Sensori cablati vs. wireless per il monitoraggio dei ponti

Il monitoraggio dei ponti è molto diverso da qualsiasi altro progetto di monitoraggio infrastrutturale. Le voci di costo, le ipotesi di installazione, le modalità di guasto utilizzate per edifici o cantieri non si trasferiscono a un viadotto multi-campata di 200 metri che trasporta 40.000 veicoli al giorno. Quindi in che modo il monitoraggio cablato si differenzia dal più recente monitoraggio wireless e quale dei due è più affidabile per i ponti?

Perché i ponti sono un problema di monitoraggio diverso

Nella maggior parte dei progetti di monitoraggio, come edifici o cantieri, un tecnico può raggiungere la maggior parte delle posizioni dei sensori in pochi minuti. Su un ponte, raggiungere un sensore può richiedere chiusure di corsie, ponteggi, squadre di accesso con funi o mezzi nautici. Questo problema di accessibilità condiziona ogni decisione tecnologica a valle.

Aggiungiamo la dinamica strutturale al quadro. I ponti sono soggetti a carichi mobili da traffico, vento e cicli termici. Il loro monitoraggio richiede accelerometri per l'analisi modale, inclinometri per la deviazione angolare e vibrometri per la velocità di vibrazione.

Il problema del passaggio cavi sulle strutture in esercizio

Immaginiamo di stendere cavi per sensori su un ponte multi-campata esistente. Servirebbero canaline fissate lungo l'intradosso dell'impalcato, instradate attraverso o attorno a ogni pila, con scatole di giunzione a ogni punto di connessione. Ai giunti di dilatazione, il percorso del cavo è interrotto dal movimento strutturale, quindi servono giunti flessibili o cassette di derivazione. Ogni attraversamento del calcestruzzo richiede impermeabilizzazione. Ogni tratto di cavo esposto richiede canalina resistente ai raggi UV e fissaggi resistenti alla corrosione.

Su un ponte nuovo, questa infrastruttura può essere progettata fin dall'inizio: cavidotti pre-installati, scatole di giunzione annegate nelle teste delle pile, circuiti integrati. Il costo marginale è basso, ma qualsiasi avanzamento tecnologico o modifica di ambito potrebbe comunque richiedere un significativo ricablaggio in futuro.

Su un ponte esistente, il calcolo diventa molto più difficile. La posa dei cavi richiede l'accesso all'intradosso dell'impalcato e a ogni pila: ponteggi o piattaforme di ispezione sotto-ponte, chiusure di corsie, piani di gestione del traffico approvati dall'ente stradale. Nel Regno Unito, una chiusura di corsia su un ponte autostradale costa oltre 1.500 GBP al giorno per la sola gestione del traffico, prima che qualsiasi lavoro ingegneristico cominci. In Italia, le circolari tecniche ANAS per i lavori sui ponti della rete stradale nazionale richiedono piani formali di chiusura che possono richiedere settimane per l'approvazione.

Ogni posizione sensore aggiuntiva significa estendere la rete di cavi. Aggiungere un inclinometro alla base di una pila che non era prevista nel progetto originale significa rimobilitare le attrezzature di accesso, stendere un nuovo cavo fino al data logger e rimettere in servizio il sistema. Il costo marginale dell'espansione di una rete cablata su un ponte in esercizio è elevato.

Cosa significano i sensori LoRaWAN per la geometria dei ponti

I ponti sono esempi perfetti del perché i sensori wireless stanno diventando lo standard nel monitoraggio. Utilizzano LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), che opera nello spettro sub-GHz senza licenza, progettato specificamente per la telemetria a bassa velocità di dati su lunghe distanze. In ambienti aperti o semi-aperti, un singolo gateway può ricevere dati da sensori distanti diversi chilometri.

Il monitoraggio cablato richiede infrastruttura lungo ogni metro tra sensore e data logger. LoRaWAN richiede un sensore, una batteria e un percorso radio libero verso un gateway che può trovarsi a centinaia di metri di distanza.

I ponti sono ideali per LoRaWAN. La loro geometria è lineare e aperta, con minima ostruzione tra sensori e gateway. Un gateway montato sul parapetto o a livello stradale vicino a una spalla può tipicamente coprire un'intera struttura multi-campata senza ripetitori intermedi. Le frequenze radio sub-GHz penetrano inoltre il calcestruzzo e diffrangono attorno all'acciaio strutturale in modo più efficace rispetto al Wi-Fi o allo Zigbee, che operano a frequenze più alte con lunghezze d'onda più corte.

Sul ponte ferroviario sul fiume Scrivia, una struttura a 7 campate di circa 160 metri di lunghezza, Move Solutions ha installato sensori wireless sull'intera lunghezza del ponte con copertura gateway da un singolo punto. Questo è stato possibile senza canalizzazioni tra le campate o scatole di giunzione alle pile. I sensori sono stati montati direttamente sugli elementi strutturali dove la misura era necessaria.

Il posizionamento dei sensori segue la logica strutturale, non i percorsi dei cavi

I punti di misura strutturalmente più importanti su un ponte sono spesso i più difficili da raggiungere fisicamente. Consideriamo queste zone di monitoraggio critiche:

Le basi delle pile richiedono il monitoraggio di cedimenti e rotazioni. Molte pile si trovano in alvei o su pendii, rendendo il passaggio dei cavi fino alle fondazioni impraticabile senza interventi civili significativi.

L'intradosso dell'impalcato è dove si misurano le deformazioni e la risposta dinamica. Queste posizioni si trovano a 10-30 metri dal suolo senza accesso permanente. Stendere e mantenere cavi lungo l'intradosso dell'impalcato richiede ripetuti interventi con attrezzature di accesso.

Le zone di appoggio trasferiscono il carico tra impalcato e sottostruttura. Sono incassate all'interno delle spalle o delle teste delle pile, spesso in spazi confinati dove il passaggio dei cavi aggiunge complessità senza aggiungere valore.

I giunti di dilatazione presentano una sfida specifica per i sistemi cablati: il giunto si muove. Qualsiasi cavo che attraversa un giunto di dilatazione necessita di un giunto flessibile che tolleri l'escursione di movimento senza cedimento a fatica. Questa è una modalità di guasto nota nei sistemi di monitoraggio cablati dei ponti.

I sensori wireless eliminano il vincolo per cui ogni punto di misura deve avere un percorso cavo fisico fino a un data logger. Gli unici requisiti sono una superficie di montaggio stabile e un'adeguata linea di vista radio verso il gateway. Sul Ponte Vespucci a Firenze (162 metri di lunghezza complessiva), i sensori sono stati posizionati in posizioni strutturalmente critiche, inclusi elementi delle pile e zone dell'impalcato che avrebbero richiesto un'infrastruttura di cablaggio sproporzionata per essere raggiunte con un sistema cablato.

La durata della batteria è un'equazione di accessibilità

Sostituire una batteria su una pila di ponte accessibile solo tramite ponteggio costa all'incirca quanto una giornata di chiusura corsie. Questo riformula l'intera questione della durata della batteria.

I moderni sensori di monitoraggio strutturale non sono dispositivi IoT consumer. Operano su cicli di lavoro aggressivi: acquisiscono dati a intervalli definiti, trasmettono un pacchetto compatto via LoRaWAN, poi vanno in sleep. I sensori Move Solutions sono progettati per un funzionamento autonomo pluriennale. Agli intervalli di monitoraggio tipici per la valutazione dello stato strutturale, la durata della batteria supera ampiamente i cinque anni.

Questo significa un solo accesso per sensore nell'arco della durata tipica di una campagna di monitoraggio. Si confronti il costo di quella singola sostituzione di batteria con il costo dell'infrastruttura permanente di cavi, inclusa l'ispezione continua e la riparazione di cavi, connettori e canaline esposti alle intemperie, ai raggi UV e alle vibrazioni strutturali.

Il compromesso è reale, comunque. Un sensore cablato con alimentazione permanente non richiede mai accesso per la batteria. Per sensori in posizioni permanentemente accessibili (una stazione meteo sul parapetto, una cella di carico su una mensola di appoggio accessibile), l'alimentazione cablata elimina completamente la variabile batteria. La decisione deve essere guidata dalla difficoltà di accesso in ogni specifica posizione del sensore, non da una preferenza a priori per una tecnologia.

Monitoraggio statico, monitoraggio dinamico e cosa richiede ciascuno

Il monitoraggio strutturale dei ponti si divide in due categorie di dati fondamentalmente diverse.

Il monitoraggio statico registra i cambiamenti lenti: l'accumulo di inclinazione alle pile (misurato in gradi o frazioni di grado nell'arco di settimane e mesi), il cedimento differenziale tra le fondazioni, la deriva lenta dell'allineamento. Le velocità di acquisizione sono basse. Una lettura ogni 15 minuti o ogni ora è sufficiente. Questo rientra ampiamente nella banda di LoRaWAN, e gli inclinometri wireless lo gestiscono senza compromessi.

Il monitoraggio dinamico registra gli eventi rapidi: la risposta vibrazionale sotto traffico, le frequenze modali della struttura (le frequenze naturali a cui il ponte risuona), la velocità di picco delle particelle durante lavori o eventi sismici. Queste misure avvengono in millisecondi. Il sensore necessita di un accelerometro o vibrometro a bordo che campiona a centinaia di hertz. I sensori Move Solutions sono completamente predisposti sia per acquisizioni statiche che dinamiche.

L'acquisizione dati avviene localmente sul sensore. Cattura un evento vibrazionale ad alta velocità, lo elabora a bordo (estraendo valori di picco, RMS o dati spettrali) e trasmette un riepilogo compatto via LoRaWAN. Le forme d'onda grezze possono essere memorizzate localmente e scaricate durante gli accessi periodici. Questo approccio di edge-processing fa sì che i sensori wireless supportino sia il monitoraggio statico che dinamico senza superare i vincoli di banda della radio a lungo raggio.

La nostra piattaforma MyMove acquisisce entrambi i tipi di dati dalla stessa rete di sensori. Il suo Modal Analysis Tool elabora i dati dinamici per identificare variazioni nelle frequenze naturali, un indicatore precoce di degrado strutturale. Il suo Tiltmeter Chains Tool traccia le variazioni angolari cumulative attraverso più sensori su elementi strutturali connessi. Entrambi gli strumenti funzionano con dati provenienti da sensori wireless distribuiti sulla struttura.

La questione del portfolio

Un gestore infrastrutturale che amministra decine di ponti, gallerie e muri di contenimento affronta un problema che il caso della singola struttura non ha: la coerenza attraverso un portfolio di asset eterogeneo.

Il monitoraggio wireless con un protocollo standardizzato come LoRaWAN consente agli stessi tipi di sensore e alla stessa piattaforma dati di coprire asset strutturalmente diversi senza ridisegnare l'infrastruttura di cavi per ciascuno. Un inclinometro su una pila di ponte e un inclinometro su un muro di contenimento trasmettono lo stesso formato dati allo stesso tipo di gateway, visibili nella stessa piattaforma.

COST Action TU1406, un'iniziativa di ricerca europea sulle specifiche di qualità per i ponti stradali, ha rilevato che circa la metà del patrimonio di ponti europeo è stato costruito prima del 1980 e sta raggiungendo o superando la propria vita utile di progetto originaria. Per un gestore di portfolio, questo significa che la maggior parte delle strutture che necessitano di monitoraggio non è mai stata progettata con un'infrastruttura sensoristica in mente. Il monitoraggio retrofit a quella scala richiede una tecnologia che si adatti a qualsiasi geometria e condizione di accesso ogni struttura presenti.

Cosa succede dopo

Uno dei cambiamenti in atto nel settore del monitoraggio è quello che si può fare una volta che i dati sono stati ottenuti. Strumenti come MyMove permettono di monitorare in tempo reale e impostare analisi automatiche. Si possono anche ricevere notifiche ogni volta che i dati rilevati iniziano a diventare allarmanti.

I dati strutturali continui provenienti da reti di sensori wireless creano le basi per la manutenzione basata sulle condizioni: riparare le strutture sulla base delle prestazioni misurate anziché su programmi di ispezione fissi. La tecnologia dei sensori è pronta. Le piattaforme dati esistono. La sfida rimanente è istituzionale: portare proprietari di ponti, autorità regolatorie e quadri normativi di ispezione a fidarsi dei dati di monitoraggio continuo come complemento all'ispezione visiva.

Quel cambiamento istituzionale è già in corso in Italia, nel Regno Unito e in tutta l'UE. Le strutture che vengono strumentate ora genereranno lo storico che renderà questa la prassi standard per la prossima generazione di infrastrutture.

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