Monitoraggio strutturale di un viadotto esistente in cap: le strategie di model updating

In questa tesi di laurea viene proposta una delle possibili declinazioni teoriche del monitoraggio strutturale: il model updating di un modello agli elementi finiti di un viadotto, sulla base dei dati registrati sperimentalmente. 

Il caso studio è un viadotto in cemento armato precompresso. All’interno del lavoro troviamo, suddivisi in capitoli, la descrizione dell’opera e del sistema di monitoraggio installato, la costruzione del modello agli elementi finiti sulla base degli elaborati grafici, la descrizione dell’analisi modale numerica, condotta con i modelli f.e.m., e del confronto con l’analisi dei dati sperimentali, e le strategie di model updating attuate per migliorare la modellazione del viadotto sulla base dei dati sperimentali.

Infine, nella conclusione, si riassume il percorso logico seguito ed i risultati ottenuti per elaborare e predire un modello strutturale in grado di descrivere con maggiore accuratezza il comportamento reale della struttura.

 

Caratteristiche generali del viadotto oggetto di monitoraggio strutturale

Il viadotto oggetto di studio è un viadotto in cemento armato precompresso realizzato negli anni ’70, di lunghezza totale di 1421,22 m, con campate di luce netta tra gli appoggi pari a 70 m con pile che raggiungono anche altezze superiori a 100 m. 

L’impalcato ha una sede viabile di larghezza pari a circa 9,5 m e cordoli laterali di larghezza 1,1 m, per una larghezza totale di circa 11,5 m. Presenta le prime campate di luce minore semplicemente appoggiate su pulvini di 14 m di lunghezza, mentre la parte rimanente è costituita da campate incastrate alle pile (a formare un telaio “a portale”) alternate da campate appoggiate. 

I materiali utilizzati sono: calcestruzzo Rbk 500 per gli impalcati, Rbk 300 per le pile, acciaio per le armature lente Feb40 e trefoli 0.5” per la precompressione con Rk = 1800 kg/cm2. 

Nel 2019 l’opera è stata oggetto di un intervento per migliorare l’accoppiamento pile-pulvini, mediante sostituzione degli appoggi, il ripristino dei baggioli e l’esecuzione dei giunti in testata.

Contestualmente a tali lavori è stato progettato ed installato un sistema di monitoraggio strutturale, non allo scopo di monitorare comportamenti imprevisti durante le fasi lavorative di sollevamento degli impalcati, ma con l’obiettivo di segnalare i fenomeni di degrado delle proprietà meccaniche delle strutture esistenti (fenomeni lenti).

 

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La geometria strutturale del ponte

Da un punto di vista strutturale il viadotto può essere considerato della tipologia dei “Girder Bridges”, ovvero dei ponti a grigliato. 

L’impalcato è infatti costituito da tre travi longitudinali collegate lungo il loro sviluppo, in modo discontinuo e con un certo interasse, da travi trasversali formanti un “grigliato di travi”, ed in modo continuo lungo tutto l’impalcato dalla soletta collaborante. Questa particolare tipologia strutturale permette di coinvolgere e far collaborare nel comportamento strutturale ogni elemento del grigliato, anche quando esso non è direttamente caricato. 

L’impalcato è collegato alle pile per mezzo dei pulvini (in c.a.p.), di lunghezza totale variabile pari a 3 m per i primi due appoggi e per l’ultimo, mentre è pari a 14 m per tutti gli altri. 

Le pile sono 20 in tutto ed hanno un’altezza variabile tra un minimo di 10 m ed un massimo di 103 m. La sezione trasversale è variabile ed è rettangolare cava, con un setto interno che divide l’area interna in due cavità di pari dimensione.

Lo schema statico del viadotto è il seguente: le prime 8 campate sono semplicemente appoggiate agli sbalzi dei pulvini in testa alle pile mentre, a partire dalla 9° campata, le estremità sono incastrate alle pile formando un telaio “a portale”, che si alterna a campate semplicemente appoggiate fino alla pila 19, dopo la quale si riprende con campate semplicemente appoggiate agli sbalzi dei pulvini.

 

Il sistema di monitoraggio strutturale

Nel 2019 è stato installato un sistema di monitoraggio strutturale sul viadotto. Lo scopo del monitoraggio era quello di individuare e segnalare i fenomeni di degrado a cui corrispondono modificazioni lente delle proprietà meccaniche delle strutture resistenti. 

Il sistema di monitoraggio installato non permette di cogliere variazioni istantanee associabili a rotture fragili della struttura.

Grazie ai dati registrati nell’ultimo anno di registrazioni sono stati ricavati dei riferimenti statistici sull’andamento delle deformazioni, degli spostamenti e delle accelerazioni, che possono essere utilizzati per esprimere dei giudizi sulle misure dei controlli effettuati al termine dei lavori di miglioramento in corso. Con i riferimenti statistici è possibile definire 3 soglie per ogni grandezza monitorata, le tre soglie sono:

  • Soglia di attenzione: desunta dalle acquisizioni dei dati;
  • Soglia di allarme: desunta dal controllo di stati limite di esercizio;
  • Soglia di allerta: desunta dal controllo di stati limite di esercizio.

Il sistema di monitoraggio permette inoltre di aggiornare e tarare il modello strutturale agli elementi finiti, effettuando il “model updating”

L’insieme di questi fattori permette di supportare il processo di manutenzione strutturale rendendolo meno costoso e più efficace, dal momento che diminuiscono i costi di ispezione e si interviene in maniera ottimizzata sulle parti più vulnerabili.

È un sistema che permette anche di valutare da un punto di vista analitico l’efficacia degli interventi adottati giacché permette di confrontare i parametri più importanti della risposta strutturale prima e dopo gli interventi. 

Sarà inoltre possibile valutare in qualunque momento lo stato di salute del viadotto, ed in particolar modo a seguito degli eventi sismici, rientrando pienamente negli strumenti utili alle forze dispiegate in campo per la gestione dell’emergenza.

 

Il monitoraggio statico

Il monitoraggio statico del viadotto è stato realizzato utilizzando diversi strumenti di rilevazione in grado di misurare grandezze cinematiche e statiche utili ai fini del controllo in continuo del livello di sicurezza delle sottostrutture e dell’impalcato. 

La registrazione delle suddette grandezze nel corso dell’ultimo anno ha permesso di fissare un riferimento statistico con cui è stato possibile definire una soglia di attenzione per il Viadotto.

La misurazione di queste grandezze permette inoltre di confrontare i valori registrati con quelli definiti dalle soglie di allarme e allerta, ricavate dal controllo di stati limite di esercizio.

La tipologia, la disposizione e il funzionamento dei sensori di misurazione sono i seguenti:

  • Trasduttori di spostamento: posizionati tra l’intradosso della trave e il baggiolo, consentono di controllare gli spostamenti relativi tra l’impalcato e la sottostruttura segnalando cinematismi in atto;
  • Barrette estensimetriche: posizionate in mezzeria all’intradosso delle travi esterne, consentono la misurazione della deformazione locale delle travi permettendo di monitorare la deformata dell’impalcato segnalando eventuali anomalie;
  • Celle di carico: posizionate in sommità delle pile di sostegno delle travi appoggiate, permettono di monitorare nel tempo il carico agente in corrispondenza dei dispositivi di vincolo;
  • Clinometri biassiali: posizionati in sommità delle pile di sostegno delle travi appoggiate, permettono di monitorare eventuali inclinazioni delle sottostrutture sia in direzione longitudinale che trasversale.

 

Il monitoraggio dinamico

Il monitoraggio dinamico del viadotto è stato realizzato con l’installazione di una rete di sensori in grado di cogliere il comportamento dinamico dell’opera attraverso l’individuazione dei parametri modali di frequenza, smorzamento e forme dei primi modi di vibrare della struttura. Esso si fonda sulla risposta, in termini di accelerazioni, ad eccitazioni di tipo ambientale come il vento, il traffico o piccoli terremoti.

L’identificazione delle caratteristiche dinamiche della struttura permette di eseguire l’aggiornamento del modello agli elementi finiti (“model updating”) in modo da predire il comportamento della struttura in maniera più realistica. 

Il posizionamento dei sensori ricopre un ruolo di fondamentale importanza dal momento che è necessario evitare zone interessate da vibrazioni locali e preferire quei punti che, a partire da una prima analisi modale, possono essere soggetti a maggiori spostamenti.

Il sistema è costituito da sensori wireless che inviano i dati ad un datalogger centrale: se da un lato l’installazione di sensori senza fili è più rapida e sicura, dall’altro si possono riscontrare delle interferenze del campo elettromagnetico costituite dagli elementi metallici presenti, come il guard-rail e le barriere anti proiezione. 

Sono stati installati 20 accelerometri triassiali MEMS dotati di un pannello solare per la ricarica della batteria interna (autonomia di 24 mesi). I dati acquisiti sono stati inviati ad una base station alloggiata in apposito contenitore idoneo alla protezione dagli agenti atmosferici, contenente un router per il collegamento con la base station da remoto. 

Anche per quanto riguarda i dati delle accelerazioni è possibile definire una soglia di allerta tramite elaborazione statistica. Superato questo livello è raccomandabile condurre approfondimenti specifici per valutare il significato dell’anomalia registrata.

La soglia di allerta è stata fissata al valore di 300 mm/s2, in ogni direzione (X,Y,Z)....

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