Monitoraggio dinamico strutturale predittivo e Cloud Computing nelle infrastrutture stradali 
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Il Consiglio Nazionale delle Ricerche evidenzia che in Italia dai 10.000 ai 12.000 ponti andrebbero controllati e revisionati. Avviare l’esecuzione di controlli sistematici sui ponti significa evitare situazioni di allarme, dissesti e crolli e anche gravi diseconomie.
Inutile dire che gli eventi dimostrano che anche le strutture necessitano di check-up programmati. Gli attuali sistemi di monitoraggio avanzati consentono di individuare criticità e danneggiamenti sin dalla loro fase iniziale.
Le tecnologie di ultima generazione consentono di rimediare in tempo, prima che il degrado si aggravi e richieda interventi più pesanti e costosi. Nelle tecnologie più recenti i costi di misurazione sono notevolmente ridotti così come la facilità di accesso ai dati senza dover essere necessariamente presenti in sito.
I controlli più utilizzati, ad oggi, sono le ispezioni visive ed è chiaro che, affinché queste siano efficaci, vanno effettuate in modo rigoroso ed a intervalli regolari su tutti gli elementi di ogni opera d’arte infrastrutturale.
C’è da porsi però una domanda: con le ispezioni siamo sicuri di riuscire effettivamente a tenere sotto controllo tutta la struttura? Una delle soluzioni in grado di risolvere i limiti delle ispezioni visive e quindi di migliorare la sicurezza delle costruzioni esistenti è sicuramente il monitoraggio dinamico strutturale.
Purtroppo, nelle NTC 2018 i monitoraggi non vengono indicati come strumento di verifica costante delle condizioni di stabilità delle strutture esistenti.
Dei monitoraggi oggi in uso, il più appropriato al controllo dei ponti è sicuramente il monitoraggio in continuo, ad acquisizione automatica e con gestione da remoto. Esso è grado di monitorare grandezze fisiche, 24 ore su 24; in particolare, tra le grandezze monitorabili si hanno grandezze strutturali e non strutturali.
Quelle strutturali sono gli spostamenti, le inclinazioni, le tensioni e le accelerazioni. Quelle non strutturali sono invece: vibrazioni da traffico veicolare, vento, temperatura e umidità.
Nel dettaglio, spostamento e inclinazione vengono monitorate da una strumentazione la quale possiede una sensibilità nell’ordine del centesimo di millimetro e di grado; è poi altrettanto interessante il monitoraggio delle accelerazioni il quale permette, a seguito di un’elaborazione dei dati, di caratterizzare dinamicamente la struttura.
Si consideri che un cambiamento dei parametri dinamici fondamentali è sintomo di un cambiamento di comportamento e quindi di movimenti della struttura.
Tra le grandezze non strutturali, per i ponti hanno un ruolo principe sia il vento che le vibrazioni da traffico veicolare. Queste generano forze che potrebbero in alcuni casi non essere più compatibili con la struttura e generare addirittura fenomeni di risonanza.
Il monitoraggio delle vibrazioni da traffico veicolare, inoltre, non solo tiene conto delle forze che esso genera ma permette anche l’identificazione dinamica del ponte in esame.
Al fine di valutare le grandezze appena viste, si può utilizzare una vasta gamma di sensori tra cui quelli di spostamento e quelli inclinometrici, interferometri, sensori di temperatura e umidità, trasduttori di pressione, accelerometri piezoelettrici, geofoni, estensimetri (Strain Gauges), anemometri a ultrasuoni, distanziometri.
L’architettura del sistema di monitoraggio
L’architettura del sistema di monitoraggio è generalmente suddivisa in tre macro-aree: la rete di sensori, il sistema di trasmissione e il sistema di raccolta dati. Ogni sensore installato viene collegato ad un canale di un’unità che acquisisce e memorizza i dati ad intervalli di tempo.
L’unità centrale trasferisce in continuo i dati dall’infrastruttura al server, consentendo di controllarli in tempo reale e da postazione remota. Il software di monitoraggio svolge anche, in maniera completamente automatica e continua, il controllo del superamento di eventuali valori di soglia pre-impostati per ogni sensore collegato.
Al superamento di tali soglie possono essere inviati messaggi di posta elettronica e/o SMS di allarme ad uno o più destinatari. I dati acquisiti in forma tabellare vengono elaborati e interpretati su grafici che riportano per ogni sensore la variazione della grandezza d’interesse nel tempo, dando così la possibilità di valutare eventuali anomalie.
L’importanza di questo tipo di monitoraggio è legata al fatto che attraverso l’elaborazione di variazioni di dati di piccola entità è possibile diagnosticare problemi di grossa entità. Il monitoraggio è applicabile su tutte le tipologie di ponti in muratura, in cemento armato, in acciaio, in cemento armato precompresso, misti.
In conclusione, è importante soffermarsi sull’importanza dell’applicazione dei monitoraggi sulle infrastrutture in quanto poter monitorare significa poter conoscere le cause di dissesti e soprattutto prevenire disastri.
L’osservazione del comportamento delle strutture nel tempo e la valutazione delle condizioni di materiali e sistemi nelle infrastrutture hanno un ruolo essenziale per poter garantire livelli di servizio compatibili con gli standard di sicurezza indicati dalle Norme tecniche.
Spesso tali attività sono ricomprese nella generale e talvolta generica categoria del monitoraggio, nell’ambito della quale i recenti avanzamenti della tecnologia offrono soluzioni capaci di mettere a disposizione di Gestori e Responsabili della manutenzione grandi quantità di misure di parametri fisici e meccanici in tempo sostanzialmente reale: ad esempio, il monitoraggio strutturale – basato sulle vibrazioni – si sta diffondendo a livello internazionale anche grazie agli sviluppi delle tecnologie in ambito sensoristico e ICT.
Questo tipo di monitoraggio consiste nella registrazione protratta nel tempo della risposta strutturale in termini di accelerazioni e dei parametri fisici che possono influenzarla per poi essere elaborati per fornire uno stato di funzionamento della struttura.
Si tratta di realizzare un’osservazione sperimentale in continuo delle grandezze di interesse integrandole a procedure di elaborazione automatica dei dati misurati per poter estrarre indicatori dello stato di salute della struttura capaci di segnalare in maniera immediata e in remoto l’insorgenza di fenomeni di danno e/o degrado. La struttura monitorata diventa così “intelligente”, ossia in grado di fornire un’autodiagnosi del proprio stato di salute.
Le procedure avanzate di monitoraggio strutturale per l’identificazione del danno offrono numerosi vantaggi nell’ambito della gestione e della manutenzione del patrimonio infrastrutturale; gli aspetti principali sono:
- supporto al processo di manutenzione strutturale secondole prescrizioni delle NTC 2018 (Norme Tecniche delle Costruzioni): l’osservazione in tempo reale della risposta strutturale e dell’evoluzione dei fenomeni di degrado/danno è funzionale alla scelta di interventi tempestivi e mirati; affiancato alle tradizionali ispezioni, il monitoraggio rappresenta lo strumento tecnologico e operativo per il passaggio dalla manutenzione programmata (effettuata con cadenza regolare, indipendentemente dall’effettivo stato di salute della struttura) a quella proattiva, basata sulle effettive condizioni della struttura; il monitoraggio strutturale consente, dunque, di ridurre i costi di ispezione e ottimizzare le strategie di gestione finalizzate a garantire la durabilità dell’opera;
- valutazione della risposta strutturale ai carichi dinamici e ciclici a cui l’opera è assoggettata e l’approfondimento delle conoscenze sul comportamento dinamico della costruzione stessa, finalizzato a identificare le cause di problematiche operative (ad esempio, eccessive vibrazioni) o a valutare l’efficacia di interventi strutturali;
- protezione sismica: potendo valutare in remoto lo stato post-evento della struttura e supportare, sulla base delle informazioni raccolte, la gestione dell’emergenza: questo aspetto è di particolare rilevanza nel caso di strutture strategiche.
I tipi di sensori
Diversi sono i tipi di sensori che possono fornire informazioni sull’integrità strutturale di natura differente e fra loro complementari.
Misuratori di forza nella connessione tra i giunti, sensori in fibra ottica in grado di rilevare anche le deformazioni nelle strutture, accelerometri che misurano le vibrazioni, ecc..
I risultati dell’analisi modale e l’elaborazione dei dati raccolti sono i dati di ingresso di un modello matematico di riferimento in grado di rilevare con largo anticipo, anche in tempo reale, se nel ponte intervengono cambiamenti che potrebbero essere indicativi di danni potenziali.
Il modello cyberfisico consiste nel simulare in un ambiente digitale parallelo l’evoluzione temporale della struttura sulla base dei dati raccolti e di eseguire le predizioni del suo comportamento in differenti istanti futuri, sotto diverse evoluzioni del carico e delle condizioni ambientali (ad esempio incidenti, scosse telluriche, ecc.) con diverso livello di probabilità anche simulando le prestazioni della struttura in relazione ai differenti interventi di manutenzione eseguibili.
È come dire che si costruisce un albero delle possibilità future, assegnando ad ogni ramo dell’evoluzione un certo grado di probabilità che rappresenta un formidabile aiuto al processo decisionale per una gestione tempestiva e intelligente della manutenzione.
Una rete di sensori e microprocessori viene inserita nella struttura per monitorarne la salute strutturale. La rete analizza costantemente fattori quali le vibrazioni, il vento e l’umidità, e segnala tempestivamente le anomalie a un computer.
Ma, pur con qualche limitazione, queste tecnologie si possono adattare anche a ponti e viadotti esistenti, specialmente se si fa un ampio uso delle tecnologie wireless che non richiedono interventi invasivi sulle strutture.
Infatti, le reti intelligenti di sensori wireless sono molto più facili da implementare delle strutture cablate, che sono anche più costose e richiedono particolare cura a causa della necessità di posare cavi e praticare fori.
Fra le principali limitazioni, si deve tenere conto che l’installazione dei sensori potrebbe essere complicata se l’interno del ponte non è accessibile o lo è difficilmente.
Inoltre, nei ponti esistenti non sono noti i dati storici dei processi di traffico, carico e deterioramento, il che rende più complicata la valutazione, quanto meno fintanto che tali dati storici non saranno accumulati.
Non vi è dubbio che oggi lo sviluppo della sensoristica associata agli ICT costituisca un elemento essenziale. A fronte dei potenziali vantaggi della tecnologia, occorre tuttavia definire correttamente opportunità, limiti e ambiti di applicazione della stessa anche al fine di contenere false aspettative che possono scoraggiarne l’applicazione ritenendola (apparentemente) inefficace.
Con queste premesse il presente contributo, in base alle esperienze di settore sinora maturate, tenta di evidenziare alcuni aspetti fondamentali utili per una corretta valutazione su come impostare una adeguata implementazione di soluzioni di monitoraggio strutturale con finalità di identificazione remota del danno.
Numero e tipologia di sensori
Un primo aspetto riguarda quanti e quali sensori servono per valutare lo stato di salute di una struttura. Numero e tipologia di sensori variano in funzione degli obiettivi del monitoraggio e degli scenari di danno attesi.
La scelta della soluzione tecnologica più adatta è la naturale conseguenza di una corretta definizione dei vincoli di progetto e delle esigenze gestionali collegate alle prestazioni di componenti e sistemi strutturali e non strutturali.
Se da un lato frequentemente si nota che il mercato tenda a convincere che si può partire da una singola soluzione tecnologica per poter rispondere a qualunque quesito tecnico, in effetti la logica va ribaltata: è necessario partire dalla problematica tecnica e solo successivamente identificare le soluzioni tecnologiche più idonee al conseguimento degli obiettivi.
L’intervento dell’ingegnere civile svolge un ruolo fondamentale nella individuazione della problematica tecnica alla quale è necessario dare una risposta.
C’è chi promuove l’accelerometro per poter individuare il danno prodotto da un sisma. Di fatto i sensori misurano una risposta meccanica o un parametro fisico, non un danno. Il concetto di danno, del resto, va visto in un’ottica più ampia di valutazione delle prestazioni strutturali.
Ad esempio, una fessura in un edificio in elemento in cemento armato potrebbe essere associata sia a condizioni di funzionamento ordinario, sia al verificarsi di un danno.
Per tale motivo, il monitoraggio statico dei quadri fessurativi, rispetto al monitoraggio dinamico, ha il duplice limite di misurare un fenomeno allorché questo si è già verificato (l’apertura di una fessura) e di cercare di risalirne le cause sulla base dell’aspetto dei quadri fessurativi rilevati.
Il monitoraggio dinamico, invece, in quanto basato su indici di danno che fanno riferimento alla risposta globale della struttura, è in grado di evidenziare, attraverso un’opportuna elaborazione dei dati, l’insorgenza di anomalie nella risposta che non erano presenti al momento dell’installazione ed, entro certi limiti, l’identificazione del danno può avvenire indipendentemente dalla posizione relativa dei sensori rispetto al danno stesso.
In questo senso, l’impiego di accelerometri per misurare la risposta in vibrazioni di una struttura può essere utile a identificare il danno conseguente a un terremoto, ma i sensori da soli non bastano: occorrono anche procedure automatiche di elaborazione dei dati acquisiti.
In cosa consistono tali procedure e la Cloud Computing?
Le procedure di elaborazione dati mirano ad estrarre dai dati misurati degli indici sensibili al danno, in modo da identificare l’insorgenza di anomalie dall’analisi delle variazioni nel tempo di detti indici.
Ad esempio, come indici di danno si usano spesso i parametri modali identificati sperimentalmente. Peraltro, nell’ambito di un monitoraggio strutturale in continuo non è pensabile che la stima dei parametri modali sia effettuata manualmente.
Occorrono, pertanto, innanzitutto delle procedure automatiche efficaci ed affidabili di analisi modale output-only, di compensazione degli effetti di variabili (ambientali e/o operative) diverse dal danno, e di identificazione delle varie anomalie.
In parole semplici, la cloud computing è la distribuzione di servizi di calcolo, come server, risorse di archiviazione, database, rete, software, analisi e intelligence, tramite Internet (“il cloud”), per offrire innovazione rapida, risorse flessibili ed economie di scala.
I costi sono relativi solo ai servizi cloud che si usano, quindi è possibile risparmiare sui costi operativi, eseguendo il sistema in modo più efficiente e ridimensionando le risorse in base all’evoluzione delle esigenze di ogni singolo intervento.
Dotarsi di un sistema di sensori e procedure automatiche di elaborazione dati in alcuni casi non è sufficiente. Se abbiamo un ponte o un edificio colpito da un terremoto, possiamo installare tale sistema su quella struttura per valutare il danno conseguente all’input sismico? Purtroppo no!
L’identificazione del danno discende sempre dal confronto con uno stato di riferimento della struttura assunta priva di danno. In altri termini, un sistema di monitoraggio permanente è in grado di identificare solo fenomeni di danno o degrado che si innescano dopo la sua installazione.
Installare un sistema di monitoraggio permanente in una struttura la trasforma in struttura intelligente; inoltre, l’installazione del sistema già in fase di costruzione della struttura ne semplifica l’integrazione nel corpo strutturale.
Pur trascurando avveniristici approcci biomimetici, basati sull’integrazione di un gran numero di sensori nel corpo strutturale, l’installazione del sistema di monitoraggio già in fase di realizzazione dell’opera ha numerosi vantaggi sia di carattere pratico (minore invasività dell’installazione) sia di carattere operativo (disponibilità di dati relativi a una struttura certamente in salute)”.
Il costo
Un altro elemento di confronto e di valutazione è il costo. Il tutto va visto in una logica di rapporto costi/benefici e di incidenza del costo del sistema sul costo dell’opera o, comunque, di interventi di risanamento/rinforzo eventualmente necessari nel corso della vita dell’opera (vedi analisi effettuate da CNR/IIT). Appare chiaro che la valutazione economica di un sistema va operata anche alla luce dei benefici che esso permette di conseguire.
Se un sistema di monitoraggio è in grado di fornire un’allerta preventiva tale da scongiurare la compromissione della pubblica e privata incolumità, il suo costo è di certo ampiamente ripagato non solo dalla mitigazione dei costi di manutenzione e ripristino, ma anche dalla limitazione dei danni diretti e indiretti collegati a collassi parziali o totali dei manufatti.
Per ridurre i costi del monitoraggio strutturale, in alcuni casi, la tendenza è di impiegare sensori a basso costo; sino a voler utilizzare l’accelerometro contenuto negli smartphone.
Allo stato delle conoscenze, tuttavia, è probabilmente da preferire l’adozione di soluzioni di comprovata robustezza e affidabilità per garantire l’efficacia della tecnologia ed evitare che se ne scoraggi la più ampia applicazione per la delusione di false aspettative.
Del resto, il costo della soluzione tecnologica è comunque rapportato alle prestazioni della stessa e ai benefici diretti e indiretti collegati alla sua implementazione. Le soluzioni a basso costo risentono spesso di gravi limiti nella capacità di misurare appropriatamente la risposta strutturale e, conseguentemente, di alimentare efficacemente procedure, anche avanzate, di identificazione del danno.
L’esperienza sino ad oggi maturata dalla ricerca induce a raccomandare sempre l’adozione di soluzioni tecnologiche appropriate agli obiettivi del monitoraggio per evitare di incorrere in grosse delusioni e spese inutili.
Ovviamente, l’impiego di sensori più economici non è sempre da escludere, ma va valutato caso per caso in relazione alle caratteristiche della struttura e agli obiettivi del monitoraggio.
La complessità della tematica evidenzia certamente l’importanza di rivolgersi solo a specialisti in grado di individuare efficaci soluzioni di monitoraggio strutturale, verificando che le soluzioni proposte siano complete e affidabili dal punto di vista hardware e software. La sicurezza strutturale non ammette improvvisazioni.
Monitoraggio dinamico strutturale predittivo e Cloud Computing nelle infrastrutture stradali For English version: https://www.stradeeautostrade.it/en/smart-road-digital-transformation/predictive-structural-dynamic-monitoring-and-cloud-computing-in-road-infrastructures/
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