Un sistema di monitoraggio di un ponte è fatto di sensori che alimentano un flusso di dati e di un livello di analisi che trasforma i dati grezzi provenienti dai sensori in informazioni utili agli ingegneri civili. Questa guida ripercorre i sensori, i metodi, i compromessi di architettura e le spinte normative dietro ai moderni sistemi di monitoraggio dei ponti.

Cos'è davvero un sistema di monitoraggio di un ponte

Un sistema che monitora un ponte è fatto di tre elementi:

• una rete di sensori sulla struttura,
• un flusso di dati che porta le misure fuori dal ponte e nello storage,
• e un livello di analisi che trasforma le serie temporali grezze in un giudizio sullo stato della struttura.

Un sistema così completa le ispezioni periodiche fornendo dati che un'ispezione non può dare, come la lenta deriva modale nell'arco dei mesi e i sovraccarichi transitori che capitano tra un'ispezione e l'altra senza lasciare segni visibili. Sul Chetwynd Bridge il sistema ha intercettato mezzi pesanti fuorilegge, qualcosa che nessun sopralluogo trimestrale avrebbe mai visto.

Ciò che un sistema misura dipende in gran parte dal meccanismo di rottura che preoccupa di più. La deflessione dell'impalcato e la frequenza modale seguono la perdita di rigidità globale, l'inclinazione segue il movimento delle fondazioni e il cedimento delle pile, la deformazione locale segue la fatica in un punto critico noto, e la velocità di vibrazione conta quando il problema sono i lavori vicini o il traffico più che il ponte stesso.

Monitoraggio e ispezione non sono intercambiabili

Come detto, il monitoraggio continuo completa l'ispezione visiva e non può sostituirla. I sensori colgono ciò che agli ispettori sfugge, come il degrado lento, o ciò che accade tra una visita e l'altra, il calo graduale di frequenza e l'evento di sovraccarico.

I sensori non possono rilevare la corrosione nascosta sotto la vernice, la perdita di sezione, i danni da impatto recenti o i difetti che richiedono il giudizio umano. Per questo servono entrambi per mettere davvero in sicurezza un'opera infrastrutturale.

I sensori coinvolti nel monitoraggio dei ponti

Un ponte va monitorato con un piccolo insieme di strumenti complementari, ciascuno legato a una grandezza specifica e a un preciso meccanismo di rottura.

Accelerometri

Un accelerometro MEMS triassiale misura l'accelerazione su tre assi, e dall'accelerazione sincronizzata lungo l'impalcato si ricavano i parametri modali, le frequenze naturali, le forme modali e lo smorzamento. Dato che questi sono indicatori globali della rigidità, l'accelerometro è la base di un monitoraggio completo del ponte. Quando la rigidità cala per fessurazione, corrosione o fatica, le frequenze naturali scendono di conseguenza, ed è per questo che una lunga registrazione accelerometrica è il dataset più informativo che si abbia sulla maggior parte dei ponti.

Il DECKAXE-SHM di Move campiona da 40 a 640 Hz e alimenta direttamente il Modal Analysis Tool di MyMove. La frequenza di campionamento è un fattore importante, perché se è troppo bassa si va in aliasing sui modi più alti. Se invece è troppo alta, si consuma batteria e banda per frequenze che un ponte non raggiungerà mai. Su un ponte stradale di campata media i primi modi flessionali stanno di solito sotto i 10 Hz.

Inclinometri

Un inclinometro misura la rotazione, e la rotazione è il primo sintomo visibile di una pila che cede o di una spalla che si muove. La risoluzione inferiore al milliradiante è la soglia a cui prestare attenzione, perché qualcosa di più grossolano annega il lento segnale geotecnico nel rumore termico. L'inclinometro di Move raggiunge il sub-mrad ed è lo strumento a cui ricorriamo per primo su ogni ponte in cui un movimento delle fondazioni è plausibile.

Concatenati su più punti, gli inclinometri ricostruiscono un profilo di deflessione dell'impalcato durante una prova di carico senza un solo trasduttore di spostamento appeso sopra il fiume. È il trucco dietro al monitoraggio della deflessione statica, e si installa a un costo molto inferiore rispetto alle alternative.

Sensori di spostamento

Quando la deflessione dedotta sotto carico dinamico non basta, si può installare un sensore di spostamento per misurarla direttamente e ad alte frequenze di campionamento.

Sul Chetwynd sono stati i sensori di spostamento più il video a inchiodare gli episodi dei mezzi in sovrappeso. Lo spostamento diretto è oneroso in termini di installazione, quindi lo usiamo dove il valore di deflessione è di per sé il risultato richiesto, non come canale di default ovunque.

Vibrometri

Un vibrometro misura il PPV (peak particle velocity), la grandezza attorno a cui sono scritte le norme sulle vibrazioni da cantiere, e serve a capire se i lavori stanno facendo vibrare la struttura oltre un limite di sicurezza.

Il DECKVBR-STD di Move lavora da 1 a 100 Hz ed è conforme a DIN 4150-3, UNI 9916 e BS 7385. Su un ponte è utile quando nelle vicinanze ci sono palificazioni, demolizioni o mezzi pesanti al lavoro.

Estensimetri e fibra ottica, tramite un nodo

L'estensimetria e la sensoristica in fibra ottica sono metodi locali, e il danno di solito è locale, quindi si usano nei punti critici di fatica noti.

Non sono la linea principale di Move, ma il nostro nodo comunicativo digitalizza i sensori analogici di terze parti e li porta nella stessa rete wireless e nella stessa piattaforma, così l'analisi dell'intero progetto si può fare in un unico strumento.

Sensori ambientali

La temperatura è il grande generatore di rumore nel monitoraggio, perché una frequenza naturale può spostarsi di diversi punti percentuali nell'arco di una giornata per soli effetti termici sulla rigidità e sul comportamento dei cuscinetti, abbastanza da sembrare un danno.

Affiancando la misura di temperatura e delle condizioni ambientali, i dati ambientali permettono di separare le oscillazioni termiche giornaliere da un trend in discesa.

Trasformare i dati in una diagnosi

Esistono tre tipi di analisi usati nel monitoraggio dei ponti che si basano sui dati provenienti da un sistema di sensori ben strutturato.

Monitoraggio basato sulle vibrazioni e analisi modale operativa

L'analisi modale operativa, o OMA, è il metodo adatto ai ponti in esercizio. Estrae i parametri modali dalla risposta della struttura all'eccitazione che già riceve da traffico, vento e microtremori. Questo metodo non richiede uno shaker, chiusure stradali o input controllato.

L'analisi modale sperimentale con input forzato è più precisa, ma su un ponte in funzione il costo e l'interruzione del traffico di uno shaker a massa eccentrica la rendono poco pratica, se non per un test di collaudo una tantum.

La letteratura scientifica sull'OMA è ormai ampia e gli algoritmi, tra cui la decomposizione nel dominio della frequenza e l'identificazione stocastica nei sottospazi, sono consolidati.

Deflessione statica e prove di carico

I metodi statici aiutano a definire la capacità complessiva. Una prova di carico statica applica carichi noti sull'impalcato e ne misura la deflessione, e questo valida il modello strutturale e la classe di carico.

Per queste prove di carico si usano catene inclinometriche e sensori di spostamento, e il Static Deflection Tool di MyMove permette poi di ricostruire il profilo.

Prove dinamiche e statiche sono complementari, perché la registrazione dinamica dice come sta invecchiando il ponte, mentre la prova statica dice quanto può portare.

Cablato vs wireless, e quanti sensori

Un sistema wireless è quasi sempre la scelta migliore per i retrofit, ovvero l'installazione di nuovi sistemi di monitoraggio su infrastrutture esistenti. Questo perché un sistema wireless richiede solo pochi dispositivi installati in punti specifici della struttura, di solito con appena qualche bullone.

Cablare un ponte esistente per un sistema cablato significa scavi, canaline, protezione dalle intemperie e un costo al metro che rende il cavo più caro dei sensori che serve. I confronti pubblicati collocano l'installazione wireless ben sotto la metà del costo dell'equivalente cablato.

Pochi sensori ben posizionati battono molti sensori posizionati male

Un primo impianto sensato su un ponte di campata media prevede da quattro a otto accelerometri triassiali a metà campata e ai quarti di campata, più un inclinometro per pila e un canale ambientale per la correzione termica. Questo schema ricostruisce i primi modi, intercetta il movimento delle fondazioni e produce un dataset ancora interpretabile da un solo ingegnere. Un sistema con troppi sensori può in realtà generare molto rumore nei dati e creare difficoltà inutili. In generale, i sensori vanno aggiunti quando i dati mostrano punti sottorappresentati.

Cosa richiedono davvero le normative

La normativa è oggi una delle principali ragioni per cui i sistemi di monitoraggio dei ponti vengono finanziati. In generale, i governi si stanno rendendo conto che gran parte delle infrastrutture attuali in Europa e Nord America è datata, e che senza una risposta strategica a questo problema tragedie come il crollo del Ponte Morandi a Genova nel 2018 potrebbero ripetersi troppo spesso.

In Italia le Linee Guida MIT 2020 sulla classificazione e gestione del rischio dei ponti esistenti istituiscono una valutazione multilivello in base alla quale le strutture a rischio più elevato hanno di fatto bisogno di un monitoraggio strumentale.

Negli Stati Uniti il riferimento sono i National Bridge Inspection Standards della FHWA, che impongono intervalli di ispezione anziché un monitoraggio continuo, ma che riconoscono sempre più i dati strumentali come modo per allungare gli intervalli e mirare le ispezioni speciali.

Sul fronte vibrazioni, DIN 4150-3, UNI 9916 e BS 7385 fissano le soglie di PPV che regolano quando i lavori vicini fanno vibrare troppo una struttura. Sono norme scritte bene per ciò che coprono, ma attenzione all'ambito. Riguardano l'impatto delle vibrazioni sulla struttura, non la salute modale della struttura stessa, quindi un vibrometro conforme alla DIN 4150-3 risponde alla domanda sull'impatto del cantiere e non dice nulla sulla perdita di rigidità a lungo termine.

Come affrontiamo il monitoraggio dei ponti in Move

In Move Solutions installiamo sensori wireless in campo, che si connettono via LoRaWAN e inviano i dati al cloud MyMove, dove gli strumenti di analisi si usano in un'unica piattaforma che genera i report e li archivia per la conformità.

Il Chetwynd Bridge mostra che aspetto hanno i vincoli su una struttura tutelata. Sul ferro vincolato non erano ammessi bulloni né adesivi, quindi i sensori sono stati montati con magneti ad alta tenuta. Non c'era spazio per un pannello solare, così il team ha alimentato un'unità di backup dall'illuminazione stradale esistente a 24V. Gli strumenti sono stati persino verniciati in tinta con il ponte per ottenere il via libera della soprintendenza. Sei mesi di dati accelerometrici, analizzati a febbraio 2024, hanno fissato la baseline modale, e da allora la registrazione è servita a sostenere la richiesta di un nuovo ponte documentando un deterioramento graduale che non lasciava segni visibili.

Il Zambeccari a Pontremoli, una struttura in cemento armato dei primi del Novecento riaperta a carreggiata ridotta dopo una chiusura, ha un monitoraggio remoto continuo allestito con Vega Engineering. Il Bridge of the Gods in Oregon, realizzato con Parsons, ha portato lo stesso approccio wireless su uno storico attraversamento del fiume Columbia, registrando sforzi, vibrazioni e movimenti su una travata a sbalzo.

Domande frequenti

Il monitoraggio cablato è mai la scelta giusta rispetto al wireless?

Sì, sui nuovi ponti a lunga campata strumentati durante la costruzione, dove le canaline per i cavi vengono comunque posate e servono sincronizzazione perfetta e alimentazione continua su molti canali ad alta frequenza. Anche in quel caso, però, vediamo che a volte i clienti hanno bisogno di un sistema misto di sensori cablati e wireless e usano una piattaforma come MyMove per l'analisi.

Come influisce la temperatura sulle letture di frequenza modale, e genera falsi allarmi?

Molto. Gli effetti termici su rigidità e cuscinetti possono spostare una frequenza naturale di diversi punti percentuali in una sola giornata, lo stesso ordine di grandezza di un vero segnale di danno. Senza un canale di temperatura affiancato e un modello di correzione, una soglia di allarme o scatta ogni pomeriggio caldo o è così larga da mancare una deriva reale.

Un sistema di monitoraggio di un ponte può sostituire le ispezioni programmate?

No, il monitoraggio continuo completa le ispezioni. Mentre i sensori colgono la lenta deriva modale e i sovraccarichi transitori tra una visita e l'altra, gli ispettori colgono la corrosione nascosta, la perdita di sezione e i danni da impatto che i sensori non sono in grado di misurare. L'indirizzo normativo, comprese le Linee Guida MIT 2020 italiane, tratta monitoraggio e ispezione come un regime combinato, non uno in sostituzione dell'altro.

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