Tutte le infrastrutture civili possono subire danni durante gli anni a causa di azioni naturali e antropiche, le quali ovviamente non sono da sottovalutare e necessitano pertanto di essere costantemente soggette a un monitoraggio attento per intervenire preventivamente.
Un danno strutturale si manifesta attraverso cambiamenti nelle proprietà fisiche dell’infrastruttura; se non monitorato e riparato tempestivamente, potrebbe non solo compromettere le prestazioni della struttura ma anche comportare un considerevole aumento dei costi di manutenzione.
Alla luce di ciò è fondamentale garantire l’integrità strutturale attraverso il monitoraggio in tempo reale di possibili danni, al fine di garantire un’azione correttiva e tempestiva per ridurre al minimo i tempi di fermo del sistema, i costi operativi e di manutenzione complessivi e, ovviamente, ridurre il rischio di guasti catastrofici.
Per questi motivi, oggigiorno uno degli aspetti di maggiore preoccupazione per i decision maker è proprio la conoscenza dello “stato di salute” dell’opera. Tale necessità ha portato all’attivazione di numerose campagne di monitoraggio delle infrastrutture esistenti e di nuova costruzione da parte degli Enti gestori.
La Società AC2 Srl è stata una dei principali protagonisti di tale attività, occupandosi non solo della progettazione del sistema di sensori, del loro posizionamento, del loro sistema di alimentazione e comunicazione, ma anche fornendo la piattaforma del monitoraggio implementandola con tecnologia evoluta (http://www.actwo.net/index.php/it/servizi-it/area-informatica-it).
In pratica, coniugando le competenze ingegneristiche (civili, infrastrutturali, e di telecomunicazioni) con le competenze informatiche interne, è stata capace di creare un servizio “chiavi in mano” molto apprezzato dagli Enti gestori.
Forte dell’esperienza e delle importanti referenze accumulate negli anni nel monitoraggio di infrastrutture stradali e ferroviarie su tutto il territorio nazionale, la Società AC2 Srl, nel 2021 è stata incaricata di redigere il progetto costruttivo, di installare e di manutenere il sistema di monitoraggio, tutt’oggi in funzione del viadotto che di seguito verrà analizzato.
L’identificazione dell’opera d’arte
Il viadotto oggetto di studio è stato costruito col sistema a conci coniugati in c.a.p. post-teso. Esso è composto da due carreggiate separate a travata continua aventi sezione trasversale a cassone monocellulare ad altezza variabile di lunghezza totale media di 850 m, costituite da nove campate di luce variabile compresa tra i 60 m e i 110 m.
Le pile, che raggiungono un’altezza massima di oltre 70 m, sono realizzate con una sezione a cassone monocellulare decrescente con l’altezza, a partire dallo spiccato delle fondazioni. I dispositivi di appoggio sono ancorati su appositi baggioli in c.a. posti ad un interasse di 4,00 m circa e consentono un’escursione longitudinale di oltre 500 mm.
Le criticità riscontrate e gli obiettivi del monitoraggio
È noto come gli appoggi mobili di un impalcato da ponte assolvano al compito di permettere le contrazioni/allungamenti dovute al ritiro, alla viscosità, alle variazioni termiche, ai carichi mobili e/o al sisma.
L’entità di tali scorrimenti deve essere prevista in fase di progettazione per dimensionare e scegliere il tipo di dispositivo di appoggio e per rispettare i limiti imposti dalla Normativa.
Nella fattispecie del viadotto analizzato in sede di progetto, sono state individuate correttamente come dispositivi d’appoggio delle slitte monoassiali, ma alcune contingenze in fase costruttiva hanno portato a un loro non corretto posizionamento lungo una delle due carreggiate.
Tale errore, dedotto a seguito dell’osservazione di una rottura anomala del giunto di espansione sull’impalcato, ha generato una condizione critica di fine corsa dei dispositivi di appoggio, portando ad attivare l’attività di monitoraggio strutturale della carreggiata.
La scelta della tecnologia del sistema di monitoraggio, il dimensionamento dello stesso e la definizione del grado di sofisticazione è il risultato di un’analisi “personalizzata”, fatta caso per caso, e mirata a ottenere il miglior impiego delle risorse economiche a disposizione e delle professionalità coinvolte.
Nello specifico, per far fronte alle criticità riscontrate si è provveduto a installare un sistema di monitoraggio strutturale statico atto a raggiungere i seguenti obiettivi:
- quantificare l’escursione longitudinale che subisce il viadotto in un certo intervallo di tempo;
- verificare l’entità dell’escursione longitudinale affiche sia compatibile con gli spostamenti ammessi dagli apparecchi di appoggio esistenti;
- individuare i fenomeni fisici che influenzano l’escursione longitudinale e in che proporzione ognuno di essi contribuisca allo spostamento;
- quantificare il range di spostamento oltre il quale non viene garantita la condizione di stabilità, e quindi di sicurezza, del viadotto.
Progettazione, installazione e collaudo del sistema di monitoraggio strutturale
Una volta definiti gli obiettivi del monitoraggio, si è passati alla fase di progettazione del sistema SHM (Structural Health Monitoring). Considerando che le deformazioni sono dovute essenzialmente agli allungamenti e agli accorciamenti dei singoli conci e che non vengono considerati sia gli effetti iperstatici che gli effetti reologici (ritiro e viscosità) – in quanto trascurabili ed esauriti -, possiamo asserire che il principale fenomeno che innesca la quota parte maggiore di scorrimento dell’impalcato lungo le slitte è l’escursione termica.
Pertanto, al fine di ottenere una legge causa-effetto tra gli spostamenti relativi tra la spalla mobile e la porzione terminale dell’impalcato e la temperatura, sono stati disposti due fessurimetri elettrici a corda vibrante (precisione di misurazione dello spostamento di 0,1 mm) lungo i lati del cassone in direzione parallela all’asse longitudinale del viadotto e un termometro (con precisione di 0,1 °C) per acquisire la temperatura ambientale. Le due informazioni, spostamenti e temperatura, vengono rilevati in maniera sincrona.
Per escludere che un eventuale fenomeno di cedimento in atto della spalla mobile possa contribuire all’entità dello scorrimento dell’impalcato, sono stati disposti due inclinometri biassiali (con precisione di 0,1°), uno nella spalla e l’altro nella faccia terminale dell’impalcato.
I sensori di campo vengono collegati via cavo ad un datalogger multicanale alimentato da un pannello solare, il quale raccoglie e trasmette i dati autonomamente al server di AC2 Srl. Per garantire l’autonomia energetica del sistema anche in condizioni meteo non favorevoli è stata collegata una batteria di accumulo.
I sistemi di acquisizione e l’alimentazione del sistema sono posti all’interno di un armadio stradale con grado di protezione IP67. Tutta la strumentazione è stata posizionata al di sotto dell’impalcato, in prossimità della spalla mobile. Nelle Figure 1A e 1B sopra vengono mostrati gli stralci del progetto esecutivo del sistema di monitoraggio.
Poiché lo scorrimento dell’impalcato lungo le slitte è generato da fenomeni lenti, con effetti apprezzabili nel lungo periodo, il monitoraggio avviene con misure periodiche distanti tra loro, in grado però di apprezzare gli effetti della variabilità dei parametri ambientali in modo da depurarli dal dato strutturale. A tal proposito, è stata settata una misura ogni 10 minuti sincrona per ogni canale, estese in una finestra temporale di 24 mesi.
Completato il progetto esecutivo del sistema SHM si è passati all’installazione e collaudo dello stesso. Le operazioni sono state svolte da un team di lavoro multidisciplinare composto da due Tecnici specializzati, due Ingegneri Informatici e un Ingegnere Strutturista. A seguire vengono mostrate alcune immagini rappresentative dei dispositivi installati presso l’opera d’arte.
Digital Twin e dashboard di controllo
La gestione della sicurezza dell’infrastruttura monitorata è stata resa semplice mediante la piattaforma software disegnata e sviluppata da AC2, denominata Smart DAM (Digital Asset Management), nella quale convergono i dati raccolti dal sistema SHM.
A differenza degli altri servizi software presenti sul mercato, in Smart DAM è possibile rendere concreto il concetto di Digital Twin attraverso l’uso di moduli di analisi dati, collegamenti diretti ai database delle misure in real-time, al fascicolo dell’opera e alla correlazione biunivoca al modello BIM dell’infrastruttura in formato interoperabile IFC.
Pertanto, il modello BIM dell’asset diventa l’elemento centrale per navigare l’opera, individuare i sensori e altri componenti fondamentali per la caratterizzazione del sistema di monitoraggio, rendendo l’interrogazione e l’analisi delle informazioni immediate e semplici da individuare. Ad ogni sensore è associato uno o più grafici personalizzabili per l’analisi dei dati misurati (storici ed in tempo reale).
Inoltre, la piattaforma fornisce un potente sistema di gestione documentale e un flessibile motore workflow per ottimizzare tutti i flussi di lavorazione associati all’opera ed ai suoi componenti (come flussi di manutenzione). È possibile archiviare documenti tecnici e amministrativi di ogni opera e ogni elemento, come ad esempio il fascicolo dell’opera, fondamentale per la manutenzione ordinaria e straordinaria.
La dashboard di controllo è molto semplice e intuitiva; infatti, attraverso un’unica interfaccia e un unico login, è possibile gestire più siti e più moduli e funzionalità. L’accessibilità dei singoli siti o asset è possibile anche attraverso mappe digitali interattive che permettono la gestione di informazioni digitali associate al singolo punto o marker.
A.I. a supporto dell’early warning
Grazie al sofisticato algoritmo di Intelligenza Artificiale (A.I.) basato su reti neurali associato al Digital Twin, è stato possibile creare dei modelli previsionali per la stima di comportamenti a medio e lungo termine dell’infrastruttura.
La rete neurale (RRN) è stata creata su modelli custom di LSTM (Long Short Term Memory). Dopo opportune analisi di correlazioni dati, sono stati individuati i data set relativi (storici e previsionali) e successivamente la rete neurale è stata allenata per predire serie temporali a 24 ore e oltre.
L’implementazione di tali modelli ha reso più performante il sistema di allarmistica rendendo di fatto concreto il concetto di Early Warning, con allarmi notificabili su più canali di comunicazioni (SMS, Push, Mail, PEC, ecc.) e indirizzati a diversi soggetti.
Nello specifico, al fine di avviare le procedure di gestione dell’emergenza è stato stabilito un criterio per l’attivazione/disattivazione di un alert basato sui dati rilevati e previsti dalla strumentazione installata sull’opera. In particolare, prendendo come parametro di controllo lo spostamento relativo tra spalla e impalcato misurato nell’apparecchio di appoggio, è stato stabilito che l’attivazione dell’alert avvenisse al verificarsi di una delle seguenti condizioni:
- margine residuo di spostamento inferiore alla soglia di 15 mm (a prescindere dalle temperature misurate e previste);
- margine residuo di spostamento inferiore alla soglia di 20 mm per un lasso di tempo non inferiore a 12 ore e andamento della temperatura misurata costante o in diminuzione.
Al fine di evitare alert continui per il superamento della soglia per un lasso di tempo relativamente piccolo, è stato progettato, testato e implementato un potente algoritmo di Intelligenza Artificiale.
La rete neurale progettata riesce a prevedere, mettendo in correlazione i dati storici, i dati ambientali attuali e previsionali e i dati previsionali provenienti da diversi data-base open, se il superamento della soglia dello spostamento relativo tra spalla e impalcato rientrerà nelle successive 24 ore, evitando così una chiusura momentanea e a intermittenza del ponte.
La disattivazione dell’alert, infatti, avviene al verificarsi delle seguenti condizioni:
- margine residuo di spostamento superiore alla soglia di 20 mm per un lasso di tempo superiore a 24 ore, registrato dal sensore;
- stabilità del quadro ambientale, tra cui la temperatura minima, nei successivi quattro giorni, analizzata dalla rete neurale.
I risultati ottenuti
Il monitoraggio statico ancora in atto sul viadotto, in prossimità della spalla mobile di una carreggiata, ha permesso di raggiungere gli obiettivi preposti.
Infatti, grazie al monitoraggio in continuo dall’Ottobre 2021 ad oggi è stato osservato quanto segue:
- l’escursione termica rilevata in sito è strettamente correlata al fenomeno contrazione/allungamento dell’impalcato. Prendendo come riferimento l’intervallo temporale tra il 1° Gennaio 2022 e il 31 Dicembre 2022, a fronte di variazioni di temperatura di 34,4 °C è stata registrata una variazione di spostamento relativo di 177 mm;
- il range temporale entro cui lo spostamento relativo non supera la soglia di alert va orientativamente tra Aprile 2022 a Novembre 2022, ovverosia nei mesi in cui le temperature sono mediamente più elevate. Nel restante periodo è stato interdetto il transito dei veicoli;
- la rete neurale dell’A.I. allenata sulla base dei dati rilevati in sito coglie in maniera accurata l’andamento degli spostamenti a meno di un fattore di scala trascurabile per il contesto, risultando quindi funzionale e attendibile rispetto alle previsioni dei parametri di controllo (in Figura 14 si notano i risultati del training e della previsione).
Conclusioni
Quanto illustrato nel presente articolo rappresenta un esempio di come l’integrazione tra competenze specialistiche multidisciplinari sia l’unica strada da intraprendere, oggi e nel futuro, rispetto al tema del monitoraggio delle opere civili e dei loro dissesti.
Grazie all’esperienza maturata da AC2 Srl nel monitoraggio infrastrutturale, la Società è stata capace di creare valore dalle proprie competenze in ambito ingegneristico civile, strutturale, e di telecomunicazione e in ambito informatico, creando una piattaforma, smart DAM, che utilizza le tecnologie IOT, BIM, Big data, IA, FEM, Digital Twin e le pone a servizio del monitoraggio e quindi della sicurezza collettiva.
AC2 Srl è il partner ideale per gli operatori economici, pubblici o privati, che hanno la necessità di effettuare il monitoraggio infrastrutturale, in quanto riesce a coprire internamente l’intero processo, dalla scelta dei sensori, alla loro collocazione, alla loro alimentazione e trasmissione dati, sino all’implementazione di sofisticati algoritmi di Intelligenza Artificiale per migliorare l’analisi dei dati e compiere scelte più consapevoli.
AC2
La Società AC2 Srl, con sede operativa a Zafferana Etnea (CT), è una Società che eroga servizi ad alto valore aggiunto di ingegneria, di Project Management e di ICT ed opera in diversi contesti, tra cui le infrastrutture. Vanta una grande esperienza nell’ingegneria infrastrutturale di strade e ferrovie, nel quale ambito ha sviluppato un sistema di Intelligenza Artificiale per l’uso pervasivo nel campo del monitoraggio infrastrutturale in affiancamento ai già consolidati modelli FEM (Finite Element Method).
Gli algoritmi di Intelligenza Artificiale sono alimentati dai dati di monitoraggio provenienti dai sensori collocati nella struttura, e grazie all’IOT (Internet Of Things) permettono in totale autonomia di identificare comportamenti anomali, individuare danni o condizioni di attenzione nel sistema di monitoraggio strutturale dei ponti e viadotti stradali e ferroviari.
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