Monitoraggio statico e dinamico del campo prove sicurezza infrastrutture

Marzia Malavisi(1) ponti&viadotti

MONITORAGGIO STATICO E DINAMICO

DEL CAMPO PROVE SICUREZZA INFRASTRUTTURE

LA VULNERABILITÀ DELLE INFRASTRUTTURE ESISTENTI È STATA EVIDENZIATA SEMPRE PIÙ NEGLI ULTIMI ANNI DA EVENTI DI DANNEGGIAMENTO PROGRESSIVO, FINO AL COLLASSO. I SISTEMI STRUTTURALI, INFATTI, POSSONO ESSERE INFLUENZATI DA PROCESSI DI INVECCHIAMENTO E DEGRADO, CON CONSEGUENTE PERDITA DI FUNZIONALITÀ NEL TEMPO

La perdita di funzionalità progressiva delle infrastrutture rende necessario l’utilizzo di adeguati criteri e sistemi per il controllo continuo delle infrastrutture, al fine di monitorarne il comportamento e le performances nel tempo. Parallelamente, è altresì necessario collezionare dati da strutture esistenti, per poter studiare e indagare il comportamento reale dei viadotti in condizioni critiche di esercizio e di collasso, e ottenere informazioni indispensabili per una corretta valutazione delle grandezze che governano la resistenza e la durabilità delle strutture. Il presente articolo descrive i risultati ottenuti attraverso il sistema di diagnostica basata sul monitoraggio messo a punto da Sacertis per il controllo strumentale continuo delle prove di carico a collasso del viadotto Alveo Vecchio, organizzate da Autostrade per l’Italia (ASPI) e dal Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti (MIT) in convenzione con UniTN, presso il Campo Prove Sicurezza Infrastrutture MIT di Candela (FG), sull’Autostrada A16 Napoli-Canosa. La campagna sperimentale è stata organizzata al fine di valutare in situ la sicurezza dell’opera, rappresentativa del patrimonio infrastrutturale viario italiano, e trarre utili informazioni per l’assessment di strutture esistenti.

IL MONITORAGGIO STRUTTURALE

Il monitoraggio strutturale è definito come un processo di valutazione dello stato di salute di una opera d’arte, finalizzato all’individuazione delle potenziali variazioni del comportamento strutturale nel tempo. Sacertis, Società italiana di ingegneria specializzata nello sviluppo di sistemi di monitoraggio, ha sviluppato un sistema di diagnostica che mira a fornire, su base continuativa in tempo reale, informazioni sul comportamento delle infrastrutture, individuando e riconoscendo condizioni critiche in evoluzione. In particolare, il sistema di monitoraggio si avvale dell’utilizzo combinato di una rete di sensori installati sulla struttura che generano dati in tempo reale e di un’architettura informatica su piattaforma cloud capace di eseguire l’acquisizione automatica, l’elaborazione e l’archiviazione dei dati. Tali dati vengono poi successivamente processati ed elaborati al fine di trasformare le letture provenienti dai sensori in dati “consistenti”, ovvero significativi per le successive fasi di modellazione numerica. Il dato elaborato viene quindi utilizzato per analisi strutturali attraverso modelli matematici, al fine di generare informazioni sulla variazione del comportamento della struttura nel tempo (Figura 1).

1. La visualizzazione schematica del processo di diagnostica e monitoraggio

ponti& viadotti

L’attività di diagnostica basata sul monitoraggio consiste infine nella determinazione di valori di soglia con cui vengono confrontate le misure collezionate.

IL CAMPO PROVE SICUREZZA INFRASTRUTTURALE DEL VIADOTTO ALVEO VECCHIO

Il viadotto, costruito negli anni Sessanta, si trova in un tratto autostradale dismesso (ora sostituito da nuova variante) tra Candela e Lacedonia. Esso risulta costituito da impalcati a graticcio in semplice appoggio di luce pari a 32,5 m, composti da quattro travi post tese a cavi aderenti e cinque traversi (tre intermedi e due di testata). La campata C3sx è stata sottoposta a prove di carico per valutarne le caratteristiche di resistenza ultima, come illustrato in Figura 3. Il monitoraggio strutturale è consistito nella strumentazione della trave longitudinale di bordo T1 della campata C3sx, dove sono state installate due tipologie di sensori differenti: cinque accelerometri triassiali MEMS (misure dinamiche) e cinque inclinometri biassiali MEMS (misure statiche). Ciascun accelerometro triassiale fornisce dati di accelerazione con una frequenza di campionamento pari a 100 Hz, lungo i tre assi di misura (verticale, trasversale e longitudinale rispetto allo sviluppo della trave) ed il segnale acquisito è caratterizzato da una banda passante di 50 Hz e un fondo scala di ±2 g. Gli inclinometri biassiali acquisiscono in continuo set di 1 sec. di informazioni con una frequenza di campionamento di 208Hz, eseguendo quindi 208 letture al secondo; in ogni set vengono calcolati il valor medio, lo scarto quadratico medio, il valore massimo e minimo registrati. Sono stati eseguiti sul viadotto Alveo Vecchio diversi cicli di carico-scarico nel periodo compreso tra il 4 e il 24 Luglio 2019. Per ciascuna prova di carico sono state applicate sulla struttura delle forze uniformemente distribuite su una lunghezza di circa 7,1 m, centrate rispetto alla mezzeria dell’impalcato. Il carico è stato applicato tramite il posizionamento di blocchi del peso di 10 t ciascuno di dimensione 1.835x2.350x450 mm. I blocchi sono stati disposti in strati da 12 unità, per un totale di 120 t a strato, come mostrato nelle Figure 4A e 4B. In Figura 5 si riassumono le diverse fasi di carico/scarico eseguite:

A corredo delle prove statiche, è stato realizzato un set di prove dinamiche eseguite considerando l’input generato da eccitazione ambientale e dall’eccitazione tramite impatto. Per ciò che concerne l’eccitazione da impatto, la prova è stata eseguita lasciando cadere ripetutamente sull’impalcato, da un’altezza di 50 cm, una massa di dimensioni e carico noto (50 kg). Le prove dinamiche sono state eseguite, per i carichi 120 t, 240 t

4A e 4B. La fase di carico del viadotto Alveo Vecchio DATA E ORA FASE CARICO (T) 04/07/2019 ore 08:30 Carico/Scarico 120 04/07/2019 ore 13:00 Carico/Scarico 240 08/07/2019 ore 17:45 Carico 480 09/07/2019 ore 14:45 Scarico 0 10/07/2019 ore 13:50 Carico 480 11/07/2019 ore 13:40 Carico 720 11/07/2019 ore 18:00 Scarico 480 12/07/2019 ore 09:00 Scarico 0 22/07/2019 ore 17:10 Carico 480 23/07/2019 ore 17:00 Carico 920 23/07/2019 ore 22:00 Scarico 600 24/07/2019 ore 15:00 Scarico 0

5. Le fasi di carico e scarico delle diverse prove eseguite

2. La geolocalizzazione del viadotto

3. La pianta del viadotto Alveo Vecchio: la campata oggetto della prova di carico e la trave monitorata

MONITORAGGIO INFRASTRUTTURE

e 480 t, prima della fase di carico, a completo carico e al termine della fase di scarico. Per le prove con 720 t e 920 t invece, per ragioni di sicurezza, le prove dinamiche sono state eseguite solo prima della fase di carico e al termine della fase di scarico, eliminando dunque la prova a completo carico. I dati acquisiti dai sensori in real-time sono stati elaborati attraverso algoritmi in grado di trasformare le letture grezze in dati “consistenti”, ovvero dati significativi pronti per il successivo livello di analisi. L’analisi dei dati si divide in: • misure statiche: volte alla caratterizzazione del comportamento deformativo della struttura e individuazione delle variazioni della risposta statica del sistema a seguito di un eventuale e progressivo danneggiamento. Gli inclinometri sono installati su tutti i punti di misura rilevanti della trave oggetto di monitoraggio; • misure dinamiche: volte all’identificazione dei parametri modali della struttura (frequenze proprie, modi di vibrare) e individuazione delle variazioni della risposta dinamica a seguito di un eventuale e progressivo danneggiamento. Gli accelerometri sono installati su tutti i punti di misura rilevanti della trave oggetto di monitoraggio, al fine di poter correttamente ricostruire la risposta dinamica del sistema.

LE MISURE STATICHE

L’utilizzo di inclinometri biassiali ha consentito di rilevare le rotazioni dell’impalcato sotto i diversi step di carico previsti. In particolare, le rotazioni registrate dai sensori, successivamente elaborate attraverso l’approssimazione tramite funzione inter-

7. Le misure deformative ai diversi step di carico polante, hanno consentito una stima della deformata e conseguentemente della freccia sperimentata dalla struttura sotto le diverse condizioni di carico. Nelle Figure 6 e 7 sono riportati i principali output statici ottenuti, e in particolare la deformata statica sperimentata dalla struttura durante l’ultimo ciclo di carico/scarico e il diagramma forza-rotazione di tutti i cicli di carico/scarico eseguiti. È possibile osservare che la trave raggiunge lo stato limite di fessurazione per un carico pari a 340 t (Figura 6), individuato attraverso la variazione di pendenza (e quindi di rigidezza) osservabile nel diagramma forza-rotazione. Inoltre, nell’ultima fase di carico (920 t) la trave ha raggiunto una freccia massima in mezzeria pari a circa 31,5 cm e una rotazione in corrispondenza degli appoggi pari a circa 1,5° e 1,4° come mostrato in Figura 6. Nelle ultime fasi di carico si osserva una ulteriore perdita di rigidezza della struttura; infatti, la pendenza della curva forza-rotazione (Figura 6) nel tratto finale si riduce ulteriormente, divenendo pressoché orizzontale. Le deformazioni aumentano per effetto di un carico quasi costante. Ciò indica un progressivo avvicinamento alla condizione di snervamento delle armature e, quindi, alla condizione di collasso della struttura. I cicli forza-rotazione mostrano una notevole deformazione residua al termine della fase di scarico, corrispondente ad una freccia di circa 7,5 cm. Si osserva inoltre la formazione di una possibile cerniera plastica nella trave, evidenziata da una rotazione non nulla registrata dal sensore posizionato in corrispondenza della mezzeria.

LE MISURE DINAMICHE

L’utilizzo degli accelerometri ha permesso la valutazione del comportamento strutturale mediante l’osservazione della risposta dinamica dell’impalcato durante lo svolgimento delle prove di carico, eseguendo analisi sia

6. Il diagramma forza-rotazione di uno dei sensori installati all’appoggio

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8. La variazione delle frequenze naturali in presenza di danneggiamento

nel dominio del tempo che delle frequenze. In particolare, eccitando dinamicamente il sistema, è possibile stimare i parametri dinamici della struttura. Tali parametri dipendono esclusivamente dalle caratteristiche intrinseche dell’impalcato (per esempio massa, rigidezza, vincoli applicati, smorzamenti, ecc.) e non dall’entità e/o dal tipo di carico applicato; pertanto, se non intervengono modificazioni interne al sistema (come, per esempio, dei danni strutturali) il comportamento dell’opera rimane inalterato nel tempo. Viceversa, nel caso in cui si verificasse una variazione in uno o più parametri tra quelli indicati in precedenza, ad esempio a causa di un danno, si noterà una variazione delle frequenze e dei modi propri di vibrare.

Nel caso delle prove in esame, la caduta del maglio sulla struttura ha generato un impulso dinamico registrato in tutte le direzioni. Al fine di valutare l’effetto del danneggiamento progressivo sulla struttura, sono state effettuate analisi in frequenza, che consentono di individuarne la risposta dinamica. In particolare, sono state utilizzate tecniche output-only, misurando la sola risposta del sistema e assumendo l’input come incognito. In Figura 9 si riporta l’analisi delle frequenze proprie della trave monitorata al progredire del danneggiamento. In particolare, osservando la funzione di Densità di Potenza Spettrale (PSD), si osserva uno shift significativo delle frequenze di picco verso sinistra, ad indicare una notevole riduzione di rigidezza della trave. Infatti, le frequenze proprie di un sistema risultano essere direttamente proporzionali alla rigidezza dello stesso e inversamente proporzionali alla sua massa. Questo significa che all’aumentare dello stato di danneggiamento della struttura, corrispondente a una riduzione di rigidezza dello stesso, le frequenze naturali diminuiscono a parità di massa. Nel caso in esame, come si evince dalla Figura 10, si rileva una significativa riduzione dei valori di frequenza all’aumentare del danneggiamento, ad indicare

9. La riduzione dei valori delle frequenze di picco a seguito del danneggiamento della struttura 10. L’evoluzione dei valori di frequenza propria all’aumentare del danneggiamento

11. L’evoluzione del secondo modo di vibrare della struttura al progredire del danneggiamento

un’altrettanta significativa riduzione di rigidezza della struttura. Oltre all’identificazione delle frequenze proprie della struttura, è stata effettuata un’analisi modale, volta a rilevare le variazioni delle forme modali associate al progredire del danneggiamento nella struttura. Le forme modali sono state calcolate in diversi istanti temporali, corrispondenti a livelli di danneggiamento della struttura crescenti (dopo ogni ciclo di carico-scarico della struttura). Si riporta in Figura 11 un esempio di variazione della forma modale al progredire del danneggiamento. La figura mostra una notevole variazione della forma modale al crescere del danneggiamento della struttura. Questo indica che le forme modali, così come il valore delle frequenze naturali di vibrazione, possono essere considerati dei buoni indicatori di un danneggiamento progressivo della struttura.

CONCLUSIONI

Il sistema di diagnostica sviluppato da Sacertis è stato utilizzato per il monitoraggio continuo del viadotto Alveo Vecchio durante la campagna di prove sperimentali organizzate da ASPI e dal MIT in convenzione con UniTN, al fine di ottenere informazioni circa il comportamento della struttura soggetta a una campagna di prove di carico. La rete di sensori installati sulla struttura ha permesso di registrare interamente tutte le diverse fasi di caricoscarico eseguite e l’analisi in continuo dei dati ha consentito di descrivere con buona accuratezza la risposta strutturale al progredire delle condizioni di danneggiamento imposte. Le letture inclinometriche hanno consentito di misurare le rotazioni della struttura in alcune sezioni significative, permettendo di valutare le deformazioni e pertanto la freccia sperimentata in ogni istante monitorato. È stato inoltre possibile ricavare i diagrammi forza-rotazione descrittivi delle varie prove di caricoscarico e determinare il valore del carico corrispondente allo stato limite di formazione delle fessure, che risulta essere pari a circa 340 t. La deformazione residua a seguito di ciascun ciclo di carico è risultata un buon indicatore dello stato di degrado progressivo della struttura. Le letture accelerometriche hanno consentito parallelamente di determinare le caratteristiche dinamiche della struttura in termini di frequenze proprie e forme modali. Si osserva una notevole variazione dei parametri dinamici della struttura all’aumentare del danneggiamento, ad indicare che sia le frequenze proprie, sia le forme modali possono essere considerate degli indicatori sensibili ad un danneggiamento diffuso sulla struttura ed essere efficacemente utilizzabili nell’individuazione di danni in un processo di diagnostica basato sul monitoraggio strumentale. La campagna prove eseguita sul viadotto Alveo Vecchio è risultata efficace per la caratterizzazione della risposta strutturale al variare del livello di danneggiamento imposto al fine di ottenere informazioni di carattere generale sulla sicurezza del patrimonio infrastrutturale esistente. n

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(1) Ph.D, Responsabile Ricerca Tecnologica della Sacertis Ingegneria Srl

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