Caratterizzazione modale tramite identificazione dinamica: il caso di alcuni ponti in acciaio

Il presente articolo, a cura di ricercatori del Dipartimento ICEA dell’Università di Padova, illustra casi studio e risvolti applicativi di alcuni test di identificazione dinamica effettuati nel Nord-Est Italia. Queste tipologie di indagini presentano delle potenzialità come strumento conoscitivo per i ponti, per la determinazione delle effettive condizioni di servizio e delle vulnerabilità nei confronti delle azioni dinamiche, in particolare quella sismica.

Sorveglianza e gestione dei ponti nelle reti di trasporto nazionali

A livello regionale e nazionale si sta riscontrando un crescente interesse verso le attività di sorveglianza e monitoraggio dei ponti in esercizio, sotto l’impulso da un lato della progressiva presa di coscienza collettiva di un patrimonio vulnerabile e in invecchiamento, e dall’altro dell’esigenza di ammodernamento infrastrutturale in termini di sicurezza e prestazioni.
Questo incremento di attenzione si riflette anche nell’attività normativa, potendo citare per esempio il D.L. 28 settembre 2018, e la recente emanazione delle “Linee guida per la classificazione e gestione del rischio, la valutazione della sicurezza ed il monitoraggio dei ponti esistenti”, come contributi che si propongono di accelerare e migliorare questo tipo di cambiamento. 

Gli obiettivi di sorveglianza, gestione e crescita “Smart” delle reti di trasporto esistenti rappresentano la grande sfida di questo secolo per gli Enti che controllano queste infrastrutture, e in particolare i ponti costituiscono gli elementi più importanti delle reti terrestri perché i più esposti a potenziali rischi, i più difficili da sostituire e quelli la cui inoperatività ha spesso ricadute immediate sul tessuto socio-economico. Si tratta di una grande sfida perché a fronte delle predette necessità, le risorse economiche a disposizione sono sempre limitate, e viceversa il patrimonio di opere di attraversamento è vastissimo: basti pensare alla conformazione territoriale regionale e nazionale (gli innumerevoli corsi d’acqua, l’orografia,..) per rendersi conto dell’importanza e della diffusione dei ponti sul territorio.

Il cardine di questa modernizzazione in divenire è il potenziamento della conoscenza dello stato delle infrastrutture nel loro ciclo di vita (stato di conservazione, rischi potenziali, necessità, sviluppi futuri) come strumento di ottimizzazione delle decisioni di intervento per la massimizzazione dei benefici (prestazioni, arco di vita,..) in relazione ai costi di mantenimento e miglioramento. La conoscenza approfondita è la chiave per valutare con più oggettività limiti operativi e rischi.

È in questo contesto che si sono rafforzate le collaborazioni tra Enti gestori di reti di trasporto e Ingegneri: competenze ingegneristiche e tecnologia al servizio delle attività di valutazione e monitoraggio del patrimonio infrastrutturale nel suo percorso di vita. A questo tipo di collaborazioni prendono parte, portando la loro esperienza, anche i ricercatori dell’Università di Padova. 

Test di identificazione dinamica dei ponti

Le prove ed installazioni sperimentali sono uno strumento efficace, ma non sempre economico, per la conoscenza dello stato/comportamento dei ponti in servizio (e in generale di una qualunque struttura civile). Fra queste, vi sono quelle propriamente dette di Structural Health Monitoring, che si basano sull’installazione di reti di sensori gestite da sistemi hardware/software che consentono di acquisire i dati per elaborazioni semi-automatiche o automatiche.

Questo tipo di attività conoscitive possono essere distinte fra attività di tipo occasionale/periodico e monitoraggi continui, dove in questo secondo caso il sistema di monitoraggio è associato permanentemente alla struttura. Le finalità sono generalmente una o più di queste:

- Calibrazione di modelli strutturali (anche più d’uno se si studiano ponti con tipologia ripetuta);

- Individuazione di danni, degradi o situazioni di rischio;

- Verifica di mutamenti nel comportamento strutturale o nelle condizioni al contorno in seguito a variazioni quali ad esempio interventi di manutenzione o variazioni del traffico.

Fra queste attività rientrano, quelle definite come identificazione dinamica o test modale (in inglese modal identification o modal testing), che rappresentano un insieme di metodologie e tecniche basate su acquisizione di dati sperimentali con sensori di movimento per studiare la risposta dinamica di un’opera nei riguardi delle sollecitazioni non statiche.

Un test modale comprende sia una fase di acquisizione dati relativi al movimento di una struttura, sia la successiva elaborazione degli stessi tramite opportuni algoritmi in maniera semi-automatica o automatica.

I sensori possono essere di tipo accelerometrico (detti accelerometri), di velocità, di spostamento o di deformazione (es. fibre ottiche). Per ogni tipologia di sensore esistono proposte tecnologiche diverse a seconda di obbiettivi e budget, con differenziazione, ad esempio, in termini di sensitività o direzioni di misura (sensori monoassiali o triassiali).

Figura 1 - A sinistra installazione di sensori accelerometrici monoassiali sulle piattabande inferiori delle travi di un ponte. A destra due accelerometri monoassiali (uno verticale e uno orizzontale) su una struttura.

Questi sensori vanno installati in posizioni che garantiscano solidarietà con le componenti strutturali primarie dell’opera e che permettano di individuare il comportamento deformativo reale attraverso un limitato numero di punti di misurazione. 

I test dinamici stanno trovando sempre maggior richiesta e diffusione nel campo dell’Ingegneria Civile, specialmente l’Ingegneria dei ponti, perché la determinazione dei parametri dinamici strutturali sperimentali (e quindi reali) quali frequenze naturali, forme modali, smorzamenti, ha dimostrato potenzialità nei seguenti campi applicativi:

- Calibrazione di modelli FEM: i risultati dell’analisi dinamica sperimentale vengono utilizzati per correggere/valutare la risposta di un modello agli elementi finiti preliminarmente sviluppato per prevedere/simulare il comportamento strutturale in modo da massimizzarne la rappresentatività. Le applicazioni d’interesse pratico sono legate alla valutazione della vulnerabilità sismica (importante per le strutture massive come i ponti a travata), dell’azione delle raffiche di vento (importante per l’operatività di strutture molto snelle e poco rigide come le passerelle o i ponti di grandissima luce come quelli sospesi), o dell’azione del moto ondoso (strutture immerse). L’identificazione dinamica trova inoltre applicazione per il collaudo dei nuovi ponti (verifica della corrispondenza tra comportamento reale e comportamento atteso della struttura), nonchè in studi di valutazione della modifica delle condizioni al contorno dinamiche come può essere la velocizzazione del traffico sul tracciato dove si trova il ponte.

- Identificazione del danno/degrado. Installazioni dinamiche permanenti o periodicamente ripetute nel tempo mirano all’identificazione dei danneggiamenti nelle strutture, in quanto questi possono essere indirettamente individuati osservando i parametri dinamici relativi ai modi di vibrare globali o locali delle strutture (al crescere del danno da un lato diminuisce la rigidezza strutturale e quindi le frequenze naturali, dall’altro aumenta lo smorzamento). 

Per le prove di identificazione dinamica si possono utilizzare tecniche di tipo OMA (Operational Modal Analysis), cioè di tipo output-only, in cui vengono misurate solo le vibrazioni della struttura, senza conoscere le azioni a cui è soggetta e che causano le vibrazioni stesse. Tali approcci si differenziano dalle tecniche EMA (Experimental Modal Analysis) perché queste ultime basano l’analisi dei dati sulla misurazione della sollecitazione stessa, oltre che della risposta strutturale, e a tal fine fanno uso in genere di appositi metodi di sollecitazione artificiale (martelli strumentati, vibrodine,..).

Figura 2 - A sinistra registrazione di vibrazioni ambientali, al centro test dinamico con passaggio veicolo, a destra vibrodina per test con forzante nota.

Le forzanti naturali, a seconda della tipologia di studio possono essere micro-forzanti ambientali, o specifiche sollecitazioni come quelle da traffico.

Casi studio applicativi

Nei casi applicativi effettuati dal gruppo di lavoro ICEA sono stati realizzati dei monitoraggi giornalieri con tecniche OMA, valutando ottimale il rapporto costi-benefici per la possibilità di estendere le procedure e le attività a molti casi studio. L’obiettivo è inoltre la creazione di una grande base dati, fondamento dei training che in genere precedono l’installazione dei sistemi permanenti. 

La metodologia di test, comune a tutti i casi studio effettuati, si articola nelle seguenti fasi:

1. Pianificazione della prova: Modello FEM preliminare e progettazione del setup sperimentale. 
2. Campagna sperimentale di acquisizione delle storie temporali dinamiche
3. Modelli e algortimi di interpretazione dati. 
4. Verifica dei risultati ottenuti e calibrazione del modello preliminare. 

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I casi studi presenti nell'articolo integrale

Caso studio #1 - Collaudo dinamico di un ponte su una nuova bretella stradale 

Caso studio #2 - Caratterizzazione dinamica di un ponte per valutazioni di sicurezza 

Caso studio #3 - Caratterizzazione dinamica di due ponti ferroviari a travi gemelle per la velocizzazione della rete