Monitoraggio dinamico dei viadotti: cosa cambia dopo un intervento di precompressione esterna?

Il confronto tra prove di vibrazione ambientale, modellazione FEM e monitoraggio permanente consente di comprendere quanto le condizioni reali dell’opera possano discostarsi dalle ipotesi teoriche. L’esperienza presentata da Noemi Fiorini di Tecne a FABRE 2026 mostra, in particolare, il ruolo determinante degli appoggi nella risposta dinamica di un viadotto e analizza gli effetti prodotti da un successivo intervento di post-tensione esterna sulle travi di bordo.

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Monitoraggio dinamico dei viadotti: dal modello FEM al comportamento reale della struttura

Il monitoraggio strutturale non serve soltanto a registrare l’evoluzione nel tempo di un’infrastruttura. Quando viene integrato con prove sperimentali e modelli numerici, può diventare uno strumento fondamentale per comprendere il comportamento reale dell’opera, verificare le ipotesi assunte in fase di modellazione e interpretare gli eventuali cambiamenti prodotti dagli interventi di manutenzione o rinforzo.

È proprio su questo rapporto tra comportamento teorico e risposta effettiva della struttura che si concentra l’esperienza illustrata da Noemi Fiorini, dell’Ufficio Monitoraggio Strutturale Ponti e Viadotti di Tecne, società di ingegneria del Gruppo Autostrade per l’Italia, in occasione di FABRE 2026.

Il caso riguarda un viadotto in cemento armato precompresso sottoposto dapprima a una campagna di prove di vibrazione ambientale e successivamente a un intervento di precompressione esterna delle travi di bordo. La disponibilità, a distanza di alcuni anni, di un sistema di monitoraggio permanente ha permesso di confrontare le caratteristiche dinamiche della struttura prima e dopo i lavori, ottenendo indicazioni utili non soltanto sul comportamento del viadotto, ma anche sulle modalità con cui costruire e calibrare i modelli numerici delle infrastrutture esistenti.

Un viadotto in c.a.p. e il ruolo decisivo del sistema di appoggio

L’opera analizzata è costituita da quattro campate semplicemente appoggiate, con un unico impalcato destinato alle due carreggiate e formato da sei travi in cemento armato precompresso.

La struttura presentava già un sistema di precompressione interna sulle sei travi, realizzato mediante una soluzione che combinava cavi pretesi e cavi post-tesi. A questi ultimi era affidata una configurazione parabolica, con tesatura successiva alla maturazione della soletta.

Dal punto di vista generale, il viadotto si trovava in uno stato di conservazione complessivamente buono e sull'impalcato non erano presenti difetti particolarmente significativi. Un elemento, tuttavia, meritava particolare attenzione: la condizione degli appoggi.

Il sistema prevedeva infatti un'alternanza tra file di appoggi fissi e mobili, costituiti da dispositivi metallici a pendolo. Le ispezioni avevano evidenziato su buona parte degli appoggi mobili un fuori piombo permanente, particolarmente evidente nelle prime due campate.

Una condizione apparentemente circoscritta, ma che avrebbe assunto un peso decisivo nell'interpretazione delle prove dinamiche.

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Dal modello ideale al comportamento reale degli appoggi

Sulla base delle informazioni disponibili e delle precedenti analisi condotte per la verifica di sicurezza dell'opera è stato inizialmente sviluppato un modello FEM preliminare in SAP2000.

L'obiettivo era individuare preventivamente i primi modi di vibrare del viadotto e le relative frequenze, così da disporre di una base numerica utile alla progettazione della successiva campagna sperimentale.

In questa prima fase gli appoggi erano stati rappresentati secondo il loro comportamento teorico: quelli fissi erano considerati perfettamente vincolati, mentre quelli mobili erano modellati in modo da consentire lo spostamento longitudinale.

Una schematizzazione coerente dal punto di vista progettuale, ma che non teneva ancora conto delle condizioni effettivamente riscontrate dopo anni di esercizio.

Il confronto con le misure sperimentali avrebbe mostrato proprio quanto questa differenza fosse importante.

Prove di vibrazione ambientale per identificare il comportamento dinamico

Tra dicembre 2022 e gennaio 2023 è stata realizzata una prima campagna di prove di vibrazione ambientale.

Il campo di frequenze di interesse era compreso tra 0 e 20 Hz. Il sistema di acquisizione utilizzava accelerometri MEMS ad alte prestazioni, sia triassiali sia monoassiali, con una frequenza di campionamento pari a 250 Hz, ampiamente superiore rispetto al range dinamico oggetto di analisi.

La configurazione strutturale del viadotto ha consentito di analizzare separatamente le quattro campate. Le prove sono state pertanto eseguite attraverso quattro configurazioni differenti, in giorni ravvicinati, ottenendo risultati molto confrontabili.

L'identificazione sperimentale ha permesso di riconoscere con chiarezza i principali modi propri dell'impalcato: un primo modo prevalentemente flessionale, un successivo modo torsionale e ulteriori forme caratterizzate da componenti progressivamente accoppiate.

A questo punto è diventato possibile mettere a confronto frequenze e forme modali ricavate sperimentalmente con quelle previste dal modello numerico preliminare.

Ed è proprio da questo confronto che è emerso uno degli aspetti più significativi dell'intero studio.

Quando il modello FEM non coincide con la struttura reale

Le frequenze ottenute dal modello iniziale presentavano infatti differenze rilevanti rispetto a quelle individuate attraverso le prove di vibrazione ambientale.

Il problema non riguardava semplicemente la necessità di calibrare alcuni parametri numerici, ma poneva una domanda più generale: quali elementi della struttura reale stavano influenzando maggiormente la risposta dinamica rispetto alle condizioni ideali considerate nel modello?

Dopo una serie di valutazioni, l'attenzione si è concentrata proprio sugli appoggi e, in particolare, sul fuori piombo permanente rilevato durante le ispezioni.

Modificando la loro rappresentazione numerica e abbandonando l'ipotesi di un comportamento ideale, è stato possibile avvicinare in modo sostanziale modello e misure sperimentali.

In particolare, attribuendo agli appoggi una rigidezza longitudinale finita, invece delle condizioni teoriche originariamente assunte, si è ottenuta una significativa riduzione dello scarto tra le frequenze calcolate e quelle misurate, insieme a un miglioramento della corrispondenza tra le forme modali.

L'esperienza mostra quindi come, nel caso delle infrastrutture esistenti, il modello numerico non possa limitarsi a riprodurre lo schema strutturale originario.

Gli appoggi come variabile della risposta dinamica dell'opera

Il dato è particolarmente rilevante perché evidenzia come elementi spesso considerati secondari nella costruzione di un modello globale possano avere conseguenze rilevanti sulla risposta dinamica.

Nel caso analizzato, una diversa interpretazione del comportamento degli appoggi ha consentito di recuperare uno scarto sulle frequenze che arrivava nell'ordine del 30%.

La caratterizzazione dinamica diventa così anche uno strumento di verifica indiretta delle ipotesi adottate nel modello.

Un concetto particolarmente importante per ponti e viadotti esistenti, nei quali le condizioni dei vincoli possono essersi progressivamente modificate a causa dell'invecchiamento dei dispositivi, delle deformazioni permanenti, delle condizioni ambientali o dell'esercizio prolungato della struttura.

Il comportamento dell'opera reale può quindi risultare sensibilmente differente rispetto allo schema ideale previsto in progetto.

La precompressione esterna delle travi di bordo

Circa un anno e mezzo dopo la prima campagna sperimentale sono stati realizzati interventi di precompressione esterna sulle travi di bordo del viadotto.

La soluzione principale ha interessato le travi esterne dell'impalcato mediante l'installazione di due cavi di precompressione esterna.

Sulla prima campata è stato invece adottato un intervento più consistente, con un numero maggiore di cavi e quindi un livello superiore di precompressione applicata.

Parallelamente ai lavori è nata l'opportunità di installare un sistema di monitoraggio permanente, attivo a partire dal 2025, destinato a seguire nel tempo l'evoluzione della risposta strutturale.

Il monitoraggio accelerometrico permanente è stato concentrato sulla campata 1 e sulla campata 4, mantenendo posizioni di misura coerenti con quelle utilizzate durante la precedente campagna di vibrazione ambientale.

La frequenza di campionamento è stata ridotta da 250 a 100 Hz. Una scelta compatibile con il campo di frequenze strutturali di interesse e, soprattutto, con la necessità di ottimizzare la gestione di una quantità di dati molto maggiore rispetto a quella prodotta da una campagna sperimentale temporanea.

Prima e dopo l'intervento: frequenze sostanzialmente invariate

Uno degli obiettivi principali del sistema permanente era verificare se l'intervento di precompressione esterna avesse prodotto una modifica riconoscibile delle caratteristiche dinamiche dell'impalcato.

Per rendere il confronto il più possibile omogeneo sono stati utilizzati i dati acquisiti nel gennaio 2026, scegliendo un periodo dell'anno confrontabile con quello delle prove svolte tra dicembre 2022 e gennaio 2023 e cercando così di limitare l'influenza delle condizioni ambientali.

I modi identificati attraverso il monitoraggio permanente sono risultati qualitativamente molto simili a quelli ottenuti durante la prima campagna sperimentale.

Anche il confronto delle frequenze ha mostrato un risultato particolarmente interessante: le variazioni tra la situazione precedente e quella successiva all'intervento sono risultate pressoché nulle sia per la campata 1 sia per la campata 4.

La corrispondenza delle forme modali è risultata inoltre molto elevata, con valori superiori al 95%.

L'intervento di post-tensione esterna sulle travi di bordo non sembra quindi aver prodotto, nelle condizioni ordinarie di esercizio osservate, una variazione significativa della caratterizzazione dinamica globale dell'impalcato.

Il risultato trova una spiegazione nel fatto che l'intervento non ha modificato in maniera sostanziale il rapporto tra massa e rigidezza globale della struttura, almeno nel campo di comportamento investigato attraverso le vibrazioni ambientali.

Questo non significa naturalmente che la precompressione esterna non abbia prodotto effetti dal punto di vista strutturale o della sicurezza. Significa, più precisamente, che tali effetti non si sono tradotti in una modifica apprezzabile delle frequenze e delle forme modali individuate attraverso questa specifica metodologia sperimentale.

Dal controllo dell'intervento al monitoraggio nel tempo

L'esperienza presentata a FABRE 2026 evidenzia due indicazioni particolarmente utili per il monitoraggio delle infrastrutture esistenti.

La prima riguarda la modellazione numerica. Quando si lavora su ponti e viadotti in esercizio, la rappresentazione teorica dei vincoli può non essere sufficiente. Le reali condizioni degli appoggi devono essere valutate attentamente attraverso le informazioni provenienti dalle ispezioni e, quando possibile, attraverso la calibrazione basata sulla risposta dinamica sperimentale.

La seconda indicazione riguarda l'interpretazione delle variazioni dinamiche dopo un intervento strutturale. Non ogni rinforzo determina necessariamente un cambiamento misurabile delle frequenze proprie della struttura. L'assenza di variazioni significative deve essere letta alla luce della tipologia di intervento, del suo effetto su massa e rigidezza e delle condizioni nelle quali viene osservata la struttura.

Il passaggio da una campagna di vibrazione ambientale temporanea a un sistema permanente apre però ulteriori possibilità.

La disponibilità continua delle accelerazioni consentirà infatti di proseguire nel tempo l'identificazione dinamica dell'impalcato, verificando la stabilità delle frequenze e delle forme modali e mettendole in relazione con le condizioni ambientali e operative.

È in questa prospettiva che il monitoraggio assume il suo valore più ampio: non una semplice raccolta di dati, ma uno strumento attraverso il quale costruire una conoscenza progressiva del comportamento dell'infrastruttura, migliorare l'affidabilità dei modelli e individuare nel tempo eventuali variazioni rispetto alle condizioni di riferimento.

DI SEGUITO L'INTERVENTO INTEGRALE DI NOEMI FIORINI.

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Il testo è stato elaborato mediante la videoregistrazione dell'evento, con l'ausilio di strumenti di IA (ChatGpT).

IN SINTESI
-Il caso studio riguarda un viadotto in cemento armato precompresso composto da quattro campate semplicemente appoggiate e sei travi longitudinali.
-Le prove di vibrazione ambientale hanno consentito di identificare i principali modi flessionali, torsionali e accoppiati dell'impalcato.
-La modellazione teorica degli appoggi non riproduceva correttamente la risposta sperimentale: introducendo una rigidezza longitudinale finita è stato possibile ridurre sensibilmente lo scarto tra modello e misure.
-La corretta interpretazione delle condizioni degli appoggi ha consentito di recuperare una differenza sulle frequenze che arrivava nell'ordine del 30%, evidenziando l'importanza della calibrazione dei modelli FEM sulle strutture esistenti.
-Dopo gli interventi di precompressione esterna eseguiti nel 2024, le misure del 2026 hanno evidenziato frequenze sostanzialmente invariate e una corrispondenza delle forme modali superiore al 95%.