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Il progetto Rafael per il monitoraggio delle opere d’arte

ANAS ha messo a punto un innovativo sistema multi-sensore volto alla sicurezza e alla resilienza delle infrastrutture stradali

Il viadotto San Paolo

RAFAEL è un progetto co-finanziato dal Ministero dell’Università e della Ricerca a valere sui fondi PON “Ricerca e Innovazione” 2014-2020 e FSC di cui all’avviso D.D. del 13 Luglio 2017 n° 1735 – Domanda ARS01_00305 area di specializzazione “Smart Secure & Inclusive Communities”.

Composto da un vasto partenariato nazionale coordinato da ENEA, il progetto si pone come obiettivo quello di ottimizzare e integrare metodologie e tecnologie innovative all’interno di una piattaforma di Supporto alle Decisioni (DSS), denominata CIPCast, sviluppata nel corso degli ultimi 15 anni da ENEA.

CipCast è un sistema esperto in grado di stimare l’impatto di eventi naturali o antropici sulle infrastrutture critiche e sugli operatori di servizi essenziali, di generare scenari sintetici (terremoti, precipitazioni intense, azioni terroristiche o dolose) e di valutarne le perturbazioni indotte. La piattaforma si propone come riferimento per fornire servizi alle Imprese e alla Pubblica Amministrazione attraverso il Consorzio EISAC.IT che ne effettuerà il deployment operativo in Italia [1].

L’imbocco della galleria San Demetrio
1. L’imbocco della galleria San Demetrio lungo l’autostrada Catania-Siracusa

Il progetto, coerentemente con gli obiettivi delle agende strategiche nazionali ed europee, è incentrato sull’analisi degli hazard e degli effetti indotti da eventi estremi sulle Infrastrutture Critiche (IC) che erogano servizi essenziali per i cittadini.

Le IC, per loro natura, sono caratterizzate da un’elevata esposizione e vulnerabilità alle minacce perturbative generate dai cambiamenti climatici e dalla correlata intensificazione di molti tra gli eventi naturali che colpiscono il territorio, oltre che dagli eventi endemici quali frane e terremoti.

D’altronde, le mutate condizioni socio-politiche e l’estrema interconnessione funzionale e geografica tra le Infrastrutture Critiche oggi più che mai pongono l’attenzione sulla necessità di salvaguardare la normale funzionalità e la continuità dei servizi erogati.

L’elevata interconnessione tra le IC (reti stradali, ferroviarie, idriche, elettriche, gas, telecomunicazione, ecc.) evidenzia come non sia possibile analizzare il fenomeno tenendo conto solo degli aspetti contingenti, poiché perturbazioni anche a carattere locale su una rete possono propagarsi su larghe aree geografiche, in tempi anche molto ridotti, coinvolgendo reti di servizi diverse.

A questo proposito, basti pensare a come le infrastrutture stradali siano centrali in situazioni di emergenza in cui dal loro funzionamento dipende la possibilità di manutenere altre IC, quali ad esempio le reti elettrica o idrica o, ancora, garantire l’arrivo dei soccorsi e come, di contro, il malfunzionamento della stessa potrebbe indurre ripercussioni rilevanti su larga scala.

Le prove di collaudo
2. Le prove di collaudo per i sensori del viadotto

Dunque, è evidente che la forma di protezione più avanzata verso tutti questi sistemi non è tanto renderli invulnerabili quanto piuttosto migliorarne la resilienza, ovvero aumentare la capacità di rispondere efficacemente a qualunque perturbazione che possa ridurne il funzionamento e ripristinare, il più velocemente possibile, situazioni di equilibrio che soddisfino le esigenze dei cittadini.

Per ottenere questo è necessario sviluppare strumenti che analizzino contemporaneamente tutte le IC, considerando le relative interdipendenze, in funzione dei diversi tipi di hazard su più scale geografiche ed infine che agiscano non solo nella fase di reazione alla perturbazione, ma anche in modo proattivo.

È proprio in questo ambito che si colloca il progetto RAFAEL con un duplice scopo: tecnologico e istituzionale.

Dal punto di vista tecnologico, il progetto intende continuare l’opera di sviluppo della piattaforma CIPCast per ampliarne le aree di applicazione e le funzionalità mentre, dal punto di vista istituzionale, mira a supportare la realizzazione di un’adeguata forma di exploitation tecnologica in grado di erogare servizi a favore delle aree del Sud situate lungo la dorsale appenninica e, quindi, più esposte (per cause diverse) ad eventi naturali, nonché ad estenderne i risultati anche alle altre aree del Paese.

Attraverso il progetto RAFAEL, la piattaforma CIPcast sarà arricchita di ulteriori funzionalità ed estesa ai servizi essenziali e alle reti (elettriche, acqua, gas, telecomunicazioni, strade e ferrovie) evidenziandone le dipendenze funzionali in modo da costruire un primo sistema di Previsioni Operative del Rischio sul “sistema dei sistemi critici” integrati tra loro attraverso opportune mappe di dipendenza.

Obiettivi e struttura del progetto Rafael

Per perseguire le finalità sopra esposte, sono stati predisposti una serie di obiettivi realizzativi che vanno dallo sviluppo di sensori di nuova generazione fino alla validazione delle tecnologie in alcune aree pilota.

L’installazione della strumentazione
3. L’installazione della strumentazione di controllo

Il progetto prevede, nello specifico, anche un obiettivo realizzativo dedicato alle tecnologie per la sicurezza e la resilienza delle infrastrutture stradali, ambito nel quale ANAS ha condotto in stretta sinergia con ENEA, INGV e TIM una serie di iniziative progettuali, tecnologiche e sperimentali.

Le infrastrutture stradali costituiscono, infatti, una componente fondamentale per l’economia e la qualità della vita di una comunità; allo stesso tempo risultano particolarmente esposte e spesso vulnerabili rispetto ai diversi fenomeni calamitosi.

Il danneggiamento o la ridotta funzionalità delle infrastrutture stradali può incrementare, anche significativamente, le perdite di vite umane e indurre danni economici rilevanti pure su orizzonti temporali di medio-lungo periodo sia a scala locale che regionale.

Le attività di questo obiettivo realizzativo sono orientate allo studio e realizzazione di strumenti avanzati di diagnostica e servizi innovativi atti, da un lato, a consolidare la sicurezza e la resilienza delle reti stradali a eventi potenzialmente critici e, dall’altro, ad agevolare e guidare, durante le delicate fasi di gestione dell’emergenza, il processo decisionale.

A tale scopo, sono stati sviluppati metodi e strumenti per migliorare la conoscenza e la valutazione della vulnerabilità strutturale dei singoli elementi della rete stradale in funzione delle specificità fisico-costruttive e della tipologia, intensità e durata dell’evento calamitoso.

Il viadotto San Paolo
4. Il sito pilota: il viadotto San Paolo

Sono stati, inoltre, studiati approcci e tecniche per l’analisi della vulnerabilità funzionale della rete per determinare le ripercussioni negative sulla mobilità di passeggeri e merci, in termini di costi economici e sociali, che potrebbero manifestarsi globalmente a seguito di un evento calamitoso e che dipendono non solo dalla configurazione spaziale e topologica della rete stessa, ma anche dall’entità e dalla struttura dei flussi veicolari che la percorrono.

La conoscenza del livello di vulnerabilità strutturale e funzionale consentirà di programmare interventi più idonei e incisivi da attuare sia per garantire la sicurezza statica delle strutture mediante una efficace programmazione della manutenzione ordinaria e straordinaria delle infrastrutture viarie, che per fronteggiare le conseguenti situazioni di congestione e paralisi del traffico.

Un aspetto innovativo della ricerca risiede nell’integrazione e condivisione di dati e informazioni, ottenuti con i metodi tradizionali di indagine, con la sensoristica più avanzata e, più in generale, con i moderni strumenti dell’ICT.

Nell’ambito del progetto sono stati, inoltre, utilizzati i dati catastali delle infrastrutture, i dati di monitoraggio sismico e del traffico sistematicamente acquisiti dai sistemi di sorveglianza di ANAS. Tali dati sono stati integrati con le informazioni specifiche sulla sismicità locale, sullo stress dei manufatti, sullo stato del piano viabile, sulle condizioni del terreno circostante, nonché sull’entità e struttura del traffico veicolare.

Inoltre, sono stati acquisiti open data di traffico e big-data della mobilità provenienti da dispositivi mobili con localizzatore GPS, che hanno permesso l’acquisizione capillare di importanti informazioni per la ricostruzione e caratterizzazione dei profili di mobilità dei veicoli nell’area di riferimento.

La galleria San Demetrio
5. Il sito pilota: la galleria San Demetrio

Sulla base di questi dati sono stati sviluppati nuovi algoritmi e metodi quantitativi per la stima di indicatori della vulnerabilità sistemica della rete viaria a partire dalle proprietà topologiche e dai pattern di mobilità prevalenti. Tali indicatori hanno consentito di identificare gli elementi critici della rete sui quali un eventuale blocco della viabilità potrebbe comportare ripercussioni gravi.

Sono state, inoltre, predisposte idonee procedure per la valutazione degli effetti indotti da eventi calamitosi o da incidenti sugli elementi più critici e sviluppati algoritmi per l’individuazione di percorsi alternativi e la stima di percorribilità delle infrastrutture critiche. In questo ambito, sono stati anche sviluppati modelli per la generazione di piani di viabilità alternativa nell’area circostante al teatro delle operazioni di soccorso.

Dal punto di vista tecnologico, il progetto ha comportato anche l’allestimento di un’area pilota a Catania con sensori di varia natura (remote sensing, sensori ambientali, meteorologici, sismici e geodinamici), finalizzati al monitoraggio continuo e in tempo reale di un viadotto e di una galleria situati in zone soggette a frequenti sollecitazioni di tipo sismico, in grado di fornire informazioni utili per determinare lo stato di degrado delle opere, individuare soglie di allerta, identificare possibili rischi e fornire una stima degli impatti sui servizi e le conseguenze sulla popolazione.

  • I sensori FBG in galleria
    6A I sensori FBG in galleria
    6A. I sensori FBG in galleria
  • I sensori FBG sul viadotto
    6B I sensori FBG sul viadotto
    6B. I sensori FBG sul viadotto
  • I sensori FBG sul viadotto
    6C I sensori FBG sul viadotto
    6C. I sensori FBG sul viadotto

Al fine di analizzare in ambiente controllato il comportamento statico e dinamico delle opere d’arte oggetto di sperimentazione, è stato, inoltre, realizzato un modello in scala di una campata del viadotto da testare presso i Laboratori del Centro Ricerche ENEA Casaccia.

L’area pilota di Catania

L’area pilota di Catania consta di due test case: il viadotto San Paolo e la galleria San Demetrio.

Il viadotto San Paolo è ubicato lungo la RA15- Tangenziale Ovest di Catania al km 2+791 (Figura 4 sopra), mentre la galleria San Demetrio (Figura 5) si trova sull’autostrada Catania-Siracusa, al km 4+790.

Entrambe le infrastrutture sono elementi a ridondanza nulla, pertanto in caso di emergenza costituiscono il collegamento più immediato alle zone interessate da eventuali calamità. Ne consegue che l’applicazione di un sistema di monitoraggio in questa area e su queste componenti viarie risulta essere molto interessante al fine di perseguire gli obiettivi del progetto.

  • I sensori sul viadotto San Paolo
    7A I sensori sul viadotto San Paolo
    7A. Lo schema della collocazione dei sensori a fibra ottica sul viadotto San Paolo
  • I sensori nella galleria San Demetrio
    7B I sensori nella galleria San Demetrio
    7B. Lo schema della collocazione dei sensori a fibra ottica nella galleria San Demetrio

Con lo scopo di monitorare entrambi gli elementi infrastrutturali dal punto di vista strutturale sono state installate catene di sensori a fibra ottica, costituite da accelerometri, deformometri e inclinometri, che oltre ad avere un’ottima affidabilità nel calcolo delle deformazioni, garantiscono la copertura di distanze notevoli grazie all’installazione di più sensori in serie, abbattendo sensibilmente i costi (Figure 6A, 6B e 6C, 7A, 7B) [2].

Inoltre, in prossimità del viadotto San Paolo, sono stati installati una stazione meteorologica e un sistema di pesatura dinamica (Figure 8A, 8B e 9). Quest’ultimo rappresenta un’applicazione strategica per il monitoraggio e la gestione del traffico e delle infrastrutture.

La stazione di pesatura dinamica, oltre a consentire l’identificazione puntuale dei veicoli sovraccarichi, genera una serie di dati che, se opportunamente elaborati, permettono una conoscenza approfondita del traffico di tratta e lo sviluppo di sistemi di supporto decisionali proattivi.

  • L’installazione dei sensori
    8A L’installazione dei sensori
    8A. L’installazione dei sensori di pesatura dinamica
  • Il posizionamento dei sensori
    8B Il posizionamento dei sensori
    8B. Il posizionamento dei sensori di pesatura dinamica
  • I sensori della qualità dell’aria
    9 I sensori della qualità dell’aria
    9. La stazione meteorologica e sensori della qualità dell’aria MONICA

La dotazione strumentale delle opere d’arte include, infine, sensori di qualità dell’aria sviluppati da ENEA (MONICA) e, nel caso del viadotto, ulteriori accelerometri posizionati al piede della pila della campata monitorata e a livello del bedrock sismico (Figure 10 e 11).

L’insieme di tutti questi sensori concorre a garantire la massima efficacia del sistema di monitoraggio, che operando in continuo, consente di analizzare e valutare le variazioni di risposta delle opere a seguito di sollecitazioni di varia natura sulla base di dati oggettivi e conseguentemente di predisporre con congruo anticipo azioni di manutenzione preventiva.

I dispositivi installati sono stati accuratamente testati con esito positivo da ANAS, in collaborazione con Enea e INGV, nel corso di una sessione sperimentale durante la quale sono state effettuate una serie di prove di carico statiche e dinamiche, inclusa una prova di impulso al suolo, nelle vicinanze di una pila, per simulare gli effetti di un evento sismico (Figura 12 sotto). 

  • Il posizionamento dei sensori INGV
    10 Il posizionamento dei sensori INGV
    10. Il posizionamento dei sensori INGV
  • Gli accelerometri triassiali
    11 Gli accelerometri triassiali
    11. Gli accelerometri triassiali dei sensori INGV

Il test in ambiente controllato

Per approfondire le conoscenze in merito alle prestazioni del sistema di monitoraggio dinamico installato sul viadotto San Paolo e per testare l’efficacia degli interventi di miglioramento della resilienza del viadotto è stato realizzato un modello in scala della campata strumentata presso il laboratorio del Centro Ricerche ENEA Casaccia (Figure 13A e 13B).

Sul modello è stato replicato lo schema di monitoraggio installato nel sito reale di Catania, inserendo nelle medesime posizioni la stessa tipologia di sensori, ed eseguendo prove sperimentali con differenti condizioni di vincolo tra impalcato e pila. Nello specifico, sono state condotte misurazioni con gli isolatori multidirezionali, ossia il tipo di appoggio attualmente presente nell’infrastruttura, con gli isolatori a pendolo e con gli isolatori elastomerici.

La prova di impulso
12. La prova di impulso al suolo con massa nota

Per tutte queste configurazioni di vincolo sono state effettuate:

  • prove statiche di carico applicando una massa nota di 500 kg in diverse posizioni sull’impalcato, per circa 30 secondi, al fine di misurare le variazioni di deformazione subita;
  • prove di rilascio rapido, agganciando l’impalcato e tirandolo in orizzontale tramite verricello per indurre uno spostamento orizzontale nella direzione longitudinale di alcuni centimetri, con lo scopo di valutare il corretto funzionamento e l’efficacia degli appoggi;
  • prove dinamiche (Figura 14 sotto) sia con l’utilizzo della vibrodina sia posizionando l’impalcato sulla tavola vibrante per misurare la risposta del viadotto a seguito di sollecitazioni di diversa natura e intensità.

  • Vista frontale del modello di una campata
    13A Vista frontale del modello di una campata
    13A. Vista frontale del modello in scala di una campata del viadotto San Paolo
  • Vista laterale del modello di una campata
    13B Vista laterale del modello di una campata
    13B. Vista laterale del modello in scala di una campata del viadotto San Paolo

Inoltre, nella fase di montaggio dell’impalcato sulle pile, è stata eseguita una campagna di prove non distruttive per la caratterizzazione degli elementi strutturali del prototipo, da leggere e interpretare insieme ai dati di schiacciamento dei provini cubici delle gettate di calcestruzzo, forniti dal laboratorio del Centro Sperimentale Stradale di ANAS.

In particolare, sono state eseguite prove con martello sonico sull’impalcato e prove ultrasoniche sulle pile; quest’ultime sono state ripetute nel corso della sperimentazione per verificare le condizioni del modello a seguito delle sollecitazioni indotte [3].

Sono attualmente in corso le attività di analisi e sintesi dei risultati, la cui pubblicazione è prevista entro la fine del corrente anno.

Le prove dinamiche
14. Le prove dinamiche presso il Centro di Ricerche Enea Casaccia

Dati tecnici

  • Linea di finanziamento: PON RI 2017
  • Budget complessivo: 9.279.926 di Euro
  • Budget ANAS: 848.800,00 di Euro
  • Percentuale finanziamento UE: 25÷50%
  • Data di inizio progetto: 1° Settembre 2018
  • Data ultimazione progetto: 30 Novembre 2022 

Bibliografia

[1]. Progetto ARS01_00305 RAFAEL – Sistema per la previsione e la gestione del rischio sulle Infrastrutture Critiche nel Sud Italia – PON “Ricerca e Innovazione” 2014-2020.

[2]. G. Buffarini, P. Clemente, M. Caponero – “D5.1-Valutazione di vulnerabilità strutturale delle Infrastrutture ed analisi dei rischi”, Progetto ARS01_00305 RAFAEL – Sistema per la previsione e la gestione del rischio sulle Infrastrutture Critiche nel Sud Italia – PON “Ricerca e Innovazione” Roma 2020, 2021.

[3]. I. Roselli, F. Saitta, G. Buffarini, P. Clemente – “D5.2-Caratterizzazione antisismica e diagnostica di elementi strutturali della rete stradale”- Progetto ARS01_00305 RAFAEL – Sistema per la previsione e la gestione del rischio sulle Infrastrutture Critiche nel Sud Italia – PON “Ricerca e Innovazione”, Roma 2020, 2021.

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