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Innovazione per il ponte sul nuovo canal Salso

Da Veneto Strade SpA, il monitoraggio dinamico e il ripristino strutturale grazie a tecnologia e innovazione

Salso – I drammatici eventi degli ultimi anni hanno portato alla ribalta dell’opinione pubblica un tema noto ai Gestori stradali: le infrastrutture del nostro Paese, con un’età media superiore ai 40 anni, sottoposte a sollecitazioni superiori a quelle di progetto e in un contesto di repentini cambiamenti climatici, sono vulnerabili e necessitano di grandi investimenti in manutenzione ordinaria e straordinaria per garantire un adeguato livello di servizio e sicurezza ai cittadini.

L’innovazione viene in aiuto ai Gestori, consentendo un livello di controllo quasi in tempo reale impossibile fino a qualche anno fa: si definisce con SHM (Structural Health Monitoring – letteralmente Monitoraggio della Salute Strutturale) il settore che include tutte le tecnologie abilitanti a valutare la condizione di salute strutturale di un’opera.

Si tratta di un insieme eterogeneo di elementi sinergici: sistemi di misura permanenti basati su sensori di nuova generazione, sistemi IoT per il controllo e la remotizzazione dei processi e il device management, Edge/Cloud Computing, algoritmi di analisi dei dati in tempo reale, servizi di ingegneria civile per la diagnostica strutturale.

L’insieme di questi strumenti è necessario per il supporto decisionale alle strutture operative al fine di indirizzare al meglio le risorse disponibili, nel contesto di un innovativo approccio predittivo alla manutenzione delle opere.

Il ponte sul Canal Salso a Venezia
1. Veduta aerea del nuovo ponte sul Canal Salso a Venezia, ristrutturato da Veneto Strade SpA

Veneto Strade SpA è stata precorritrice di questo trend tecnologico, avendo installato i primi impianti di monitoraggio strutturale permanente già nel 2019, grazie a due progetti sperimentali sviluppati per il ponte sul torrente Rudavoi, sulla S.R. 48, nel comune di Cortina d’Ampezzo e sul ponte sul nuovo canal Salso, sulla S.S. 14, nel comune di Venezia (https://www.venetostrade.it/myportal/VSSPA/home).

Per la sperimentazione sono state scelte opere di recente costruzione o risanamento, in modo di poter comparare i dati sperimentali con quelli di progetto, neutralizzando così le incertezze derivanti dallo stato di salute strutturale al momento dell’installazione del sistema. In entrambi i casi, si è optato per un monitoraggio statico e dinamico della struttura.

Descrizione della struttura

Il ponte sul nuovo canal Salso è una struttura a una corsia per senso di marcia con una centrale riservata al passaggio del tram, per una larghezza complessiva di 11,40 m; si estende per tre campate con schema strutturale “a trave Gerber” per una lunghezza totale di 57,20 m (11,50+37,00+11,70 m); le pile sono alte circa 5,00 m.

Descrizione del sistema di ripristino strutturale

Il ponte sul nuovo canal Salso è stato interamente riparato mediante utilizzo di materiali compositi fibrorinforzati; gli interventi realizzati sono quindi classificabili come riparazioni atte a restaurare conservativamente le strutture e la capacità resistente originaria del viadotto e consistono in:

  • trattamento di ripristino strutturale del calcestruzzo mediante malta tissotropica monocomponente a ritiro compensato e a presa normale rinforzata con fibre inorganiche;
  • consolidamento con lamine in carbonio ad alta resistenza e con tessuto in carbonio;
  • selle – ripristino della capacità di resistenza iniziale mediante fibre da 600 g/m2;
  • solette – ripristino della capacità di resistenza iniziale a flessione mediante fibre da 300 g/m2;
  • travi – intervento di rinforzo a flessione con lamine frp per travi longitudinali e traversi;
  • travi – intervento di rinforzo a taglio con tessuti in fibra di carbonio per travi longitudinali e traversi;
  • trattamento protettivo finale delle superfici del calcestruzzo.
La pianta dell’impalcato - canal Salso
2. La pianta dell’impalcato con l’identificazione dei sensori installati

 

Descrizione del sistema di misura

Il monitoraggio dinamico avviene mediante l’acquisizione sincrona di dati originati da accelerometri triassiali MEMS a basso rumore spettrale, campionati a 125 Hz con una risoluzione di 20 bit.

Il monitoraggio statico avviene mediante l’acquisizione di inclinometri biassiali MEMS campionati a 1 Hz con una risoluzione di 16 bit posti sulle pile e di trasduttori di spostamento potenziometrici, lineari e analogici campionati a 1 Hz convertiti digitalmente con una risoluzione di 16 bit. Anche i dati statici vengono acquisiti in modalità sincrona. 

L’architettura IOT

L’architettura IoT è stata sviluppata con il fine di minimizzare la quantità di dati inviata verso server remoti e si è dunque deciso di installare all’interno del quadro generale dell’impianto una potente struttura di Edge Computing, per effettuare le analisi dei dati grezzi e delle serie storiche dei parametri calcolati a livello locale, evitando l’invio di grandi volumi di dati a server Cloud, con notevoli risparmi in termini di traffico dati e utilizzo di storage remoti.

I dati grezzi vengono comunque salvati a livello locale in una repository con una capienza di sei mesi nel caso si rendessero necessarie ulteriori analisi, ad esempio nel caso di un allarme strutturale.

Descrizione del sistema di analisi dei dati (parametri di monitoraggio)

All’epoca dell’installazione, si è scelto di attivare un monitoraggio puramente statistico dei dati originati dai sensori, al fine di tracciare un comportamento strutturale standard dell’opera e originare allarmi in caso di deviazioni statisticamente rilevanti dei parametri calcolati.

Il rinforzo strutturale con FRP
3. Un dettaglio del rinforzo strutturale con materiale FRP

Nel dettaglio, i parametri calcolati relativi ai dati accelerometrici, dopo adeguato condizionamento del segnale, sono:

  • parametri polari piani xy, xz, yz: considerando la divisione in 64 settori (S) del piano polare, il parametro calcola le occorrenze dei moduli Axy/S, Axz/S, Ayz/S nell S-esimo settore (P1, P2, P3); questi parametri vengono calcolati per ogni sensore;
  • valori delle frequenze corrispondenti al primo modo armonico rilevato dalla funzione PSD(1) su uno o più assi e ricalcolato ogni 10 minuti sulle sequenze accelerometriche relative all’ora precedente (F0); la funzione PSD (Power Spectral Density) viene ricavata secondo il teorema di Wiener-Kintchin come F-trasformata della funzione di autocorrelazione della serie storica; questo parametro viene calcolato per ogni sensore.

I parametri calcolati relativi ai dati statici sono:

  • parametro polare del piano xy per inclinometri: modulo Ixy/S della componente inclinometrica secondo il piano xy che cade nel settore S-esimo dei 64 settori in cui viene diviso il piano polare xy; questo parametro viene calcolato per ogni sensore;
  • valore massimo e minimo orario per ogni trasduttore di spostamento.

Descrizione dell’analisi statistica dei parametri nel tempo

Come detto, l’elaborazione dei dati grezzi fornisce, come risultato, un set di parametri P1, P2, P3, ecc… Per ciascun parametro Pi viene esaminata la serie storica dei valori significativi (1) ricavandone gli indici statistici di interesse. Viene associato a ciascun parametro Pi un contatore di controllo Ni che viene incrementato ogni volta che un’occorrenza del parametro Pi supera il valore di soglia ξi.

Il contatore Ni viene decrementato (fino al valore 0) ogni 16 occorrenze del parametro Pi. Se il valore del contatore raggiunge il valore limite prefissato Ui si assume che il parametro Pi abbia un comportamento “statisticamente anomalo”; l’evento anomalo viene segnalato con un messaggio di alert e il contatore viene riportato a zero.

Gli esiti del monitoraggio

Il sistema ha avuto un periodo di auto-apprendimento, finalizzato al calcolo tutte le soglie relative ai parametri sopra elencati per un periodo di 12 mesi, utile a osservare il comportamento strutturale dell’opera in condizioni estive e invernali.

In circa 2,5 anni di monitoraggio, l’impianto non ha generato alcun allarme: non sono state dunque ravvisate anomalie, confermando la bontà strutturale dell’opera monitorata.

Il rinforzo strutturale con bèton plaquè
4. Un dettaglio del rinforzo strutturale mediante bèton plaquè

Gli sviluppi futuri

Queste prime esperienze sperimentali sono state fondamentali affinché le unità operative prendessero confidenza con questi strumenti di asset management e sviluppassero le prime nozioni pratiche e teoriche nel loro utilizzo. Crediamo fermamente che questa sia la strada da percorrere nel futuro e che vada inquadrata in un processo più ampio di valutazione del rischio e di creazione di gemelli digitali delle opere infrastrutturali.

Lo sviluppo di reti complesse di monitoraggio strutturale è infatti il termine di un percorso che trova origine nell’ispezione dei ponti e viadotti secondo le linee ministeriali vigenti.

Questo processo conoscitivo, già interamente implementato sulla rete viaria di Veneto Strade, è fondamentale per stilare una lista di priorità secondo le classi di attenzione risultanti ed effettuare studi più approfonditi sulle strutture considerate più critiche: su queste opere si potrà infatti pianificare l’installazione di sistemi di monitoraggio permanente.

In parallelo al progetto dei sistemi, che deve necessariamente prendere in considerazione gli elementi di criticità risultanti dalle ispezioni e dalle diagnosi strutturali, riteniamo sia opportuno sviluppare modelli numerici delle opere che andranno confrontati con i dati derivanti dalla sensoristica installata (anche mediante prove di carico se necessarie), in un processo di calibrazione il cui risultato ultimo è il gemello digitale strutturale dell’opera, che consentirà agli operatori di effettuare simulazioni più raffinate.

Nei progetti di prossima implementazione, verranno anche potenziate le metodologie di analisi dei dati grezzi. Sarà infatti possibile effettuare analisi modali operative sui dati accelerometrici estraendo in continuo i parametri maggiormente significativi (modi principali, smorzata e forme modali).

L’installazione dei sensori
5. L’installazione dei sensori

In relazione ai dati statici, verranno implementati strumenti di analisi statistica più avanzata, per estrarre un numero maggiore di parametri di monitoraggio.

L’analisi dell’andamento di questi parametri nel tempo avverrà con metodi statistici adeguati, previa applicazione di algoritmi di sterilizzazione degli effetti ambientali, tesi a depurare l’influenza della temperatura sulle misurazioni.

Queste analisi storiche consentiranno di stabilire delle soglie statistiche derivanti dal comportamento standard del manufatto, che si potranno aggiungere a quelle di progetto calcolate con simulazioni strutturali operate mediante il modello numerico calibrato e dunque originare allarmi nel caso di un’anomalia dei parametri calcolati.

È ancora più importante notare che questo genere di analisi storiche fornisce al Gestore utili informazioni relative ad eventuali derive strutturali, grazie a un’accurata osservazione dei trend statistici dei dati. 

Canal Salso – Conclusioni

Riteniamo che il processo di digitalizzazione delle infrastrutture sia il futuro dell’asset management e che possa apportare enormi vantaggi per i Gestori che sapranno interpretare al meglio le sue potenzialità; è però fondamentale che il Gestore governi questo processo e non lo subisca, evitando che sulla propria rete vi sia una proliferazione di sistemi “chiusi” e approcci metodologici eterogenei.

Per fare ciò, è necessario che venga adottato un robusto Capitolato tecnico sulle performance metrologiche e l’interoperabilità dei sistemi installati, in modo che questi si armonizzino con una piattaforma di analisi dei dati e diagnostica strutturale di cui il Gestore deve dotarsi, per fornire interpretazioni univoche dei fenomeni strutturali in essere mediante indici sintetici agli operatori, in sinergia con altri strumenti gestionali fondamentali, quali i Bridge Management System (BMS), nell’ottica di una più comprensivo approccio alla gestione del rischio e all’allocazione delle risorse manutentive con modalità predittive.

Veduta aerea del ponte
6. Veduta aerea del nuovo ponte sul canal Salso a Venezia, ristrutturato da Veneto Strade

Ricordiamo infatti che il fine ultimo dei sistemi di monitoraggio non deve essere la semplicistica generazione di allarmi per l’evacuazione di una struttura con enormi problemi strutturali, ma fornire strumenti gestionali per allocare al meglio gli interventi di manutenzione, per evitare disservizi e aumentare il livello di servizio e sicurezza per la cittadinanza.  

Dati tecnici canal Salso

  • Stazione Appaltante: Veneto Strade SpA
  • Contraente Generale: Nplus Srl
  • Project Manager: Ing. Alessandro Zago, Ing. Luca Fiorentino e Ing. Carlo Ranalletta Felluga

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