero in alcuni casi non essere più compatibili con la struttura e generare addirittura fenomeni di risonanza. Il monitoraggio delle vibrazioni da traffico veicolare, inoltre, non solo tiene conto delle forze che esso genera ma permette anche la caratterizzazione e l’identificazione dinamica del ponte in esame tramite un’analisi di tipo EMA.

Il monitoraggio delle variazioni di temperatura e di umidità, i cui sbalzi e/o gradienti inducono sollecitazioni aggiuntive anche di non trascurabile entità, consente di comprendere l’entità delle deformazioni da esse generate ai vari elementi strutturali costituenti l’opera d’arte, distinguendole da quelle dovute a stati tensionali e/o cedimenti veri e propri.

Al fine di valutare le grandezze appena viste viene utilizzata una vasta gamma di sensori di cui, ne descriviamo qui di seguito, alcuni di uso maggiormente diffuso.

• Sensori di spostamento e inclinometri: utilizzati rispettivamente per valutare spostamenti e rotazioni della struttura. I primi vengono utilizzati soprattutto per monitorare gli allargamenti dei lembi delle lesioni e gli spostamenti dei giunti, i secondi per misurare le rotazioni delle sezioni cui sono apllicati (Fig.1/2).

• Sensori di temperatura e umidità: installati rispettivamente per monitorare gradienti di temperatura e d’umidità. Essi sono anche utili per verificare se le grandezze in gioco sono correlate con parametri ambientali.
• Accelerometri piezoelettrici: per acquisire vibrazioni in termini di storie accelerometriche (Fig.3).

• Trasduttori di pressione: possono essere applicati a celle di carico (es. martinetto piatto inserito nella muratura) per valutare le variazioni delle tensioni esistenti (Fig.4).
• Anemometri a pale e ad ultrasuoni: per monitorare la direzione e la velocità del vento (Fig.5).
• Distanziometri: per valutare eventuali spostamenti lineari, anche di discreta entità (Fig.6).

• Strain Gauges: per misurare le deformazioni, e quindi le tensioni (Fig.7).
• Geofoni: per acquisire vibrazioni in termini di storie di velocità (Fig.8).

IndaginiStrutturalisrl, da anni impegnata nel settore per le verifiche dello stato di salute delle costruzioni esistenti, si avvale di un proprio sistema di monitoraggio automatico basato su componenti di alta qualità e software appositamente sviluppati per garantire la massima flessibilità ed affidabilità.

L’architettura del sistema di monitoraggio utilizzato è suddivisa in 3 macroaree: la rete di sensori, il sistema di trasmissione e il sistema di raccolta dati. I dati acquisiti in forma tabellare ad intervalli di tempo preimpostati, consultabili anche da postazione remota da chiunque sia in possesso delle credenziali d’accesso al sistema, vengono elaborati ed interpretati su grafici che riportano per ogni sensore la variazione nel tempo della grandezza d’interesse, dando così la possibilità di valutare eventuali anomalie.

L’importanza di questo tipo di monitoraggio è legata al fatto che attraverso l’elaborazione di variazioni di dati di piccola entità è possibile diagnosticare e prevenire problemi di grossa entità.

Il monitoraggio, le strumentazioni ed i sistemi d’acquisizione appena descritti è possibile applicarli su qualsiasi tipologia di ponte o viadotto. Di seguito si riporta un breve descrizione delle tre tipologie principali di ponti e viadotti, distinte a seconda del materiale costituente (muratura, acciaio e cemento armato), correlando le patologie più comuni presenti su ogni Opera d’Arte alla strumentazione che è possibile installare al fine di monitorare grandezze utili alla prevenzione di dissesti strutturali.

Le patologie dei ponti in muratura sono prevalentemente legate all’età, all’aumento negli anni di frequenza, intensità e velocità dei carichi mobili che li attraversano, alle condizioni ambientali quali anche l’inquinamento, alle mutate condizioni idrografiche degli alvei e ai difetti di costruzione.

I sensori più utilizzati per questa tipologia di manufatto sono:

• sensori lineari a cavallo delle lesioni (Fig.10);
• accelerometri e geofoni per tener conto delle vibrazioni trasmesse dal traffico veicolare e delle variazioni dei parametri dinamici fondamentali (Fig.11);
• sensori inclinometrici per valutare eventuali rotazioni dell’intera struttura, o di parte di essa, dovute molto spesso a cedimenti fondali (Fig.12);
• trasduttori di pressione per misurare le tensioni esistenti e verificare se risultano, o meno, compatibili con la struttura medesima (Fig.13).

Per i ponti in cemento armato, le loro patologie sono da correlarsi a: 

a) cause di tipo chimico-fisico (come ad esempio la carbonatazione, il ritiro, i cicli di gelo e disgelo)

b) cause di tipo meccanico (come urti, vibrazioni e sismi)

c) a cause di tipo tecnologico-progettuale che possono riguardare la scarsa qualità dei materiali e la sottostima degli elementi strutturali.

Per questa tipologia di ponti vengono maggiormente utilizzati:

• sensori inclinometrici per monitorare rotazioni della struttura (Fig.15);
• sensori lineari a cavallo delle lesioni presenti o a cavallo dei giunti (Fig.16);
• Strain Gauges per la valutazione delle deformazioni;
• distanziometri per monitorare eventuali movimenti anomali (Fig.17);
• accelerometri per tener conto delle vibrazioni presenti e/o per valutare eventuali variazioni dei parametri dinamici fondamentali (Fig.18).  

I ponti e viadotti in acciaio, infine, risentono soprattutto di problemi di fatica, usura e corrosione.

Queste tipologie di Opere d’Arte vengono monitorate maggiormente attraverso sensori di spostamento orizzontale e verticale, inclinometri e distanziometri per valutare eventuali movimenti anomali e con accelerometri per tener sott’osservazione le vibrazioni al fine di evitare problemi di risonanza.

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