La gestione della manutenzione di ponti e viadotti tramite Bridge Management System con approccio bottom-up

Dalle ispezioni visive alle tecniche di monitoraggio strutturale

Il controllo della sicurezza strutturale di ponti e viadotti rappresenta una tematica quanto mai di rilevante attualità per gli enti gestori e gli utenti. Il presente contributo illustra l’approccio bottom-up utilizzato dagli autori per affrontare la gestione degli interventi di manutenzione alle infrastrutture esistenti basato sulla gerarchizzazione del processo conoscitivo dalle visite ispettive alla progettazione e messa in esercizio di sistemi di monitoraggio strutturale

La pianificazione ottimale degli interventi di manutenzione di ponti e viadotti

La crescente domanda di mobilità stradale che ha caratterizzato i decenni del secondo dopoguerra ha visto un incremento esponenziale dell’estensione della rete viabilistica sul territorio nazionale. Il sistema dei trasporti gioca un ruolo determinante nello sviluppo economico e sociale di un paese, per cui risulta cruciale sviluppare delle procedure codificate per la valutazione della sicurezza e sistemi di gestione ottimale degli interventi manutentivi per il prolungamento della vita di servizio di ponti e viadotti. Va anche tenuto in considerazione il fatto che nella gestione della manutenzione non sono coinvolte esclusivamente le opere strutturali principali, ma molto spesso i patrimoni infrastrutturali esistenti presentano una significativa porzione di manufatti minori che, sebbene possano ad una prima impressione passare inosservati, possono anch’essi configurare potenziali situazioni di criticità qualora, per una prolungata situazione di mancata manutenzione, manifestino improvvise criticità tali da ridurne o addirittura annullarne la funzionalità.

Un’ottimale pianificazione degli interventi di manutenzione si basa su processi conoscitivi codificati e gerarchizzati tali da permettere di concentrare gli investimenti sulle strutture più critiche analizzando nel dettaglio non solo lo stato di deterioramento degli elementi principali, ma basando la valutazione comparativa di urgenza su una metrica orientata alla quantificazione del livello di rischio strutturale ed alla successiva comparazione con valori soglia ammessi dallo stesso ente gestore. E’ dunque cruciale, per una corretta prioritizzazione degli investimenti in indagini per l’aumento del livello di conoscenza delle strutture esistenti e la cantierizzazione dei successivi interventi manutentivi, conoscere i potenziali rischi che un eventuale interruzione della funzionalità può comportare in termini di conseguenze, ovvero impatto a livello socio-economico. Per meglio chiarire quanto sopra esposto in termini generali, nell’analisi del rischio relativa al potenziale collasso di un impalcato, si dovrebbero stimare oltre che i potenziali costi diretti per la ricostruzione dello stesso impalcato, anche le conseguenze indirette di tale scenario, ovvero gli incrementi di traffico associati alle deviazioni di tragitto che gli utenti del ramo stradale su cui l’opera danneggiata insisteva dovrebbero affrontare per soddisfare la loro domanda di mobilità, e le correlate conseguenze in termini di incremento delle emissioni di agenti inquinanti. Anche la stessa fase di conoscenza della struttura esistente richiede una gerarchizzazione, che si articola dal livello di conoscenza di base derivato dall’ispezione visiva, passa per la pianificazione di una campagna di prove non distruttive o distruttive e giunge nei casi di maggior interesse alla caratterizzazione dinamica del manufatto e alla progettazione ed installazione di sistemi di monitoraggio strutturale.

Il presente contributo illustra pertanto l’approccio bottom-up utilizzato dagli autori nello sviluppo di sistemi di Bridge Management System, illustrando alcune recenti esperienze maturate sul campo nel corso della ormai quinquennale collaborazione con Concessioni Autostradali Venete S.p.A..

Bridge Management System

E’ stato sviluppato un sistema di gestione delle attività di manutenzione ordinaria e straordinaria dei ponti, viadotti e manufatti di attraverso minori di competenza dell’ente Concessioni Autostradali Venete S.p.A.. Il primo passaggio è consistito nel censimento delle opere nel sistema di gestione in maniera da poter successivamente predisporre i successivi moduli relativi alle ispezioni visive. E’ stata predisposta per ciascuna opera una scheda di valutazione ispettiva compilabile da dispositivo durante l’esecuzione di un’ispezione visiva in-situ. La scheda viene compilata tramite la definizione dello stato di salute dei diversi elementi strutturali mediante l’assegnazione di valori di Stato di Condizione (Condition Value, CV), e conseguentemente l’algoritmo predisposto stima a partire da questi esiti segnalati dall’ispettore un indice rappresentativo dello Stato di Efficienza Globale (Total Sufficiency Rating, TSR) della struttura. I dati ispettivi vengono comparati con la previsione dello stato di deterioramento derivabile da un set di curve di danno relative ai differenti componenti strutturali. Successivamente, tramite l’applicazione di un algoritmo specifico, vengono generati numericamente dei possibili stati di danneggiamento globale per la specifica opera analizzata, identificandone al tempo stesso le relative collocazioni temporali. Infine, previa definizione di una serie di parametri relativi all’importanza dell’arteria stradale in cui è collocata l’opera analizzata (RT), all’entità del danno indiretto causato da un eventuale fuori servizio della stessa (NBI) e all’anno in cui si prevede l’esecuzione di un intervento di manutenzione straordinaria, è possibile derivare come output la curva di ciclo di vita del manufatto, il valore del TSR relativo a tale istante temporale e un indice rappresentativo della velocità di progressione del degrado (IPD). Nella seguente Figura 1 viene illustrato il diagramma logico con cui l’applicativo proposto opera per la previsione dello stato di deterioramento dei manufatti da ponte.

Figura 1 - Rappresentazione del diagramma di flusso utilizzato dall’applicativo.

La tecnica ispettiva

Lo strumento proposto si fonda sulla tecnica delle ispezioni visive, quindi sulla messa a punto di apposite "schede di valutazione" in grado di fornire un giudizio sullo stato di conservazione dei diversi elementi strutturali tramite l’assegnazione di un opportuno Condition Value (CV) e, conseguentemente, sull’opera nel suo complesso.

Ottenute le valutazioni relative ai vari elementi (CVs), si passa alla valutazione dell'intera struttura, quest’ultima, eseguita con l'algoritmo del Total Sufficiency Rating (TSR). L’algoritmo, messo a punto dagli autori, elabora i giudizi assegnati ai vari elementi, restituendo un indicatore finale (TSR) che quantifica l’efficienza complessiva della struttura [1, 2]. In Figura 2 viene riportato sinteticamente un esempio di stima del TSR.

Figura 2 – Sintesi del calcolo del TSR.

In un’ottica di gestione di rete (Network Level), è necessario definire diversi livelli di efficienza, cui far corrispondere altrettanti livelli di priorità di intervento. A tal fine sono state individuate quattro fasce di efficienza inversamente collegate a quattro fasce di urgenza d’intervento (Massima urgenza, intervento a breve, medio e lungo termine, rispettivamente nel caso in cui il valore di TSR sia incluso negli intervalli 1-25, 26-50, 51-75, 76-100). I quattro livelli possono essere utilizzati dall’ente gestore per definire un piano di priorità d’intervento sulla base delle informazioni fornite dagli indici ESR e TSR.

La stima degli scenai di degrado

A valle di quanto detto sinora, prima di addentrarsi nella procedura di simulazione del deterioramento, è necessario definire particolari "curve di danneggiamento" relative ai diversi componenti della struttura; queste ultime, ottenute tramite elaborazioni statistiche, consentono di stabilire trend di deterioramento per ciascun elemento strutturale. Evidentemente, affinché la stima possa essere ritenuta significativa, è necessario disporre di un numero sufficientemente grande di dati, e possibilmente suddiviso per categorie omogenee. In Figura 3 vengono riportate a titolo di esempio le curve di deterioramento per una pila in calcestruzzo armato.

La generazione degli scenari di danno è una procedura iterativa finalizzata a simulare il comportamento della struttura in alcune sue particolari fasi di deterioramento, passando attraverso le varie fasce di efficienza precedentemente definite e stimandone, volta per volta, una progressiva collocazione temporale. Il diagramma risultante (Figura 4) permette di visualizzare l’andamento degenerativo delle prestazioni. Per completare la valutazione della struttura, è necessario definire infine l’anno di intervento (o l’anno in cui si vuole ottenere la previsione) e il valore degli indici NBI e RT che, rispettivamente, tengono conto del tipo di strada in cui è collocata l’opera e il grado di confort o disagio che deve essere sostenuto dall’utente nel caso dovesse intraprendere un itinerario diverso da quello inizialmente previsto.

Figura 3 - Curve di deterioramento per l'elemento pila in calcestruzzo armato.

Il risultato finale consiste nella definizione della curva di ciclo di vita del manufatto (Figura 4), ovvero della progressione temporale degli indici di efficienza della struttura (TSR) e di progressione del degrado (IPD) per la specifica opera esaminata. Il primo, come descritto in precedenza, può essere inteso come un punteggio che qualifica l’opera nel suo complesso, mentre il secondo è un indicatore della velocità di progressione del danneggiamento prevista. Quest'ultimo indice, essendo legato alle pendenze dei vari tratti della spezzata, risulterà tanto più grande quanto maggiore sarà la pendenza del segmento in cui ricade il valore del TSR.

Stabilito l’anno nel quale si prevede di intervenire, o al solo fine di ottenere una previsione, sarà possibile calcolare i suddetti indici per una serie di opere in gestione, individuando quelle che richiedono maggiori attenzioni, stabilendo così un criterio di priorità nell'assegnazione delle risorse economiche destinate alle operazioni di manutenzione.

Figura 4 - Rappresentazione della curva di ciclo di vita per un cavalcavia autostradale tipo.

Il modo di intendere il periodo di vita utile – inteso come l’intervallo di tempo in cui l’opera garantisce un ragionevole livello di servizio e sicurezza – o, di converso, la vita residua, non è univoco; questo infatti non coincide con l’annullamento assoluto delle prestazioni (espresse qualitativamente in termini di TSR) ma, generalmente, con una condizione quantificabile con un valore di TSR prossimo a 20. In questa situazione il manufatto si presenta fortemente danneggiato e sempre più esposto a ulteriori dissesti; oltre tale termine esso potrebbe risultare potenzialmente pericoloso per l’utenza (soprattutto in caso di eventi eccezionali), e va quindi adeguatamente monitorato. 

La procedura descritta fin qui è stata applicata ad due stock di opere, un gruppo di cavalcavia autostradali e un insieme eterogeneo di manufatti. Il poter disporre dell’andamento temporale del processo di deterioramento, consente pertanto di formulare degli scenari di danneggiamento strutturale al variare del tempo, ed evidenziare criticità in relazione alle specifiche caratteristiche di ciascuna delle opere oggetto di studio. In Figura 5 vengono riportate alcune proiezioni di medio e lungo termine relativamente alle opere analizzate.

Figura 5 - Rappresentazione delle curve di ciclo di vita per gli asset infrastrutturali analizzati.

Data la natura qualitativa del procedimento di prioritizzazione, l’ente gestore potrà integrare le informazioni derivanti dalle visite ispettive con ulteriori prove in-situ per la caratterizzazione dei materiali componenti i manufatti indagati e/o predisporre specifici sistemi di monitoraggio strutturale per approfondimenti di carattere quantitativo, in relazione alla fascia d’urgenza di intervento nella quale ciascun manufatto va a ricadere.

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