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La grande incognita del monitoraggio strutturale

Finalmente, grazie ad iWIM, è possibile conoscere la forzante della massa in transito attraverso la pesatura dinamica

BISONTE di Iwim

Come è noto dalla storia recente del nostro Paese, l’imponente fase di sviluppo delle grandi vie di comunicazione avviato nell’immediato dopoguerra, che ha visto sorgere le principali arterie che ancora oggi sorreggono la nostra economia, a partire dagli anni Ottanta è andata esaurendosi lasciando però un gran patrimonio da preservare dal punto di vista strutturale.

Ciò significa che le numerose e avveniristiche opere di ingegneria, ancor più necessarie alla movimentazione delle persone e delle merci in un contesto orografico difficile quale quello italiano, presentano un’età mediamente superiore ai 40 anni.

A questo va aggiunto, almeno per le opere più longeve, il fatto che il carico stimato in fase progettuale sia ben inferiore a quello effettivo odierno, conseguenza dell’allora difficilmente immaginabile enorme sviluppo del traffico di merci su gomma in Italia.

I Tecnici di iWIM
1. I Tecnici di iWIM eseguono le ordinarie operazioni di manutenzione sul sistema di pesatura dinamica BISONTE che monitora il traffico sul ponte Genova San Giorgio (si veda “Strade & Autostrade” n° 143 Settembre/Ottobre 2020 a pag. 94 con https://www.stradeeautostrade.it/tecnologie-e-sistemi/un-bisonte-sul-ponte-di-genova/)

La brutale presa di coscienza dello stato di invecchiamento e di conseguente vulnerabilità delle opere d’arte, anche a seguito di alcuni tragici crolli, tra i quali di certo non possiamo non menzionare quello del viadotto Polcevera, ha portato in risalto la necessità di fornire ai Gestori e ai responsabili di tali infrastrutture tecnologie e sistemi sempre più completi atti a garantire la sorveglianza e il monitoraggio dei ponti e dei viadotti in esercizio sulla viabilità ordinaria come su quella autostradale.

Questa esigenza è venuta a concretizzarsi nelle “linee guida per la classificazione e gestione del rischio, la valutazione della sicurezza e il monitoraggio dei ponti” [1] elaborate ed emesse dal Ministero delle Infrastrutture e della Mobilità Sostenibili.

Infatti, attraverso una procedura codificata, è prevista l’assegnazione di una “classe di attenzione” relativa a ciascuna opera d’arte; per quelle considerate più a rischio, viene dunque prescritta l’installazione di sistemi di monitoraggio, periodico o continuo, volta anche ad indirizzare al meglio le risorse atte a garantire la sicurezza dell’infrastruttura.

Il monitoraggio strutturale convenzionale

I sistemi di monitoraggio strutturale, spesso noti sotto l’etichetta “intelligent bridge monitoring”, convenzionalmente includono una vasta gamma di diversi sensori, fra i quali accelerometri, inclinometri, strain gauge, sensori di spostamento, fessurimetri e distanziometri; questi possono campionare le varie grandezze di interesse a frequenze elevate, superiori anche di ordini di grandezza rispetto al secondo.

La risposta combinata di questa rete di sensori, che può essere elaborata in tempo reale e localmente secondo il paradigma dell’edge computing, fornisce la risposta dinamica dell’infrastruttura nelle sue componenti vibrazionali, flessionali e tensionali, che vanno a sovrapporsi al carico statico proprio dell’infrastruttura.

Tale risposta prevede componenti a scale temporali ampiamente diverse: da quelle più ampie, dovute principalmente a fattori ambientali quali il ciclo stagionale, a quelle più brevi, dovute principalmente alla forzante imputabile al volume di traffico in transito nel dato istante sull’impalcato.

Il sistema BISONTE in A1
2. Il sistema BISONTE a protezione di un sovrappasso sulla A1

In ogni caso, le tecniche di monitoraggio strutturale convenzionale appena descritte permettono la sola conoscenza della risposta dell’infrastruttura agli stimoli esterni, senza poter avanzare alcuna ipotesi, se non di carattere puramente statistico, sull’entità della forzante agente sull’infrastruttura stessa. Per l’appunto, tecniche di monitoraggio di questo tipo sono note come “output-only”.

Risulta dunque evidente come, in questo modo, si renda particolarmente difficile e ricca di approssimazioni la costruzione di un modello matematico effettivo dell’infrastruttura, riducendo di gran lunga il potere predittivo del monitoraggio stesso.

La conoscenza dell’input nel monitoraggio strutturale

Acclarata l’importanza di superare un modello “output-only”, sono state dunque elaborate numerose tecniche per sopperire alla mancata conoscenza della forzante in ingresso durante la fase di esercizio dell’infrastruttura.

Esse prevedono di eseguire l’analisi modale dell’impalcato registrando la risposta dello stesso a sollecitazioni artificiali note, eseguite in condizioni “da laboratorio”, ossia con l’opera d’arte sgombra dal traffico che normalmente la occupa (la tecnica prende il nome di “experimental modal analysis”, nota anche con l’acronimo EMA).

Il limite di questa tecnica risiede innanzitutto nella limitata applicabilità ai casi reali; inoltre, per sua stessa natura, un test di questo tipo non può che riflettere lo stato dell’infrastruttura solamente al momento dell’effettuazione delle prove e non può in alcun modo tenere in conto la sua evoluzione in termini di degrado nel tempo.

L’interfaccia utente del sistema BISONTE
3. L’interfaccia utente del sistema di pesatura dinamica BISONTE, accessibile via web da ogni dispositivo

Ciò è tanto più limitante se si considera la limitata ripetibilità delle prove, in quanto richiedono la chiusura al traffico per un periodo relativamente prolungato del ponte o viadotto di interesse. A questo proposito, le stesse linee guida ministeriali indicano che “le prove dinamiche occasionali nella maggior parte dei casi pratici non consentono, da sole, di identificare in modo affidabile eventuali stati di danno strutturale”.

Per ovviare a questi limiti sono state sviluppate tecniche basate sulla raccolta di dati “in esercizio”, ossia a circolazione stradale aperta: esse sono note come “operational modal analysis” (OMA) e prevedono di sfruttare la forzante del traffico in transito per l’effettuazione dell’analisi modale, con notevoli approssimazioni sullo spettro di frequenza della funzione in ingresso. 

Il ruolo della pesatura dinamica

I sistemi di pesatura dinamica, spesso noti con la locuzione inglese “weigh-in-motion” (da cui l’acronimo WIM), sono lo strumento più completo per una totale conoscenza dei flussi di traffico transitanti su una data tratta stradale.

Sono, infatti, l’unico strumento che permette di avere contezza della massa dei veicoli in transito; dunque, nel contesto del monitoraggio stradale, sono lo strumento abilitante per poter correlare la reale massa in transito sull’impalcato alla risposta dello stesso.

Inoltre, mettono a disposizione del Gestore stradale un’enorme mole di informazioni, fra cui:

  • massa scaricata a terra da ciascuna delle ruote, distinguendo le stesse fra singole e gemellate. Questo dato riveste particolare importanza nella stima del danno al manto stradale causato dal traffico e permette dunque di pianificare la manutenzione in modo efficiente;
  • rilevazione della geometria a terra del veicolo, il numero degli assi e le distanze fra gli stessi: in questo modo, il sistema può classificare i veicoli a seconda della tipologia;
  • individuazione dei transiti che eccedono i limiti sulla massa, ossia i veicoli sovraccarichi, fornendo un valido aiuto alla garanzia della sicurezza stradale.

  • Uno trumento di monitoraggio del traffico
    4A Uno trumento di monitoraggio del traffico
    4A. Uno screenshot dello strumento di monitoraggio del traffico su ponti del sistema BISONTE: in questo caso, viene analizzata la distribuzione temporale dei pesi gravanti sull’impalcato per un ponte a quattro corsie
  • Uno trumento di monitoraggio del traffico
    4B Uno trumento di monitoraggio del traffico
    4B. Uno screenshot dello strumento di monitoraggio del traffico su ponti del sistema BISONTE: in questo caso, viene analizzata la distribuzione temporale dei pesi gravanti sull’impalcato per un ponte a quattro corsie
  • Uno trumento di monitoraggio del traffico
    4C Uno trumento di monitoraggio del traffico
    4C. Uno screenshot dello strumento di monitoraggio del traffico su ponti del sistema BISONTE: in questo caso, viene analizzata la distribuzione temporale dei pesi gravanti sull’impalcato per un ponte a quattro corsie
  • 4A, 4B e 4C iwim legenda

BISONTE mette a disposizione tutti gli strumenti per aiutare il monitoraggio strutturale

iWIM, Azienda produttrice del sistema di pesatura dinamica BISONTE, ha il vantaggio di aver sviluppato ex-novo non solo il sistema di pesatura, ma anche il software: questo ha permesso di poter far evolvere la piattaforma a seconda delle esigenze dei Clienti.

Uno degli ultimi sviluppi è appunto il modulo di monitoraggio ponti e viadotti: grazie ai dati raccolti dal sistema di pesatura è possibile ricostruire sia in real-time che attraverso lo storico dei dati la distribuzione spaziale e temporale del peso scaricato dai veicoli sull’impalcato. Ciò è possibile grazie al fatto che il sistema BISONTE è in grado di rilevare anche i dati cinematici relativi a ogni veicolo.

In questo modo, la risposta rilevata dai sensori di monitoraggio convenzionale può essere facilmente correlata con il reale sforzo spazialmente distribuito a cui è sottoposta l’infrastruttura, permettendo di studiarne a fondo il comportamento e di rilevare o addirittura prevedere risposte anomale, campanello di allarme per possibili stati di degrado strutturale.

La differenza dagli altri sistemi di pesatura dinamica

BISONTE è il sistema di pesatura dinamica progettato e realizzato in Italia dalla iWIM di Trento. È composto da due resistenti piastre di acciaio inossidabile AISI 316L sensorizzate con fibra ottica pensate per durare nel tempo. La tecnologia in fibra ottica è altresì indicata come preferibile dalle linee guida ministeriali proprio in virtù delle sue doti di durabilità.

L’omologazione ministeriale per il sistema BISONTE
5. L’omologazione ministeriale emessa dal MISE per il sistema BISONTE tramite apposito Decreto n° 161 del
25 Maggio 2021

Il sistema BISONTE offre:

  • esperienza: ha alle spalle numerose installazioni in diversi contesti, dalle piccole strade di montagna fino alle principali arterie autostradali;
  • sicurezza: non necessita di alcun cavo elettrico al di sotto della sede stradale. Attraverso uno speciale trattamento superficiale, le piastre in acciaio presentano caratteristiche di attrito del tutto analoghe a quelle del conglomerato bituminoso, sia in condizioni di asciutto che di bagnato;
  • semplicità: iWIM ha sviluppato un’interfaccia web semplice e intuitiva, consultabile da qualsiasi dispositivo. L’esportazione dei dati è personalizzata a seconda delle esigenze del Cliente e il sistema è facilmente integrabile con infrastrutture di monitoraggio preesistenti;
  • affidabilità: è fra i pochi sistemi di pesatura dinamica al mondo dotato di certificazione OIML R134 sull’accuratezza della massa dei veicoli rilevati. È inoltre riconosciuto come strumento di misura omologato da parte del Ministero dello Sviluppo Economico con apposito Decreto;
  • versatilità: il sistema è installabile nel giro di poche ore su qualsiasi substrato. Inoltre, permette di essere spostato in nuova sede se necessario, conservando il valore dell’investimento.

Bibliografia

[1]. Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti, Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici – “Linee guida per la classificazione e gestione del rischio, la valutazione della sicurezza e il monitoraggio dei ponti esistenti”, https://www.mit.gov.it/sites/default/files/media/notizia/2020-05/1_Testo_Linee_Guida_ponti.pdf.

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