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Il monitoraggio come supporto al collaudo statico

Il monitoraggio può rappresentare un interessante mezzo a supporto dei collaudi per le strutture parzialmente risanate in calcestruzzo armato precompresso

Struttura in calcestruzzo ammalorata

  For English version: https://www.stradeeautostrade.it/en/infrastructures-road-network/monitoring-strategy-for-structural-testing/

Il campo dell’ingegneria civile ha visto un aumento di consapevolezza nei confronti della salute strutturale delle opere, a causa degli effetti dannosi che queste possono portare. Di conseguenza, le fasi di collaudo e di manutenzione assumono un’importanza sempre maggiore.

Secondo i requisiti previsti dalle linee guide attuali, le strutture risalenti a prima degli anni Ottanta del Novecento presentano gravi carenze strutturali, che possono anche essere ricondotte a una scarsa conoscenza delle prestazioni della struttura stessa.

Il ruolo della conoscenza è infatti trattato in codici e Normative, che indicano possibili strategie che possono permettere di ridurre l’incertezza delle informazioni di base. Tra queste strategie rientra il monitoraggio, mediante cui è possibile raccogliere dati relativi alle prestazioni strutturali nel tempo.

Viene presentato un caso studio per il quale è stata condotta un’analisi dei dati di monitoraggio per l’identificazione del comportamento locale e globale della struttura. L’approccio utilizzato permette di effettuare una rapida valutazione dello stato attuale dell’opera.

Dati dei fessumetri
1. Dati provenienti dai fessumetri installati sul ponte a cassone

La struttura analizzata è un ponte a cassone in calcestruzzo armato precompresso, di cui non era noto lo schema statico e che è stato oggetto di un intervento di sostituzione degli appoggi.

In parallelo alle attività di risanamento strutturale sull’opera è stato installato un sistema di monitoraggio che ha consentito uno studio a ritroso delle sue caratteristiche di vincolo.

Il collaudo delle strutture

Durante il collaudo statico di ponti e viadotti, richiesto per le opere appena costruite o parzialmente risanate, viene valutato il comportamento strutturale delle opere tramite verifiche di tipo sperimentale. Tra queste, come riportato in [2], rientrano i metodi di controllo distruttivi/non distruttivi sui materiali, le prove di carico statiche e le prove di carico dinamiche.

I metodi di controllo dei materiali hanno l’obiettivo di approfondire la conoscenza dell’opera. Tra questi rientrano diverse prove come, ad esempio, i carotaggi, le indagini soniche e la valutazione della tensione nelle barre d’armatura.

  • La sezione longitudinale
    2A La sezione longitudinale
    2A. La sezione longitudinale del caso studio (metà sezione)
  • La sezione trasversale
    2B La sezione trasversale
    2B. La sezione trasversale del caso studio (metà sezione)

Le prove di carico statiche consentono la verifica sotto carico degli elementi che costituiscono la struttura: misurando la deflessione e le sollecitazioni prodotte dai carichi viene accertata la permanenza in campo elastico della struttura. I carichi vengono applicati gradualmente e posizionati in modo da massimizzare le sollecitazioni sugli elementi [3].

Tramite le prove di carico dinamiche vengono determinate le frequenze naturali, le forme dei modi di vibrare ed i valori di smorzamento della struttura, a supporto delle prove statiche.

L’introduzione dell’analisi dati ha permesso di potenziare le prove di collaudo. Tramite il monitoraggio strutturale le prestazioni delle opere e i requisiti di sicurezza vengono valutati in continuo, sia in un arco di tempo limitato che per tutta la loro vita utile.

L’unione dei risultati proveniente dall’analisi dati e dalle prove di collaudo consente una definizione più completa della risposta delle strutture da valutare.

  • Pila 1 al pre-intervento
    3A Pila 1 al pre-intervento
    3A. Gli spostamenti (dati grezzi) della pila 1 al pre-intervento
  • Pila 1 al post-intervento
    3B Pila 1 al post-intervento
    3B. Gli spostamenti (dati grezzi) della pila 1 al post-intervento
  • Pila 2 al pre-intervento
    3C Pila 2 al pre-intervento
    3C. Gli spostamenti (dati grezzi) della pila 2 al pre-intervento
  • Pila 2 al post-intervento
    3D Pila 2 al post-intervento
    3D. Gli spostamenti (dati grezzi) della pila 2 al post-intervento

Il caso studio

Il caso studio è un ponte a cassone in calcestruzzo armato precompresso su quattro appoggi, caratterizzato da tre campate aventi luce di 38,6 m (campate di estremità) e di 78 m (campata centrale).

A seguito del rilievo del degrado degli appoggi durante un’ispezione, sull’opera è stato predisposto un sistema di monitoraggio che permettesse di delinearne le cause.

A seguito delle risultanze ottenute dai dati raccolti dai sensori, si è deciso di intervenire provvedendo al sollevamento dell’impalcato, alla rimozione degli appoggi esistenti e all’installazione di nuovi appoggi elastomerici.

L’intervento è stato collaudato avvalendosi di un modello agli elementi finiti, sviluppato su MIDAS Civil e tramite l’analisi dei dati del monitoraggio.

  • Pila 1 nel pre-intervento
    4A Pila 1 nel pre-intervento
    4A. La correlazione tra i dati di temperature e di spostamento della pila 1 dopo la pulizia dati nel pre-intervento
  • Pila 1 nel post-intervento
    4B Pila 1 nel post-intervento
    4B. La correlazione tra i dati di temperature e di spostamento della pila 1 dopo la pulizia dati nel post-intervento

L’architettura del sistema di monitoraggio, mostrata nelle Figure 2A e 2B sopra, è costituita da:

  • dieci estensimetri per monitorare la deformata della campata centrale;
  • due inclinometri per monitorare la deformata delle pile;
  • quattro fessurimetri per monitorare gli spostamenti agli appoggi.

I dati trattati nel presente articolo sono quelli relativi ai fessurimetri, suddivisi in due set denominati Dataset 1 e Dataset 2, che si riferiscono rispettivamente all’opera pre-intervento e all’opera post-intervento.

L’analisi dei dati

I dati raccolti dal sistema di monitoraggio sono stati suddivisi in due sottocategorie, una pre-intervento e una post-intervento.

In particolare, sono stati rilevati gli spostamenti e le variazioni di temperatura riportati nelle Figure 3A, 3B, 3C e 3D sopra che, al momento dell’acquisizione, vengono definiti come dati grezzi.

Pile 1 e 2
5. I risultati della pila 1 (sopra) e della pila 2 (sotto)

I dati acquisiti sono stati sottoposti a un processo di pulizia per la rimozione degli outlier che avrebbero potuto essere fuorvianti durante l’analisi.

Sia per gli spostamenti che per la temperatura si è adottato un approccio di tipo statistico. Per il set di dati di temperatura si è fatto uso del metodo della media mobile con una finestra temporale di un giorno.

La media mobile permette di valutare il valore medio di un certo numero di dati definiti da uno slot di tempo variabile.

Gli spostamenti sono stati processati con il metodo statistico z-scores, con una soglia che permette la definizione di una curva appropriata di punti dati. Il valore della soglia è definito in base alla distanza tra la media e la deviazione standard dei dati [5].

Le due finestre temporali sono selezionate in modo tale da avere la stessa variazione di temperatura (ΔT) all’interno di ogni Dataset. La variazione di temperatura per il Dataset 1 risulta essere 10,43 °C, mentre per il Dataset 2 si ha 10,53 °C.

Per ciascun set di dati sono inoltre stati valutati gli spostamenti massimi e minimi, riportati nelle Figure 5A e 5B sopra, per essere confrontati con il modello agli elementi finiti. Nelle Figure 6A, 6B, 6C e 6D sopra è riportata la curva degli spostamenti nel tempo.

  • Spostamenti pila 1 al pre-intervento
    6A Spostamenti pila 1 al pre-intervento
    6A. Gli spostamenti massimi e minimi della pila 1 al pre-intervento
  • Spostamenti pila 1 al post-intervento
    6B Spostamenti pila 1 al post-intervento
    6B. Gli spostamenti massimi e minimi della pila 1 al post-intervento
  • Spostamenti pila 2 al pre-intervento
    6C Spostamenti pila 2 al pre-intervento
    6C. Gli spostamenti massimi e minimi della pila 2 al pre-intervento
  • Spostamenti pila 2 al post-intervento
    6D Spostamenti pila 2 al post-intervento
    6D. Gli spostamenti massimi e minimi della pila 2 al post-intervento

Il modello agli elementi finiti

Per analizzare e valutare la struttura si è proceduto inoltre a sviluppare un modello agli elementi finiti. Il ponte a cassone è stato realizzato in MIDAS Civil, utilizzando elementi beam con le caratteristiche geometriche e meccaniche riportate negli as-built.

Al modello sono stati applicati i carichi permanenti strutturali e due carichi termici: una componente uniforme e un gradiente di temperatura. I codici nazionali e internazionali forniscono indicazioni dettagliate per l’azione della temperatura [1].

Tuttavia, il carico termico è stato definito a partire dai dati acquisiti; in particolare, la componente uniforme è stata inserita pari a 10,5 °C mentre il gradiente è stato calcolato sulla base dei dati del Dataset 1 nell’intervallo di tempo selezionato. Il gradiente di temperatura mostrato in Figura 8 sotto è stato valutato dividendo i dati di temperatura rilevati per l’altezza della trave, per cui si è ottenuto un ∇T di 1,10 °C/m.

Il modello agli elementi finiti
7. Il modello agli elementi finiti

La distorsione termica è stata considerata solamente nelle sue due componenti descritte precedentemente, e non tramite Legge di quinto grado come illustrato in [4].

I risultati

I dati post-intervento relativi ai sensori di entrambe le pile mostrano una notevole riduzione degli spostamenti. La diminuzione dei valori è stata maggiore nel caso della pila 1.

L’incertezza dello schema statico dell’opera, attribuita agli appoggi presenti nella configurazione originaria, è stata superata tramite gli interventi di risanamento, per i quali i risultati del modello FEM sono conformi ai dati raccolti.

I risultati ottenuti sono riassunti nella Figura 9 sotto, dove è evidente che gli spostamenti su entrambe le pile si riducono a seguito dell’intervento. I risultati forniti da MIDAS Civil sono coerenti con gli spostamenti post-intervento.

Il gradiente di temperatura
8. Il gradiente di temperatura

Conclusioni

Il monitoraggio delle strutture e delle infrastrutture permette una valutazione continua del comportamento strutturale.

Le tecniche di rilievo innovative – come il monitoraggio – permettono di delineare eventuali problematiche relative allo stato di conservazione delle strutture e di rafforzare il processo di miglioramento delle prestazioni.

Il ponte a cassone a tre campate analizzato e oggetto di un intervento di risanamento dovuto all’incertezza del suo schema statico è stato monitorato per valutarne il comportamento strutturale. I dati provenienti dal monitoraggio sono stati utilizzati come input per il modello agli elementi finiti e confrontati con i risultati del FEM, al fine di validare e certificare il collaudo.

Nel caso studio presentato viene mostrata l’influenza del nuovo schema statico dell’opera dovuto alla sostituzione degli appoggi.

Il comportamento strutturale post-intervento rilevato dai sensori installati è coerente con quanto ottenuto dal modello agli elementi finiti. Ciò dimostra che le tecniche di monitoraggio migliorano le verifiche per il collaudo delle strutture.

Il confronto tra gli spostamenti
9. Il confronto tra gli spostamenti del modello FEM, del Dataset 1 e del Dataset 2

Bibliografia

[1]. European Committee for Standardization, n. 1991-1-5 Eurocode 1: Actions on structures – Part 1-5: General actions – Thermal actions, 2004.

[2]. A. Bonaldi, E. Panzeri, P. Panzeri – “Il collaudo e il controllo di ponti e viadotti”, “Strade & Autostrade” n° n° 94 Luglio/Agosto 2012, pag. 59.

[3]. P. Salomone – “Prove di carico su solai, ponti e viadotti: cosa dicono le NTC 2018?”, Ingegneri.cc, 2019, https://www.ingegneri.cc/prove-di-caricosolai-ponti-viadotti.html/.

[4]. F. Rendace – “Effetti dell’azione termica nei ponti in calcestruzzo con distrivuzione lineare e non lineare applicando gli Eurocodici”, https://www.ingenio-web.it/32539-effetti-dellazione-termica-nei-ponti-in-calcestruzzo-con-distribuzione-lineare-e-non-applicando-gli-eurocodici, Ingenio, 2021.

[5]. C.H. Brase, C.P. Brase – “Understanding basic statistics”, Brooks/Cole Cengage Learning, 2013.

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