Casi studio

Il monitoraggio strutturale dei ponti non può limitarsi al controllo della sola struttura. Quando l’opera interessa un corso d’acqua e le fondazioni sono soggette all’interazione con il terreno e con la dinamica fluviale, è importante considerare contemporaneamente il comportamento del sottosuolo, delle fondazioni, delle pile e dell’impalcato, oltre alle condizioni ambientali e idrauliche che possono influenzarne la risposta.

In questo caso studio viene presentato un sistema integrato di monitoraggio geotecnico e strutturale di un ponte, con acquisizione automatica dei dati e centralizzazione delle informazioni sulla piattaforma METRA.

L’obiettivo è ottenere una visione complessiva del comportamento dell’opera, mettendo in relazione i movimenti profondi del terreno con gli spostamenti e le deformazioni strutturali e con le variazioni delle condizioni meteorologiche e idrauliche.

Monitoraggio geotecnico delle fondazioni

Una prima parte del sistema è dedicata al monitoraggio delle fondazioni e al controllo dei movimenti profondi del terreno in prossimità delle strutture del ponte.

All’interno di perforazioni verticali vengono installate catene di inclinometri fissi da foro, costituite da sensori digitali posizionati a differenti profondità. La distribuzione degli strumenti lungo la verticale viene definita sulla base delle caratteristiche geotecniche del sito e delle zone nelle quali risulta maggiormente significativo controllare l’evoluzione degli spostamenti.

Rispetto alle tradizionali campagne inclinometriche manuali, l’impiego di inclinometri fissi permette di acquisire automaticamente le misure e di seguirne l’evoluzione nel tempo, rendendo possibile l’individuazione di variazioni concentrate a specifiche profondità.

I sensori vengono collegati tramite bus digitale alle unità di acquisizione installate in superficie, consentendo di gestire numerosi punti di misura limitando il cablaggio necessario.

Nei nuovi fori inclinometrici può inoltre essere prevista la posa contestuale di elementi per misure estensimetriche profonde. La combinazione delle misure inclinometriche ed estensimetriche permette di ottenere informazioni complementari sugli spostamenti orizzontali e sulle deformazioni verticali del terreno interessato dalle fondazioni.

Monitoraggio strutturale del ponte

Il sistema geotecnico viene integrato con una rete di sensori per il monitoraggio strutturale installati direttamente sulle strutture del ponte.

Inclinometri e clinometri ad alta risoluzione possono essere posizionati sulle pile del ponte e sugli elementi strutturali principali per controllare nel tempo eventuali variazioni di inclinazione e rotazione.

In corrispondenza delle fessure ritenute significative vengono installati fessurimetri elettrici che consentono di misurare automaticamente le variazioni di apertura. Il monitoraggio continuo delle fessure permette di distinguere fenomeni stabili o ciclici da eventuali evoluzioni progressive.

Per il controllo degli spostamenti relativi tra elementi strutturali possono inoltre essere utilizzati trasduttori di spostamento a filo, particolarmente utili quando sono previste escursioni maggiori rispetto al campo normalmente misurabile mediante un fessurimetro.

Misura delle deformazioni e dei carichi

Sugli elementi strutturali maggiormente significativi possono essere installati strain gauge per la misura delle deformazioni strutturali locali.

Le misure deformative permettono di seguire nel tempo la risposta degli elementi strutturali alle variazioni dei carichi e alle condizioni ambientali. Per una corretta interpretazione dei dati, gli strain gauge vengono affiancati da sensori di temperatura, in modo da confrontare le deformazioni misurate con le variazioni termiche della struttura.

La temperatura rappresenta infatti uno dei parametri fondamentali nel monitoraggio a lungo termine di ponti e viadotti, poiché le normali escursioni giornaliere e stagionali possono determinare variazioni significative delle deformazioni e degli spostamenti.

In punti selezionati possono inoltre essere installate celle di carico per controllare direttamente l’evoluzione delle forze trasmesse attraverso specifici elementi strutturali o sistemi di vincolo.

Monitoraggio dello scalzamento delle pile

Per i ponti con fondazioni direttamente interessate dalla corrente, un parametro particolarmente importante è rappresentato dall’erosione locale del fondale in prossimità delle pile.

Durante gli eventi di piena, l’incremento della velocità della corrente può determinare la rimozione del materiale presente attorno alla fondazione, provocando uno scalzamento delle pile anche significativo.

Per il monitoraggio dello scalzamento può essere utilizzato un sistema magnetico passivo in grado di conservare una memoria fisica della massima profondità di erosione raggiunta durante l’evento.

Il dispositivo è costituito da un tubo guida verticale installato in prossimità della pila e da un collare magnetico scorrevole, inizialmente posizionato alla quota del fondale. Durante la piena, l’erosione del materiale determina la progressiva discesa del collare lungo il tubo.

Quando successivamente il materiale viene nuovamente depositato, il collare rimane alla massima profondità raggiunta. Dopo l’evento, la posizione può essere rilevata mediante una sonda magnetometrica collegata a un cavo metrato, permettendo di determinare il massimo scalzamento verificatosi.

Il sistema è completamente passivo e non richiede alimentazione elettrica né collegamento a un data logger.

Monitoraggio del livello del corso d’acqua

Il sistema comprende anche una stazione per la misura continua del livello idrometrico del corso d’acqua.

Il monitoraggio del livello del fiume permette di individuare e caratterizzare gli eventi di piena e di mettere in relazione le condizioni idrauliche con le variazioni registrate dalla strumentazione geotecnica e strutturale.

L’andamento del livello idrometrico costituisce inoltre un riferimento importante per programmare le verifiche dei sistemi passivi di controllo dello scalzamento dopo gli eventi maggiormente significativi.

Monitoraggio meteorologico

Il quadro delle condizioni ambientali viene completato da una stazione meteorologica automatica.

La stazione consente di registrare precipitazioni, temperatura e umidità dell’aria, pressione atmosferica, velocità e direzione del vento.

Il confronto tra precipitazioni, livello idrometrico e risposta della strumentazione permette di ricostruire l’evoluzione degli eventi più significativi e di verificare eventuali correlazioni tra condizioni ambientali e comportamento dell’opera.

Acquisizione e trasmissione dei dati

La strumentazione automatica viene collegata a data logger distribuiti installati in prossimità dei differenti gruppi di misura.

Le unità di acquisizione provvedono all’interrogazione dei sensori, alla memorizzazione locale delle misure e alla trasmissione remota dei dati.

Nei punti nei quali non è disponibile una rete elettrica, le stazioni possono essere alimentate mediante batterie e pannelli fotovoltaici, permettendo la realizzazione di sistemi autonomi anche in aree difficilmente raggiungibili.

La piattaforma METRA per la gestione dei dati

I dati provenienti dalle diverse stazioni vengono centralizzati sulla piattaforma cloud METRA, che costituisce il punto di accesso unico al sistema di monitoraggio.

METRA permette di archiviare le misure raccolte e di visualizzarne l’andamento attraverso grafici temporali e rappresentazioni organizzate per sito, posizione e tipologia di sensore.

Uno degli aspetti più interessanti di un sistema integrato di monitoraggio è la possibilità di confrontare nello stesso intervallo temporale grandezze di natura differente.

Le precipitazioni possono essere messe in relazione con il livello del corso d’acqua e con i movimenti profondi rilevati dagli inclinometri. Questi ultimi possono essere confrontati con le rotazioni delle pile, con l’apertura delle fessure e con gli spostamenti misurati sulla struttura.

Allo stesso modo, temperatura, deformazioni rilevate dagli strain gauge e spostamenti possono essere analizzati congiuntamente per riconoscere il comportamento ciclico dell’opera associato alle escursioni termiche e individuare variazioni che richiedano ulteriori approfondimenti.

La piattaforma consente inoltre di associare ai parametri monitorati soglie di attenzione, allerta e allarme. Il superamento delle soglie può generare segnalazioni automatiche, consentendo ai tecnici incaricati di concentrare rapidamente l’attenzione sulle variazioni maggiormente significative.

Un sistema integrato per il monitoraggio dei ponti

Il valore di un sistema di monitoraggio strutturale e geotecnico dei ponti non dipende semplicemente dal numero di sensori installati, ma dalla possibilità di mettere in relazione informazioni provenienti da fenomeni differenti.

Una variazione del livello del corso d’acqua può essere confrontata con eventuali movimenti profondi del terreno, che a loro volta possono essere messi in relazione con le rotazioni delle pile e con gli spostamenti o le deformazioni strutturali registrate sulla struttura.

Il monitoraggio dello scalzamento delle pile aggiunge inoltre un’informazione particolarmente importante, consentendo di conservare evidenza della massima erosione verificatasi durante una piena anche quando il successivo deposito dei sedimenti rende il fenomeno difficilmente riconoscibile attraverso un’ispezione eseguita a posteriori.

L’integrazione tra monitoraggio geotecnico, monitoraggio strutturale, controllo idraulico e monitoraggio meteorologico, insieme alla centralizzazione dei dati sulla piattaforma METRA, consente di passare dalla semplice acquisizione del singolo parametro a una lettura complessiva del comportamento dell’opera nel tempo.