Sistemi innovativi di monitoraggio multisensore in ambito geotecnico

L’interferometria radar da terra (GBInSAR) e le reti di sensori wireless (WSN) possono essere utilizzate per fornire grandi quantità di informazioni per il monitoraggio delle opere geotecniche

INTRODUZIONE
Le attività di monitoraggio volte alla tempestiva individuazione del comportamento e delle eventuali anomalie delle opere geotecniche, sia durante la loro realizzazione e sia nella vita utile dell’opera, ricoprono sempre di più un ruolo fondamentale nell’ingegneria. Tale approccio può essere assimilato e mutuato al metodo osservazionale da lungo tempo impiegato in ambito geotecnico e di cui il primo tentativo di formalizzazione fu opera di Peck (1969). Se da una parte tale metodologia sia ormai divenuta nota e abituale nella progettazione e nella realizzazione delle opere geotecniche, visto anche il tempo intercorso dal suo primo tentativo di formalizzazione e tutti gli sviluppi successivi (Beniawski, 1989, Sakurai et al. 2003, Christian, 2004, Powderam, 2004), dall’altra gli strumenti e le tecniche di misura sono andati incontro ad uno sviluppo senza precedenti che ha completamente rivoluzionato le modalità, le frequenze e le precisioni delle misurazioni.
Attualmente gli strumenti e le tecniche di monitoraggio che si impiegano devono essere in grado di misurare il più possibile in continuo ed in tempo reale, o comunque con una elevata frequenza temporale, le grandezze fisiche di interesse (deformazioni, spostamenti e velocità di spostamento, inclinazioni, tensioni, temperature, ecc…) che di volta in volta vengono individuati come rappresentativi per l’opera geotecnica in esame. L’impiego simultaneo di più sensori (monitoraggio multisensore) e differenti tecniche di misura risponde perfettamente alle predette esigenze e consente allo stesso tempo sufficiente ridondanza nelle misurazioni nonché possibilità di confronto e validazione tra le stesse al fine di superare le limitazioni intrinseche di ciascuna tecnica.
In questa nota, dopo una breve descrizione delle tecniche di monitoraggio basate sull’interferometria radar da terra (GBInSAR) e sulle reti di sensori wireless (WSN) si descriveranno alcune applicazioni di tali tecniche per il monitoraggio degli effetti indotti da scavi in sotterraneo, per il monitoraggio di edifici e strutture e per il monitoraggio di fronti di scavo di gallerie.

IL MONITORAGGIO GEOTECNICO E STRUTTURALE
Per il monitoraggio geotecnico e strutturale gli strumenti e le tecniche che sono utilizzati possono essere raggruppati in due grandi classi: le tecniche dirette e le tecniche indirette o da remoto. Nel primo caso c’è necessità di contatto diretto tra strumentazione di misura e oggetto misurato ed è quindi necessario installare uno o più sensori sull’oggetto di cui si vuole conoscere una specifica grandezza fisica (e le sue variazioni nel tempo). Utilizzando invece tecniche di monitoraggio da remoto questa necessità viene meno e diviene possibile misurare l’andamento nel tempo delle grandezze fisiche di interesse senza alcuna necessità di contatto tra sensore e oggetto.

Tra gli strumenti per il monitoraggio diretto di uso più comune in ambito geotecnico si possono ricordare i clinometri e gli inclinometri per la misura delle inclinazioni delle strutture o degli spostamenti orizzontali nel terreno, i fessurimetri, i deformometri e i trasduttori di spostamento lineari per la misura delle aperture di lesioni e fessure, le celle di pressione e le fibre ottiche per la misura dello stato tensionale e delle deformazioni all’interno di elementi strutturali. Possono essere considerate misure dirette degli spostamenti anche le misure topografiche manuali o automatizzate mediante stazioni totali robotizzate (ATS) ed il posizionamento GPS differenziale (D-GNSS) su specifici punti materializzati con basette, bersagli e mire ottiche.

Per quanto concerne il monitoraggio da remoto, le tecniche più utilizzate in campo geotecnico risultano essere la fotogrammetria, il laser scanner terrestre (TLS) e l’interferometria radar sia con sensori basati a terra (GBInSAR) che da satellite (DInSAR). Tutte queste tecniche sono volte principalmente alla misura degli spostamenti e delle deformazioni dei manufatti antropici, delle strutture ed anche di scenari naturali (pendii instabili, fronti di roccia, fronti di cava, fronti di scavo). Da sottolineare comunque che sia la fotogrammetria che il TLS hanno spesso necessità dell’installazione, seppur temporanea, di alcuni riferimenti specifici nello scenario monitorato, ad esempio per facilitare l’unione e la comparazione delle differenti riprese fotografiche e/o delle nuvole di punti tridimensionali, che quindi ne limitano in parte la potenzialità di monitoraggio puramente da remoto.

Tra le tecniche completamente da remoto più promettenti spicca l’interferometria radar da terra ad apertura sintetica (GBInSAR) per le caratteristiche che la rendono uno strumento di monitoraggio avanzato di primario interesse in ambito geotecnico e strutturale. Questa tecnica consente di ottenere una ricostruzione spazialmente continua ed estesa arealmente fino ad alcuni km2 degli spostamenti di opere geotecniche con precisione sub-millimetrica ed in ogni condizione atmosferica (Antolini et al. 2015, Atzeni et al. 2015, Barla & Antolini, 2015, Barla et al. 2010, 2011, 2017). Tra le caratteristiche sono da ricordare l’alta frequenza di acquisizione delle immagini (fino ad un’immagine ogni 30’’) ed una relativa semplicità di interpretazione delle stesse che consentono quindi una determinazione del campo degli spostamenti dello scenario monitorato sostanzialmente in tempo reale anche per lunghi periodi di tempo (settimane e/o mesi). Gli output che si ottengono, sotto forma di mappe di velocità e spostamento costantemente aggiornate, possono essere georeferenziate e quindi successivamente integrate nell’analisi strutturale e geotecnica volta all’individuazione ed allo studio dei cinematismi di collasso, nonché per un utilizzo all’interno di sistemi di allertamento rapido (Barla et al. 2011, Barla & Antolini 2016).

Per quanto concerne il monitoraggio geotecnico e strutturale diretto, sono di particolare interesse le reti multisensori wireless (WSN), ovvero reti di sensori collegati con protocolli di comunicazione che utilizzano frequenze radio. In senso più generale le WSN possono essere quindi ricondotte a un’applicazione delle Internet of Things (IoT) ovvero una moltitudine di oggetti eterogenei che interagiscono e dialogano con l’ambiente fisico che le circonda. Le WSN sono tipicamente basate su nodi sensori a basso costo e a basso consumo energetico che riescono così ad assicurare un funzionamento indipendente per tutto il ciclo di vita del nodo. Il segnale acquisito dai vari sensori, controllati dai nodi che fungono da acquisitori e trasmettitori, viene indirizzato verso un nodo coordinatore e da questo ad una piattaforma web da cui è possibile la consultazione, l’interrogazione e lo scaricamento dei dati agli utenti abilitati. La capacità di auto-organizzazione delle WSN fa si che i dati acquisiti e trasmessi possano di volta in volta utilizzare percorsi differenti all’interno della rete per raggiungere il coordinatore, rendendo, di fatto, la rete scalabile, adattabile alla variabilità degli ambienti in cui sono installate, e con una elevata tolleranza ai guasti; se un singolo nodo sensore si guasta, i protocolli di trasmissione identificano un percorso alternativo per raggiungere il nodo coordinatore (Giorgetti et al. 2016). I sensori che si possono impiegare nelle reti WSN sono tra i più svariati e variano in base alla grandezza fisica che risulta necessario misurare.

MONITORAGGIO DEGLI EFFETTI INDOTTI DA SCAVI IN SOTTERRANEO
Al fine di mostrare l’utilizzo di sistemi innovativi di monitoraggio multi sensore per la valutazione degli effetti indotti in superficie da scavi in sotterraneo, si fa riferimento a due casi di recente applicazione. Nel primo caso una rete di sensori WSN è stata installata su edifici di civile abitazione per consentirne il controllo durante le operazioni di realizzazione di uno scavo con spingitubo a ridotte coperture. Nel secondo caso invece si mostra l’utilizzo di un sistema radar interferometrico di nuova concezione per il controllo delle deformazioni di fabbricati durante lo scavo di una galleria metropolitana.

Con riferimento al primo caso di studio, il sistema di monitoraggio è stato progettato per garantire un idoneo e tempestivo controllo della stabilità degli edifici di civile abitazione in prossimità del cantiere, durante le operazioni di realizzazione di un collettore fognario mediante tecnica spingitubo. La realizzazione del tratto di nuova fognatura prevedeva lo scavo di un pozzo di spinta quadrangolare di dimensioni circa pari a 5.0 x 2.5 m e profondità 4 m, con casseri autoaffondanti in prossimità di una abitazione. Da lì lo spingitubo avrebbe attraversato una stretta via, che non consentiva lavori a cielo aperto, per collegarsi al pozzo di recupero. La planimetria schematica dell’intervento è riportata nella Figura 1.

Il piano di monitoraggio ha previsto il posizionamento di 4 inclinometri monoassiali, accoppiati con un sensore di temperatura ciascuno, in corrispondenza di tre diverse abitazioni adiacenti al tracciato (Figura 1). Tutti i sensori sono stati collegati a una centralina di raccolta dati tramite wireless. I dati di inclinazione e temperatura misurati dai sensori sono stati registrati ad intervalli regolari di 5 minuti e memorizzati nella centralina. Gli stessi dati sono stati trasmessi con cadenza oraria al server remoto che ne ha consentito l’immagazzinamento e la gestione. Una piattaforma web ha permesso inoltre il controllo e la visualizzazione in continuo dei dati registrati.

Figura 1 – Piano di monitoraggio con indicazione del punto di installazione dei sensori.

Figura 2 – Inclinazione e temperatura registrate da un sensore inclinometrico dalle 00:00 del 10 Febbraio alle 00:00 del 2 Marzo 2017. Nel grafico sono riportate anche le temperature medie giornaliere e le fasi delle lavorazioni.

Il sistema di monitoraggio ha consentito di mantenere sotto controllo in tempo reale i fabbricati durante le operazioni di cantiere. Complessivamente sono state osservate rotazioni minime verso l’esterno della parete (inferiori a 0,01°), ascrivibili principalmente a effetti termici a breve e lungo termine su uno dei tre fabbricati monitorati.

Il secondo caso di studio riguarda invece un’opera di maggiore rilevanza ovvero la realizzazione di un tratto di una galleria metropolitana in ambiente urbano. Lo scopo del monitoraggio è consistito nel controllo degli eventuali cedimenti indotti dallo scavo su un gruppo di fabbricati particolarmente vulnerabili. In questo caso, a integrazione del piano di monitoraggio tradizionale, è stata utilizzata la tecnica GBInSAR e in particolare un radar ad apertura sintetica di nuova generazione. Lo strumento in questione realizza l’apertura sintetica muovendosi su un arco di cerchio e consente di ottenere un’immagine dello scenario monitorato circa ogni 30’’. Di fatto è quindi possibile ottenere una mappa di spostamento aggiornata con questa frequenza temporale, realizzando quindi un monitoraggio in tempo reale. La strumentazione radar è stata installata su un cubo di calcestruzzo appositamente collocato nell’area in modo da avere una vista adeguata sugli edifici da monitorare (Figura 3) nelle fasi in cui è avvenuto lo scavo della galleria in adiacenza agli edifici. La stabilità del basamento di installazione è stata controllata attraverso monitoraggio topografico manuale e livellazione su 3 mire ottiche installate nei pressi degli appoggi del treppiede (Figura 3).

I risultati ottenuti sono riportati nella Figura 4 dove è riportata la mappa di spostamento cumulato nell’intero periodo in esame e le serie temporali di quattro punti selezionati. Spostamenti negativi indicano una riduzione della distanza sensore-scenario. La mappa di spostamento, composta da oltre 1200 punti singolarmente interrogabili, mostra che nel periodo in esame si sono verificati spostamenti degli edifici compatibili con quelli derivanti dalle operazioni di scavo della galleria. L’analisi delle serie temporali mostra inoltre chiaramente come gli spostamenti si siano attivati a partire dalla mattina del 27 Settembre per poi protrarsi con fasi di accelerazioni e decelerazione fino al tardo pomeriggio del 29 Settembre. L’intervallo temporale in cui sono stati registrati gli spostamenti corrisponde con buona approssimazione al passaggio del fronte di scavo della galleria nell’area dove insistono gli edifici. Le serie temporali mostrano inoltre come l’inizio del cedimento sia stato misurato prima nell’edificio S, estendendosi progressivamente all’edificio N, in perfetto accordo con le operazioni di scavo che sono avvenute da S verso N.

L’esempio in questione dimostra la capacità del GBInSAR di ricostruire in maniera spazialmente continua (su migliaia di punti) il campo degli spostamenti degli edifici e delle strutture, con altissima frequenza temporale ed in tempo reale. Le serie temporali rappresentano inoltre un prodotto di semplice interpretazione ed utilizzo per la continua verifica degli effetti indotti dallo scavo rispetto a quanto previsto in progetto direttamente nella fasi realizzative delle opere.

Figura 3 – Posizione di installazione della strumentazione GBInSAR utilizzata per il controllo degli effetti indotti dallo scavo di una galleria urbana e vista degli edifici da monitorare dal punto di installazione del GBInSAR.

Figura 4 – Risultati del monitoraggio GBInSAR: mappa di spostamento cumulato dal 22/09/17 al 02/10/17 degli edifici monitorati con indicazione dello spostamento cumulato misurato su quattro punti caratteristici dell’edificio N e dell’edificio S. 

(...)

All'interno delll'articolo integrale (scaricabile in pdf) 

• MONITORAGGIO DELLE DEFORMAZIONI DI EDIFICI E STRUTTURE
  
• MONITORAGGIO DEL FRONTE DI SCAVO DI GALLERIE