Recenti sviluppi nel monitoraggio statico e dinamico di ponti e viadotti

“Ne è passata di acqua sotto i ponti” da quando negli anni ’60 l’Italia poteva vantare una rete autostradale da fare invidia anche ai paesi più avanzati e quando si inaugurava l’Autostrada del Sole addirittura con tre mesi di anticipo rispetto alla data prevista. I crolli verificatesi in Italia negli ultimi anni hanno messo in evidenza la necessità di valutare lo stato di salute di ponti e viadotti e delle infrastrutture in genere e, spesso, di intervenire. Il tempo, infatti, ha dimostrato che non sempre si è costruito a regola d’arte, mentre in molti casi non si è fatta la necessaria manutenzione. In un mondo delle costruzioni, e non solo quello, dove regnano il “massimo ribasso” e i “tagli alla spesa”, il risultato forse non poteva essere migliore. 

Oggi abbiamo conoscenze adeguate sia per poter progettare nuove strutture con un grado di sicurezza elevato sia per intervenire sulle strutture esistenti migliorandole dal punto di vista statico e sismico. Sappiamo che, come per le persone, anche le strutture hanno bisogno di check-up programmati, anzi oggi possiamo controllarle con sistemi di monitoraggio avanzati, che ci consentono di individuare eventuali danneggiamenti già nella loro fase iniziale. È così possibile intervenire in tempo con spese contenute, prima che il livello di danneggiamento diventi maggiore, richiedendo interventi più pesanti e costosi, o addirittura irreversibile: questo vuol dire fare prevenzione. 

Va osservato che abbiamo un ampio patrimonio di ponti, costruiti con materiali diversi (muratura, c.a., acciaio), molti dei quali progettati con norme tecniche ben diverse da quelle attuali e, pertanto, ipotizzando carichi mobili diversi da quelli delle norme tecniche attuali. La salvaguardia di tali strutture, ossia la garanzia della loro efficienza, durabilità e affidabilità, è di fondamentale importanza sotto gli aspetti sociale, economico e della sicurezza e può essere perseguita attraverso un appropriato programma di manutenzione. Ovviamente, al fine di definire un intervento di miglioramento o un programma di manutenzione, è fondamentale la conoscenza dettagliata dell’opera. 

Pur riconoscendo il ruolo fondamentale delle ispezioni visive, va evidenziato che sono sempre molto soggettive. Anche ispezioni approfondite, non sempre possibili per gli scarsi finanziamenti disponibili, non consentono, in genere, di rilevare carenze non già rilevabili con ispezioni di routine. 

L'alternativa è il monitoraggio, che non solo può consentire di tenere sotto controllo un numero elevato di ponti con un ridotto sforzo, ma può ridurre o addirittura eliminare i costi delle ispezioni, offrendo anche un livello di affidabilità più elevato.

L’obiettivo da perseguire è la riduzione dei costi di manutenzione con un aumento dell’affidabilità, grazie soprattutto alla riduzione dei costi di ispezione ma anche all'aumento della manutenzione preventiva, meno costosa di quella a domanda, con risparmi significativi. 

Il monitoraggio ai fini della manutenzione 

L’approccio migliore è senz’altro quello della manutenzione preventiva su richiesta basata sul monitoraggio, in cui viene verificato lo stato di salute del ponte e dei suoi componenti al continuo e, in caso di danno, viene eseguito l'intervento sulla base del livello di danno riscontrato. Tale approccio non presenta lo svantaggio di intervenire quando il danno è già grave o irreversibile e quello di richiedere l'interruzione del traffico o almeno una sua limitazione importante, con evidenti effetti economici, tipici della classica manutenzione su richiesta, che implica un intervento solo se si è già verificato un danno, né quello di uno sfruttamento non ottimale della struttura o dei suoi componenti, come può avvenire nella manutenzione preventiva ciclica se la vita utile stimata fosse diversa da quella effettiva. 

Il monitoraggio comprende quello statico e dinamico, in grado di evidenziare le principali problematiche, mediante il weigh-in-motion, la misura di alcuni parametri significativi di spostamento e deformazione al passaggio dei carichi mobili e l’analisi del comportamento in occasione di eventi sismici, ma non può prescindere dalle analisi sperimentali periodiche, come quelle sui materiali anche mediante estrazione di campioni e relative prove di laboratorio. 

Un monitoraggio efficiente dovrebbe basarsi su un numero elevato di sensori, che dovrebbero essere allo stesso tempo affidabili, per ottenere dati utili, e di basso costo per poterne prevedere un utilizzo su larga scala. Per le misure temporanee si è diffusa negli ultimi decenni l’utilizzo dell’interferometria radar terrestre che, a fronte di maggiori difficoltà nell’analisi dei dati e nell’interpretazione dei risultati, presenta l’indiscutibile vantaggio di non richiedere l’installazione di sensori sulla struttura né l’accesso diretto alla stessa. 

Una valida alternativa potrebbe basarsi sulla conoscenza dettagliata dell’opera, perseguita attraverso prove sperimentali anche dinamiche ma di durata limitata, e un’accurata modellazione matematica che consenta la definizione di scenari di danno (o di comportamento, in generale) in funzione del livello di scuotimento sismico o di altro evento. Basterebbero allora pochi sensori, per esempio al piede e in uno o pochi punti della struttura, per stimare i probabili effetti e decidere in tempo reale la chiusura o la necessità di ispezione di un ponte o viadotto. Semafori opportunamente disposti in corrispondenza delle uscite autostradali, per esempio, potrebbero inibire al traffico tratti in cui sono presenti opere d’arte a rischio, in attesa di controlli che andrebbero eseguiti in tempi rapidi dopo l’evento. 

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Figura 1. Il Ponte San Giorgio a Genova è dotato di un avanzato sistema di monitoraggio, che include anche due robot (da INGENIO). 

Principali sistemi di monitoraggio 

La tecnologia attualmente ci offre sensori di vario tipo e sistemi di trasmissione dati avanzati. I sensori tradizionali possono essere sostituiti o affiancati da sensori MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) e sensori a fibra ottica con vantaggi sia in termini di costi che di tempi di installazione. Le fibre ottiche consentono anche dispositivi di rilevamento distribuiti. Inoltre, sono disponibili sensori wireless che offrono indubbi vantaggi anche se, allo stato attuale, con limitazioni nel numero e nell’affidabilità. 

L'analisi dei dati ottenuti consente di migliorare la prognosi e ridurre i costi complessivi di manutenzione. Anche le ispezioni possono essere drasticamente ridotte e indirizzate utilizzando droni, mentre per il monitoraggio dinamico sono stati sviluppati sistemi di monitoraggio basati sulle riprese video e sensori inseriti nei veicoli che attraversano il ponte (crowdsdurcing). Il sistema di monitoraggio deve resistere ad ambienti difficili e i sensori devono essere robusti e durevoli in modo che i loro dati misurati siano riproducibili e affidabili per tutta la durata del monitoraggio. 

La ricerca nel prossimo futuro sarà indirizzata allo sviluppo e l’utilizzo di sistemi di rete di sensori wireless innovativi basati su componenti di sistema innovativi disponibili sul mercato (ad esempio MEMS) e componenti aggiuntivi appositamente sviluppati, e allo sviluppo di software che consenta la diagnosi precoce da remoto. Molto promettenti sembrano i materiali sensibili, che forniscono informazioni su ciò che avviene al loro interno, per esempio cambiando alcune proprietà, come la resistenza elettrica, al variare della sollecitazione. Si possono anche incorporare nel materiale sensori di piccole dimensioni e costi accessibili, che forniscono informazioni su temperatura, umidità e altro. 

Per misure periodiche delle proprietà meccaniche degli elementi strutturali si possono utilizzare laboratori mobili, dotati di vibrometro dinamico, martello a percussione, generatore di segnale e i corrispondenti amplificatori nonché di accelerometri. È in genere incluso un software per l'acquisizione dei dati e l'interpretazione dei risultati, oltre a un software per la modellazione strutturale. 

Un paragrafo dedicato merita il monitoraggio da satellite. 

Un tipico schema di posizionamento di sensori a fibra ottica

Figura 2. Un tipico schema di posizionamento di sensori a fibra ottica: inclinometro all’appoggio e coppie di deformometri alle estremità di tre sezioni della campata (semplicemente appoggiata). 

Monitoraggio da satellite

Il monitoraggio delle infrastrutture su aree vaste richiede notevoli risorse economiche e di tempo risultando spesso di complessa attuazione. L’utilizzo delle tecnologie satellitari permette di superare questi limiti e di disporre di informazioni frequenti, accurate e sostanzialmente accessibili, grazie ad una ormai ampia disponibilità di informazioni territoriali, anche open data. 

L'utilizzo di immagini satellitari consente, infatti, di monitorare vaste aree su cui sono distribuite le infrastrutture, permettendo la pianificazione delle ispezioni, la definizione di una scala di priorità delle indagini in situ e conseguentemente la pianificazione degli interventi di manutenzione. 

Di particolare interesse è, in questa direzione, l’utilizzo dei dati radar, che consente di monitorare i movimenti superficiali del territorio al fine di individuare e prevenire fenomeni franosi e di instabilità del terreno che possono danneggiare edifici e infrastrutture. I sistemi radar sono sensori di tipo attivo, ossia inviano un segnale che viene riflesso dalla superficie terrestre e ricevuto dal sensore. Il principio di funzionamento è il medesimo per tutti i sistemi radar: un apparecchio trasmittente illumina lo spazio circostante con un’onda elettromagnetica che incide su eventuali oggetti subendo un fenomeno di riflessione disomogenea (scattering). 

Geometrie di acquisizione del sistema satellitare interferometrico SA

Figura 3. Geometrie di acquisizione del sistema satellitare interferometrico SAR (da Bignami C., Chini M., Stramondo S., 2011)

L’interferometria satellitare si basa sulla misura delle variazioni di fase tra due acquisizioni del satellite dello stesso punto. Il satellite passa su di un punto acquisendo un segnale la cui fase è dipendente dalla distanza sensore-bersaglio in quel dato momento. In caso di movimento del terreno la distanza sensore-bersaglio aumenta o diminuisce e di conseguenza la fase subisce una variazione misurabile. Questo tipo di elaborazione viene comunemente chiamata interferometria differenziale (DInSAR) ed è stata più volte utilizzata per estrarre la mappa delle deformazioni dei recenti terremoti.

La tecnica PSInSAR impiega lunghe serie temporali di immagini radar satellitari per l’individuazione e la misura di fenomeni deformativi della superficie terrestre e si basa sull’osservazione di bersagli denominati Permanent Scatterers (PS), che mantengono la stessa “firma elettromagnetica” nel tempo. I PS corrispondono generalmente a strutture di origine antropica (edifici, strade, ponti etc.), oppure elementi naturali quali affioramenti rocciosi. Le infrastrutture rappresentano quindi dei bersagli ben visibili che non necessitano dell’apposizione di corner reflector in quanto facilmente individuabili e riflettenti. 

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