Catene di inclinometri: una guida alla ricostruzione della deformata strutturale

Una catena di inclinometri è un insieme di sensori disposti a distanze note lungo un asse comune, ciascuno dei quali misura la rotazione locale del segmento di struttura a cui è fissato. Sommando i contributi dei singoli segmenti, un software ricostruisce la deformata, ovvero la forma assunta dalla struttura nel tempo.

Pur essendo concettualmente semplice, una catena permette di estrarre informazioni che il singolo inclinometro non può fornire: dove si concentra la deformazione lungo un fusto, a quale profondità si trova una superficie di scivolamento in un pendio, come evolve la flessione di una paratia durante uno scavo.

Perché il singolo inclinometro spesso non basta

Un inclinometro installato sulla sommità di una pila di ponte alta 12 metri che misura una rotazione di 0,002° fornisce un dato corretto ma ambiguo. Quella rotazione può derivare dalla formazione di una cerniera plastica alla base del fusto, da una flessione distribuita lungo l'altezza, da un cedimento differenziale della fondazione che inclina l'intera pila come un corpo rigido, oppure dalla combinazione di più meccanismi.

I tre scenari richiedono interventi diversi e hanno implicazioni completamente diverse sulla vita residua della struttura. Il singolo sensore non li distingue. Una catena di sensori distribuiti lungo l'altezza restituisce invece la forma della deformata e permette di attribuire il movimento al meccanismo corretto.

Come è fatta una catena

Il dato raccolto da una catena è un vettore di angoli, registrati con timestamp sincronizzati. L'asse comune lungo cui i sensori sono disposti può avere tre geometrie principali.

Geometria verticale

È la configurazione più diffusa. La catena scende all'interno di un foro di sondaggio lungo un pendio, risale il fusto di una pila di ponte o corre lungo il pilone di un edificio alto. La direzione misurata è ortogonale all'asse di installazione.

Geometria orizzontale

In questo caso la catena corre lungo una superficie sostanzialmente orizzontale: la facciata di un edificio storico, l'estradosso di un arco, l'impalcato di un ponte. La grandezza ricostruita è il cedimento differenziale fra i nodi.

Geometria curva

Più rara, ma utile su archi rampanti o intradossi di volte. Vale solo se il segmento fra due sensori successivi può essere considerato rettilineo, con la geometria curva ricostruita per discretizzazione.

La distanza fra i sensori, comunemente compresa tra 0,5 e 10 metri, dipende dalla scala spaziale del fenomeno deformativo atteso. Una pila in cui si prevede la formazione di una cerniera plastica alla base richiede una densità maggiore in quella zona. Una paratia con un sostegno intermedio richiede sensori in corrispondenza delle ancorature. La spaziatura uniforme è la scelta più semplice da progettare, raramente la più efficace.

Dove vengono utilizzate le catene

Le catene di inclinometri compaiono in tutti i principali ambiti del monitoraggio strutturale.

Pile e piloni di ponti

Una catena verticale lungo il fusto di una pila in calcestruzzo armato distingue tra deformazione flessionale, rotazione rigida della fondazione e formazione di cerniere plastiche. Sui ponti classificati ad Alta Attenzione secondo le Linee Guida CSLP, la catena è uno degli strumenti più efficaci per cogliere l'evoluzione lenta dei cedimenti fondazionali prima che il danno diventi visibile.

Paratie e scavi profondi

Durante uno scavo adiacente a edifici esistenti, una catena posizionata nella paratia permette di seguire in tempo reale la deformazione del sistema di sostegno. La catena evidenzia se la paratia si sta inflettendo verso lo scavo, ruotando in punta o cedendo come un blocco rigido. È un'informazione fondamentale per la sicurezza del cantiere e per la gestione del contenzioso con la committenza limitrofa.

Pendii e versanti instabili

Una catena calata in un foro di sondaggio attraverso un pendio attivo permette di individuare la profondità della superficie di scivolamento. Un singolo inclinometro indica che il pendio si muove ma non a quale quota. Con la catena è possibile identificare lo strato che sta cedendo e progettare gli interventi di stabilizzazione di conseguenza.

Edifici storici e monumentali

Una catena orizzontale sulla facciata di una chiesa, di un palazzo storico o di una torre permette di monitorare cedimenti differenziali della fondazione. Su strutture rigide e fragili, questi cedimenti producono quadri fessurativi che diventano visibili solo dopo che il danno strutturale è già in corso.

Edifici alti e strutture verticali

Sui piloni di edifici multipiano la catena verticale serve a monitorare la verticalità durante la costruzione, le derive residue post-sismiche e le deformazioni termiche stagionali.

Tunnel e opere in sotterraneo

In gallerie, pozzi e camerone, le catene misurano la convergenza del rivestimento, la rotazione delle strutture di imbocco e i cedimenti degli edifici sovrastanti durante l'avanzamento di una TBM.

Come si ricostruisce la deformata

Il principio di calcolo è semplice. Ogni sensore misura un angolo. Quell'angolo, moltiplicato per la lunghezza del segmento di struttura a cui il sensore è associato, fornisce uno spostamento orizzontale relativo fra gli estremi del segmento. Sommando segmento per segmento, partendo da un nodo di riferimento, si ricostruisce la posizione di tutti i punti lungo la catena.

Il nodo di riferimento è il punto da cui parte l'integrazione e di cui si assume noto lo spostamento, tipicamente nullo. Per una catena in foro di sondaggio il riferimento è il fondo del foro, che si ipotizza ancorato in roccia stabile. Per una catena su pila di ponte può essere la base, se si considera la fondazione fissa, oppure il colmo, se si considera ferma la sommità. La scelta del riferimento è una decisione ingegneristica e cambia il significato del profilo ricostruito.

Quando il riferimento non è davvero fisso, il profilo ricostruito è relativo, non assoluto. Per ottenere spostamenti assoluti è necessario affiancare alla catena un ancoraggio esterno indipendente, come una stazione GNSS o un caposaldo topografico.

Il grafico della deformata e cosa rappresenta

L'output di una catena è un grafico bidimensionale. Su un asse è riportata la posizione lungo la struttura, ovvero la quota di ciascun sensore lungo l'asse della catena. Sull'altro asse è riportato lo spostamento orizzontale ricostruito. Per ogni istante temporale si ottiene una curva, e l'animazione delle curve nel tempo restituisce l'evoluzione della deformata.

La forma della curva descrive il meccanismo. Un profilo lineare indica una rotazione rigida dell'elemento. Un profilo curvilineo indica flessione distribuita lungo l'altezza. Un punto di flesso netto indica una concentrazione di sforzo localizzata, tipicamente una cerniera plastica nella struttura o un piano di scivolamento nel terreno. Un offset rigido fra due porzioni del profilo indica una discontinuità strutturale o geotecnica.

Confrontando profili a istanti successivi si ottiene la deformazione incrementale, ovvero quanto la deformata è cambiata in un intervallo definito. Sovrapponendo la deformata a dati ambientali (temperatura, pioggia, eventi sismici, fasi di cantiere) si separa il contributo dei diversi fattori, distinguendo per esempio una deformazione termica reversibile da una deformazione meccanica progressiva. È questo passaggio, dalla rotazione locale alla deformata e dalla deformata al meccanismo, che trasforma il dato grezzo in informazione decisionale.

Il Tiltmeter Chain Tool di MyMove

Move Solutions ha sviluppato il Tiltmeter Chain Tool, un modulo della piattaforma MyMove che automatizza la pipeline di calcolo della deformata a partire dai dati delle catene di inclinometri Move. Il modulo gestisce l'integrazione segmentale a partire dal nodo di riferimento configurato, la sincronizzazione dei timestamp fra i sensori della catena, la rappresentazione animata della deformata nel tempo e l'analisi differenziale segmento per segmento per individuare concentrazioni anomale di rotazione.

La logica di base è la stessa applicata dalle catene inclinometriche manuali in foro di sondaggio: discretizzare la struttura in elementi, associare a ciascun elemento l'angolo misurato e sommare gli spostamenti. Ciò che cambia è che la lettura avviene in continuo e da remoto, anziché una volta al mese con un operatore in sito.

Cosa una catena non misura

Una catena ricostruisce la deformata lungo un asse. Non vede componenti di rotazione fuori da quell'asse, a meno che non si utilizzino inclinometri biassiali con un'analisi adeguata. Non vede cedimenti uniformi dell'intera struttura: se tutto si abbassa allo stesso modo, i segmenti restano paralleli a se stessi e la somma delle rotazioni resta nulla. Non vede fenomeni dinamici veloci, come la risposta sismica o l'attraversamento di un convoglio, perché il campionamento tipico delle catene è dell'ordine dei minuti, non dei millisecondi.

In una campagna di monitoraggio completa la catena di inclinometri si affianca ad accelerometri per la risposta dinamica, a sensori ambientali per separare gli effetti termici da quelli meccanici e, dove la natura del fenomeno lo richiede, a un riferimento topografico esterno per togliere l'ambiguità del punto fisso. La forza della catena sta nella capacità di restituire una visione spaziale della deformazione lungo un asse. La sua debolezza è essere comunque una proiezione monodimensionale di un fenomeno che nella realtà è tridimensionale.

Le evoluzioni in corso sui sensori MEMS wireless, dall'estensione della durata della batteria al miglioramento della compensazione termica, stanno gradualmente spostando il limite di applicabilità delle catene verso fenomeni più lenti e strutture più grandi. È in questo spazio che si gioca la prossima generazione di campagne di monitoraggio strutturale.

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