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Il monitoraggio indiretto dei ponti: sfide e opportunità dell’iBSHM

Partendo da una accurata ricerca sullo stato dell’arte e concentrandosi sull’ottimizzazione delle principali sfide operative, si pongono le basi per lo sviluppo di un veicolo di ispezione funzionale al monitoraggio indiretto di ponti

Monitoraggio indiretto ponti

Il monitoraggio strutturale (Structural Health Monitoring, SHM) si basa sull’analisi della risposta delle strutture per identificarne le caratteristiche sensibili al danno, o damage-sensitive features (DSFs). Un esempio tipico in questo senso sono i parametri modali, ottenibili tramite monitoraggio dinamico della risposta vibrazionale: frequenze naturali, smorzamenti e forme modali.

Sebbene i metodi di monitoraggio dinamico tradizionali, che utilizzano dati da sensori installati sulle strutture, abbiano avuto provato successo, il vasto numero di ponti e viadotti presenti nelle reti di trasporto rende irrealistica e antieconomica la progettazione di un sistema SHM applicato su ogni infrastruttura, in larga scala. In questo contesto, il monitoraggio indiretto di ponti (drive-by o indirect Bridge Structural Health Monitoring, iBSHM) offre un’interessante alternativa.

Punti per la realizzazione pratica
1. Punti da considerare per la realizzazione pratica di un veicolo di ispezione

I recenti sviluppi nel settore hanno evidenziato le sorprendenti potenzialità di questo approccio indiretto. Tuttavia, la metodologia, estremamente innovativa, non è ancora ad uno stato maturo. Inoltre, i – seppur limitati – studi a scala reale evidenziano aspetti tecnici da considerare per garantire l’accuratezza dei dati acquisiti.

Questo approfondimento ha come obiettivo quello di definire le specifiche tecniche necessarie per lo sviluppo di un prototipo di piattaforma mobile, comprendendo le condizioni operative e il sistema di sensori che ottimizzino il sistema di monitoraggio per il gestore dell’infrastruttura, partendo da un’attenta e studiata ricerca sullo stato dell’arte.

Politecnico di Torino

Il monitoraggio indiretto: vantaggi e limitazioni

Il vantaggio principale dell’iBSHM risiede nella possibilità di monitorare più strutture utilizzando uno o più veicoli strumentati con sensori installati a bordo e operanti in movimento (drive by), ottimizzando tempi e costi.

Lo svantaggio principale dell’iBSHM è che i dati misurati sono influenzati da fattori confondenti:

  • il movimento del veicolo (ad esempio, rollio e beccheggio) e quindi dei sensori;
  • le proprietà dinamiche del veicolo stesso;
  • la rugosità della pavimentazione stradale.

Come sarà discusso in seguito, queste criticità possono essere compensate tramite un’accurata definizione dei requisiti tecnici del veicolo, delle condizioni operative in cui acquisire le misurazioni, della strumentazione necessaria e del suo posizionamento.

Test in scala reale
2. Test in scala reale trovati in letteratura e raccolti per tipologia di veicolo utilizzato nelle misurazioni

Specifiche meccaniche del veicolo

Con riferimento ai test in scala reale presenti in letteratura, riassunti nelle Figure 2 e 3, è possibile notare che la maggior parte dei veicoli utilizzati sono minivan o autovetture ordinarie, riportate nel diagramma a torta come “Multi-Purpose Vehicles” (MPVs). Si ha in generale la propensione per strumentare e adattare un veicolo commerciale già esistente. Di minor interesse sono i sistemi a rimorchio (towed trailers), che possono operare solo a velocità molto contenute.

Considerando la varietà di materiali e geometria della popolazione di ponti in Italia, risulta essenziale pensare un sistema di monitoraggio adattabile a diversi scenari; da qui la necessità di progettare un sistema modificabile e con componenti di facile sostituzione, laddove possibile.

Riguardo l’ambito meccanico, risulta evidente come sia monovolumi che van commerciali presentino un comportamento dinamico complesso, con picchi in frequenze individuabili tra 1 Hz e 50 Hz. In particolare, nel range fino a 20 Hz si possono individuare i contributi dati dalle sospensioni, dallo sterzo e dal motore [1]. Queste interferenze possono essere evitate, con un’apposita scelta della massa del veicolo e della rigidezza delle sue sospensioni, oppure corrette in fase di post-processing dei segnali acquisiti, tramite tecniche come ad esempio la spectral subtraction, nota la caratterizzazione dinamica del veicolo, spento e accesso non in movimento.

Sintesi di 22 studi
3. Sintesi di 22 studi selezionati con applicazioni iBHM su scala reale: parametri identificati (sinistra), tipologia di veicolo (centro) e tecnica di processamento dei segnali adoperate (destra)

Infatti, la caratterizzazione dinamica del veicolo risulta di estrema importanza per individuarne le frequenze fondamentali nel range di interesse e dunque differenziarle dalla risposta del ponte misurata a bordo del veicolo stesso. Tali misure possono essere eseguite facilmente in officine specializzate, con elevata precisione e costi contenuti.

La scelta della propulsione è influenzata dal rumore e dall’autonomia richiesta al veicolo. L’uso di un veicolo ibrido o elettrico permette di abbattere le vibrazioni causate dal motore a scoppio, che impattano negativamente la qualità dei dati raccolti [2]. Gli ultimi avanzamenti tecnologici in merito hanno consentito l’ingresso nel mercato di batterie con autonomia in media da 200 km fino a 400-500 km, dipendente fortemente dalla massa del veicolo stesso [3].

La scelta del veicolo dovrà dunque tener conto dei suddetti aspetti, nonché della necessità di contenere e trasportare il complesso sistema di sensori, di acquisizione dati, e di alimentazione, oltre al personale specializzato.

Scelta e posizionamento dei sensori a bordo

Per l’acquisizione di misure vibrazionali, i sensori più utilizzati risultano essere gli accelerometri. La scelta delle specifiche dipende dalla necessità del gestore dell’infrastruttura, in quanto deve tener conto della larghezza di banda richiesta (in Hz), delle dimensioni, e della necessità di avere misure mono o triassiali, orientandosi verso soluzioni di tipo piezoelettrico, piezoresistivo o force-balance.

Avere più accelerometri a bordo, e quindi un numero maggiore di punti di misura, risulta essere la soluzione ottimale. In particolare, posizionare quattro accelerometri all’interno del veicolo in corrispondenza dei due assi e quanto più vicini agli pneumatici consentirebbe di compensare l’effetto di rollio e beccheggio del veicolo [4]. Unitamente, l’installazione di un ulteriore accelerometro in corrispondenza del baricentro del veicolo potrà aiutare ad ottenere una più accurata misura della risposta verticale del ponte.

La piattaforma mobile potrà essere equipaggiata anche con sensori di posizionamento (GPS) e/o piattaforma inerziale, spesso già presente sui veicoli ad uso comune, al fine di rilevare con continuità la posizione del veicolo e la velocità di marcia.

Opzionalmente, possono essere anche previsti sensori di misura degli spostamenti, per misurare gli spostamenti verticali del veicolo, oppure profilometri laser, se si vuole prevedere una contemporanea scansione del manto stradale, nell’ottica di studiare l’influenza della macrotessitura della pavimentazione sulle misurazioni.

Il veicolo deve essere predisposto per accogliere il sistema di acquisizione dati, il box di smistamento, la batteria di alimentazione del sistema e una o più unità di calcolo in grado di visualizzare i dati ed eventualmente elaborarli in tempo reale tramite appositi software dedicati.

Condizioni operative

In letteratura sono presenti numerosi studi riguardanti le modalità operative delle prove da cui sono stati ottenuti risultati significativi (sintetizzati in Figura 4).

La velocità di marcia durante le misurazioni dovrebbe essere limitata al di sotto dei 40 km/h, per evitare che il rumore proveniente dalle vibrazioni dello chassis e delle sospensioni renda difficoltoso l’individuazione della risposta del ponte. Inoltre, in vista della corretta implementazione di algoritmi di individuazione e localizzazione del danno, che richiederebbero una velocità costante durante l’acquisizione dei dati, è consigliabile l’utilizzo di un sistema di cruise control.

Il numero di passaggi del veicolo sulla singola campata del ponte sotto ispezione dipende dalle tecniche di acquisizione delle misure e dall’algoritmo di post-processing adottato. Nel caso di un solo veicolo di ispezione, è consigliato un minimo di tre passaggi [2 e 5], mentre, nel caso in cui si opti per la raccolta di dati tramite crowdsensing servendosi di una flotta di veicoli, il numero dei passaggi totali può essere anche superiore, in alcuni esempi anche superiore a cento [6 e 7].

Varie velocità studiate
4. Varie velocità studiate nei diversi articoli riguardanti sperimentazioni a scala reale di successo. La maggior parte risultano essere cautelativamente al di sotto di 40 km/h

Il limite sulla velocità di cui sopra risulta il caso ottimale. Si ritiene che aumentando il numero di misurazioni (ovvero di passaggi) sia possibile aumentare lievemente la velocità di percorrenza mantenendo una buona qualità del segnale. In una prima fase si può pensare di mantenere una velocità bassa e un numero ridotto di passaggi, per poi trovare il giusto compromesso tra i viaggi sul ponte e la velocità ottimale, essendo in questa fase necessario adottare la filosofia di sperimentazione incrementale.

Con riferimento alla sezione trasversale dell’impalcato, la posizione del veicolo nella carreggiata risulta di fondamentale importanza, soprattutto nello studio dei modi torsionali. Supponendo l’ispezione in condizioni di chiusura parziale al traffico o con cantiere mobile [8], per via delle velocità ridotte, la scelta della corsia lenta sarebbe dettata principalmente da fattori logistici di interesse per il gestore dell’infrastruttura.

Tuttavia, il posizionamento sulla corsia più esterna sarebbe comunque positivo in un’ottica di damage detection, dato che le parti più esterne dell’impalcato sono quelle che generalmente presentano un maggior danneggiamento, soprattutto se si prevedono misurazioni in entrambi i sensi di marcia.

Conclusioni

La crescente attenzione verso l’integrità strutturale dei ponti e viadotti sta portando allo sviluppo di metodi di monitoraggio alternativi, quali l’iBSHM. Questo è anche alla base dei lavori del Centro Nazionale per la Mobilità Sostenibile, di cui il Politecnico di Torino guida il gruppo di lavoro dedito al monitoraggio e gestione delle infrastrutture.

In questo contesto, l’attività di ricerca del Politecnico di Torino, tenendo conto della difficoltà nel progettare una piattaforma mobile ottimizzata, mira a fornire una base per lo sviluppo di un veicolo di ispezione funzionale, concentrandosi sui dettagli tecnici e sulle migliori soluzioni alle varie sfide proprie del problema. L’obiettivo è ottenere un prototipo e un flusso di lavoro affidabili, robusti, accurati ed altamente adattabili a seconda del tipo di ponte monitorato.

Ulteriori dettagli oltre a quelli sintetizzati in questo breve contributo possono essere trovati in recenti lavori degli autori [7].

Bibliografia

[1]. D. Fiandaca et al., “An Integrated Approach for Structural Health Monitoring and Damage Detection of Bridges: An Experimental Assessment,” Applied Sciences, vol. 12, no. 24, p. 13018, Dec. 2022, doi: 10.3390/app122413018.

[2]. A. Di Matteo, D. Fiandaca, A. Pirrotta – “Smartphone-based bridge monitoring through vehicle-bridge interaction: analysis and experimental assessment”, J Civ Struct Health Monit, vol. 12, no. 6, pp. 1329-1342, Dec. 2022, doi: 10.1007/s13349-022-00593-1.

[3]. Sorgenia, “L’Autonomia delle Auto Elettriche” https://www.sorgenia.it/guida-energia/autonomia-auto-elettriche#:~:text=In%20media%2C%20le%20macchine%20elettriche,basse%20velocit%C3%A0%20soltanto%20in%20modalit%C3%A0.

[4]. L. Benedetti, L. Bernardini, A. Argentino, G. Cazzulani, C. Somaschini, M. Belloli – “Identification of bridge bending frequencies through drive-by monitoring compensating vehicle pitch detrimental effect”, Structural Monitoring and Maintenance, vol. 9, no. 4, pp. 305-321, Dec. 2022.

[5]. C.W. Lin, Y.B. Yang – “Use of a passing vehicle to scan the fundamental bridge frequencies: An experimental verification”, Eng Struct, vol. 27, no. 13, pp. 1865–1878, Nov. 2005, doi: 10.1016/j.engstruct.2005.06.016.

[6]. T.J. Matarazzo et al. – “Crowdsourcing bridge dynamic monitoring with smartphone vehicle trips”, Communications Engineering, vol. 1, no. 1, p. 29, Nov. 2022, doi: 10.1038/s44172-022-00025-4.

[7]. E. Massarelli et al. – “Output-only modal analysis and system identification for indirect bridge health monitoring: needs, requirements, and limitations”, in 10th International Operational Modal Analysis Conference (IOMAC 2024), Napoli, 2024.

[8]. Autostrade per l’Italia – “Disciplinare per l’installazione, conduzione e rimozione dei cantieri di lavoro sulla rete di Autostrade per l’Italia”, https://www.autostrade.it/static/procurement/tender_295231/119371695/Disciplinare%20installazione%20cantieri.pdf.

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