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Sistemi innovativi per il monitoraggio delle infrastrutture

Le ultime tecnologie validate dalla ricerca scientifica a costi contenuti

Sistemi per monitoraggio infrastrutture

Il monitoraggio di strutture e infrastrutture nel contesto italiano è un tema sempre vivo. Da un lato, il Paese è infatti fortemente infrastrutturato; dall’altro, gli investimenti dedicati a monitoraggio preventivo e manutenzione sono particolarmente contenuti. La situazione si palesa in alto rischio per le strutture e le infrastrutture.

Dal punto di vista prettamente strutturale, durante il loro periodo di esercizio, le opere di ingegneria civile sono soggette ad azioni dinamiche la cui entità viene stimata – in fase di progetto – sulla base di valutazioni probabilistiche.

Solo per opere di una certa rilevanza è previsto un collaudo atto a valutarne con accuratezza il comportamento strutturale e solo un numero limitato di queste potrà disporre di un sistema di monitoraggio continuo.

Le informazioni raccolte da sistemi di monitoraggio strutturale (ove disponibili) hanno in tal senso fondamentale importanza per l’intervento tempestivo atto a salvaguardare le vite umane.

Inoltre, le stesse misure sono di notevole supporto nei processi decisionali legati alla pianificazione degli interventi di restauro o ripristino, i quali necessitano di precise valutazioni dello stato di danno.

Il monitoraggio di ponti
1. Il monitoraggio di strutture e infrastrutture nel contesto italiano è un tema sempre vivo

Il monitoraggio preventivo delle strutture: le realtà che si occupano di trovare nuove soluzioni

È proprio in tale scenario che emergono nel contesto italiano sempre più realtà volte a promuovere e ad incentivare lo sviluppo di tecniche innovative a supporto di un efficacie monitoraggio preventivo delle strutture.

Obiettivo su cui focalizzare l’attenzione può essere, di caso in caso, rivolto alla valutazione di rischi di tipo statico, fondazionale, sismico o idrogeologico, piuttosto che alla verifica, al controllo, al monitoraggio, nonché allo sviluppo di tecniche innovative per il ripristino, il miglioramento e l’adeguamento di ponti, viadotti e strutture esistenti.

Tra le altre, vi è il Consorzio FABRE – Consorzio di ricerca per la valutazione e il monitoraggio di ponti, viadotti e altre strutture, di recente costituzione. FABRE promuove e coordina la partecipazione delle Università e degli Enti di Ricerca Consorziati alle attività scientifiche nei settori dell’Ingegneria Civile e dell’Architettura, con particolare riferimento alla valutazione di ponti, viadotti e altre tipologie di strutture.

Vi sono diversi spunti ed esempi in cui la tecnologia può agevolare in modo significativo il compito di un tecnico chiamato ad esprimersi sulle caratteristiche e prestazioni di un’infrastruttura esistente.

Tra le alternative, il Dipartimento di Ingegneria e Architettura (DIA) dell’Università di Trieste si occupa dello sviluppo di sensori a ridotto impatto economico ma dalle caratteristiche prestazionali elevate. 

La tecnologia MEMS

Tale attività segue la sempre più marcata tendenza della ricerca applicata verso la concezione di sistemi di monitoraggio affidabili ma economici e versatili, tra i quali i sistemi dotati di sensori basati su tecnologia MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) che prendono forma di accelerometri triassiali accurati ma dal costo contenuto.

Tali sistemi possono assolvere sia le funzioni di acquisitori per eventi di tipo “strong motion” (anche in strutture molto rigide), che quelle di sensori di monitoraggio continuo per strutture flessibili (ponti,  passerelle pedonali, ecc.).

Il monitoraggio di infrastrutture
2. Dal punto di vista prettamente strutturale, durante il loro periodo di esercizio, le opere di ingegneria civile sono soggette ad azioni dinamiche la cui entità viene stimata – in fase di progetto – sulla base di valutazioni probabilistiche

Il continuo miglioramento dei processi produttivi di tale tipologia di sensori sta inoltre rendendo disponibili – a costi sempre più contenuti – elementi sensore sempre più performanti, rendendo il monitoraggio strutturale una possibilità più accessibile di quanto non fosse in passato.

In tale contesto, l’attività di ricerca svolta presso il DIA ha come obiettivo la valutazione sperimentale della performance e dell’affidabilità di sistemi MEMS, diversamente elaborati, per il monitoraggio strutturale avanzato.

L’attività prevede, in generale, una fase di prototipazione hardware di schede elettroniche, nonché una successiva serie di validazioni sperimentali (sia in laboratorio che in situ, su infrastrutture di vario tipo), al fine di testare l’accuratezza dei sensori accelerometrici prototipati.

Alcune versioni preliminari di prototipi hanno già dimostrato la potenzialità della soluzione, a confronto con altre strumentazioni di maggiore impegno economico. Sono tuttavia in fase di sviluppo nuove versioni più complete e performanti.

Mediante i primi sensori prototipati nelle Figure 3 e 4 sotto, per esempio, negli anni recenti è stato possibile eseguire alcune indagini sperimentali sul ponte strallato di Pietratagliata (UD), al fine di valutarne la risposta dinamica sotto traffico ordinario.

Il ponte oggetto di studio, caratterizzato da un impalcato misto acciaio-calcestruzzo sostenuto da un’antenna in acciaio e da un sistema di stralli, era stato già contraddistinto (nonostante la breve vita nominale) dal distacco di uno degli stralli.

Tale episodio ha suggerito lo svolgimento di indagini sperimentali e ricerche che consentissero la taratura e validazione di accelerometri MEMS, ma al tempo stesso un’indagine più approfondita di aspetti/fenomeni locali e il loro effetto sul comportamento strutturale di insieme.

Un prototipo di accelerometro
3. Un prototipo di accelerometro MEMS sviluppato presso il DIA-UniTS

Le misure sperimentali di accelerazione sono state acquisite su un totale di otto punti di controllo opportunamente individuati sull’impalcato. Da tali misure puntuali, mediante tecniche avanzate di identificazione dinamica e modellazione numerica ad Elementi Finiti, è stata quindi analizzata in dettaglio la risposta strutturale del ponte sotto carichi di tipo veicolare ordinario o anche sismico, essendo la zona di Pietratagliata ad alta sismicità.

Lo studio ha dimostrato l’accuratezza di sensori simili per monitoraggio strutturale. Al tempo stesso, è emerso come il monitoraggio di singole componenti opportunamente individuate (ad esempio, gli stralli, nel caso del ponte di Pietratagliata) possano consentire un’attenta analisi predittiva e preventiva di danno strutturale, indirizzando le Autorità competenti verso i più idonei e tempestivi interventi.

L’interferometria radar

Alcune realtà (come per esempio ENEA) propongono il sistema dell’interferometria radar. La tecnica trae vantaggio da uno strumento relativamente semplice (simile a una macchina fotografica) che è in grado di misurare le vibrazioni di una campata, di una pila di un viadotto o di un ponte, anche con tecnologia remota. Il vantaggio dell’interferometria radar è rappresentato dalla possibilità di effettuare misurazioni dinamiche su una generica infrastruttura.

I rilievi ottenuti consentono quindi di definire una scala di priorità per quelli che potranno essere gli approfondimenti sperimentali ulteriori o i primi interventi da dettagliare. Dal punto di vista economico, la tecnica dell’interferometria radar è caratterizzata da costi di misurazione notevolmente ridotti rispetto ad altre tecniche di tipo tradizionale.

Non da ultimo, i Tecnici specialisti hanno la possibilità di accedere in remoto a dati da elaborazione e interpretare senza dover accedere fisicamente alla struttura oggetto di indagine.

Un MEMS sviluppato dal DIA-UniTS
4. Un altro prototipo di accelerometro MEMS sviluppato presso il DIA-UniTS

Per il rilievo continuo del comportamento dei ponti, possono essere molto efficaci anche sensori a fibra ottica in grado di eseguire (anche qui a costi accessibili) azioni di monitoraggio caratterizzato da elevata precisione e consistente numero di punti di rilevazione.

Il fondamentale ruolo della ricerca e della formazione

Tra le alternative qui esposte, approfondite all’interno del Master “Risk management delle Infrastrutture” organizzato da Cineas lo scorso Settembre, è sicuramente evidente il ruolo della ricerca scientifica nella definizione e validazione di soluzioni tecnologiche a supporto della progettazione, manutenzione preventiva e salvaguardia delle infrastrutture nel contesto Italiano.

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