leStrade n. 1956 aprile 2024

Architettura del sistema
Il monitoraggio strutturale si basa, in generale,
sulla misura di alcune grandezze la cui elaborazione
può fornire informazioni utili a determinare
il grado di sicurezza dell’opera studiata.
Per il conseguimento di tale obiettivo, un primo
approccio prevede che i valori ottenuti attraverso
le misure, o altri derivati attraverso l’elaborazione
numerica di questi, vengano confrontati
con livelli “soglia” predeterminati con
calcoli teorici. Tali calcoli si basano sulle conoscenze
disponibili in relazione alla geometria
della struttura ed alle caratteristiche meccaniche
dei materiali che la compongono.
Va sottolineato che la disponibilità della documentazione
progettuale non si rivela spesso
sufficiente, sia per l’impossibilità di escludere
difformità realizzative rispetto al progetto
sia per la comparsa di difetti o lesioni occulte
dovute alla storia dei carichi applicati nel tempo
all’opera. Diviene allora indispensabile una
campagna di indagine approfondita sull’opera
tesa alla determinazione delle informazioni necessarie
alla modellazione strutturale.
In alternativa, è possibile partire da un modello
numerico della struttura, per esempio basato
sui dati progettuali, che però deve essere
considerato come approssimativo del comportamento
effettivo della struttura, modello che
però può essere “corretto” sulla base delle misure
effettate con i sensori installati sull’opera
reale. In altri termini, con procedimenti di
reverse engineering, è possibile determinare,
operando per approssimazioni successive,
le caratteristiche del modello che consentono
di replicare il comportamento dell’opera reale
sotto carico in modo sempre più preciso, si
parla in questo caso di costruzione di “gemello
digitale”.
Un secondo approccio
Concettualmente diverso da quello descritto,
un secondo approccio si basa sullo studio della
variazione nel tempo dei valori acquisiti dalla
sensoristica installata. Sia gli spostamenti,
e quindi le deformazioni, della struttura, sia il
suo modo di vibrare, per esempio in termini di
frequenze proprie, sono condizionati dall’integrità
degli elementi che compongono la struttura
stessa. In altri termini l’insorgenza di un
danneggiamento di tipo strutturale provoca una
variazione repentina delle misure sopradette,
si può quindi usare l’insorgenza di una tale variazione
come segnale di allerta ed agire con le
azioni conseguenti.
Il secondo approccio, da solo, è certamente sufficiente
quando il sistema di monitoraggio venga
applicato ad una struttura certamente integra,
per esempio ad una struttura nuova ed il cui comportamento
sia verificato attraverso un collaudo.
Mantiene comunque la sua validità, se in combinazione
con il primo approccio, anche quando è
applicato a strutture più vecchie, per le quali non
si può escludere la presenza di danneggiamenti
già all’inizio delle misure.
Il sistema di monitoraggio descritto nel seguito,
adottato da Milano Serravalle Milano Tangenziali
S.p.A., interessando strutture che, in generale,
sono in esercizio da oltre 50 anni è stato basato
sulla combinazione di entrambi gli approcci
sopra citati.
Più precisamente, attraverso diversi tipi di sensore,
vengono acquisite misure in termini di accelerazioni
degli impalcati nelle tre direzioni dello
spazio ed in diversi punti, in termini di temperature
delle strutture, di spostamenti relativi tra
pile ed impalcati, e di rotazioni in direzione longitudinale
e trasversale in corrispondenza delle
pile. Tutte le misure, acquisite e sincronizza-
Fig. 2: Schema logico
dell’architettura del sistema
implementato da Milano
Serravalle.
Fig. 2: Logical scheme of
the system architecture
implemented by Milano
Serravalle.
te per ogni singola struttura, vengono trasmesse
via fibra ottica ad una piattaforma su cloud che,
le rielabora per il calcolo, ad esempio, delle frequenze
proprie di vibrazione o degli spostamenti.
I risultati sono poi confrontati con quelli che si
desumono da un modello ad elementi finiti molto
dettagliato che, con riferimento a determinate
situazioni (per esempio a struttura scarica) e
attraverso algoritmi di intelligenza artificiale, viene
iterativamente “aggiornato” fino a divenire un
vero e proprio digital twin.
Il digital twin viene infine utilizzato per calcolare
i valori di sollecitazione dei singoli componenti
dell’opera (per esempio: calcestruzzo, barre di
armatura, cavi di precompressione) e per valutare
i coefficienti di sfruttamento degli stessi rispetto
ai massimi consentiti normativamente (fig. 2).
La dashboard di interfaccia con l’utente, inoltre,
rappresenta in modo sintetico anche il comportamento
dinamico dell’opera nel campo delle frequenze.
I sensori discreti
Alle strutture sono state applicate diverse serie
di sensori, con posizione di volta in volta variata
in funzione dello schema statico e delle caratteristiche
di vincolo, costituite comune sempre da:
termometri, accelerometri triassiali, trasduttori
di spostamento e inclinometri biassiali (fig. 3).
In particolare, sono stati utilizzati accelerometri
triassiali a tecnologia MEMS, con campo di misura
compreso tra ± 2 g, frequenza di campionamento
tra 0 e 500 Hz, e rumorosità spettrale compresa
in ± 22.5 μg/Hz^0.5; inclinometri biassiali a
tecnologia MEMS con campo di misura di ± 15°,
risoluzione di 0,001°; trasduttori di spostamento
potenziometrici con campo di misura 0÷150
mm e precisione di 0,05 mm.
In generale, gli accelerometri e gli inclinometri
sono stati posizionati lungo i bordi laterali degli
impalcati in corrispondenza delle sezioni in asse
e ai quarti delle luci. In corrispondenza delle pile
sono stati previsti gli inclinometri ed i trasdutto-
English Version
Introduction
The motorway network managed by Milano Serravalle Milano
Tangenziali S.p.A. includes over 400 structures subject
to surveillance in accordance with the “Ponti Guidelines”
[1]. Among these, the most significant ones were
identified, in terms of extension, number of spans and
structural type, for which a remote monitoring project
(SHM) was developed. The identification of the works
to be monitored considered the indications given in the
Guidelines which list, in chapter 7.6.3, the situations for
which the implementation of continuous monitoring is recommended.
The project envisaged the acquisition of a series of quantities,
significant from a structural point of view, which allow,
through comparison with a series of theoretical predictions,
to establish in a very short time the behavior of
the works under the load induced by the traffic and to determine
the safety coefficient of the individual components
in relation to the final or operational limit states.
The works subject to monitoring are summarized in table
1. In general, these are viaducts built in the early 60s
of the last century, some of which were subject to subsequent
widening interventions required to increase the
number of lanes per carriageway from 2 to 3 and places
in operation at the beginning of the 90s.
The monitored works constitute a sample of all the structural
typologies used in Italy for the construction of viaducts
and bridges: reinforced and pre-stressed concrete
with post-tensioned rigid bars (Viadotto dei Parchi on
the east ring road A51), pre-stressed concrete but with
post-tensioned cables (viaducts in Piazza Maggi at the end
of the A7), ordinary reinforced concrete (bridge over the
Po on the northern carriageway of the A7), pre-casted
and pre-stressed beam structure. (Tortona viaduct on the
A7), metal beam structure and collaborating reinforced
concrete slab (Forlanini viaduct on the A51 and viaducts
of the Ghisolfa node on the west ring road A50), metal
beam structure and collaborating pre-stressed concrete
slab (bridge over the Po on the southern carriageway of
the A7).
System Architecture
Structural monitoring is based, in general, on the measurement
of certain quantities whose processing can provide
useful information to determine the level of safety
of the work studied. To achieve this objective, a first approach
provides that the values obtained through measurements,
or others derived through numerical processing
of these, are compared with “threshold” levels predetermined
with theoretical calculations. These calculations are
based on the knowledge available in relation to the geometry
of the structure and to the mechanical characteristics
of the materials that compose it.
It should be underlined that the availability of design documentation
is often not sufficient, both due to the impossibility
of excluding construction differences with respect
to the project, and due to the appearance of defects or
hidden lesions caused by the history of loads applied over
time. An in-depth investigation campaign on the work then
becomes essential, aimed at determining the information
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