Il monitoraggio statico e dinamico di infrastrutture stradali con fibre ottiche

Al fine di evitare errori dalle conseguenze devastanti, è necessaria un’attenta riflessione sulla situazione delle infrastrutture del nostro territorio ed analizzare laddove ci sono stati errori. Bisogna, dunque, attivare con scienza e coscienza un’analisi su come si progetta, si costruisce e, soprattutto, si monitora nel tempo il costruito, per intervenire per tempo con giusta manutenzione in caso di manifesta criticità statica, dovuta a molteplici fattori (progetto, modalità costruttive, materiali, dinamismi indotti).

Il progettista è il primo attore nel complesso sistema che da l’opera finita, per cui deve avere le necessarie conoscenze del cantiere, dei materiali da utilizzare e delle loro qualità fisico-chimiche-meccaniche. Il direttore dei lavori, colui che è responsabile della messa in opera del progetto, deve avere altrettante cognizioni, affinché un progetto ben fatto abbia successo nella sua realizzazione. Qualora, tuttavia, ci fossero o ci fossero state deficienze nella costruzione, un buon progetto di monitoraggio strutturale è in grado senza soluzione di continuità di controllare l'evoluzione dello stato di sicurezza all’interno e all’esterno delle strutture con sensori residenti, di rilevare l’innesco dello stato di prima fessurazione nei calcestruzzi e/o murature e di evidenziare gli stati di deformazione del sistema edilizio, offrendo agli addetti ai lavori le giuste indicazioni per una manutenzione mirata.

I sensori a fibre-ottiche sono quanto di più avanzato offre l’attuale tecnologia per la bassa invasività, il basso costo e la sfera di controllo dei parametri fisico-chimico-meccanici di progetto. I sensori a fibra-ottica entrano in funzione appena installati e all’interno delle membrature edilizie delle nuove costruzioni ed “a pelle” sulle strutture esistenti, misurando in entrambi i casi gli stati di sollecitazione dei materiali e la loro variazione a causa di eventi dinamici intrinsechi ed estrinsechi.

Nel caso di variazione dei parametri di progetto e qualora venissero superati i valori di sicurezza, i sensori “residenti “ a fibra ottica lanciano allarmi a mezzo di centraline GSM o siti web DEDICATI o su TABLET ecc: e in tempo reale la criticità statica in atto si evidenzia agli addetti ai controlli. 

Monitoraggio strutturale mediante fibre ottiche

Il monitoraggio strutturale con sensori a fibre ottiche può essere utilizzato sia sulle strutture di nuova realizzazione, sia su quelle già realizzate.

Monitoraggio sulle strutture nuove

Per quanto attiene le nuove strutture, il monitoraggio strutturale in parola, implementato come attività continuativa che segue l’opera dalle fasi costruttive per tutto il ciclo di vita, amplia le conoscenze sul comportamento reale, riducendo le incertezze sulle caratteristiche dei materiali utilizzati e sulla presenza di eventuali difetti costruttivi e, nel tempo, è un formidabile strumento per stabilire se la struttura conserva ancora i requisiti di progetto e se le diverse membrature presentano gli stessi stati di sollecitazione rilevati all’epoca dell’entrata in servizio dell’opera. 

La figura 1 e figura 2, rappresentano l’armatura di una trave da viadotto, dove in alcune zone sono incollati i sensori a fibra ottica, dopo aver fatto un’attenta analisi strutturale dell’elemento prefabbricato e individuati i punti di maggiore sollecitazione sotto azioni dinamiche esterne.

Figura 1 e 2 - Armature di travi da viadotto

Monitoraggio sulle strutture esistenti

Per quanto attiene le strutture esistenti, viadotti, ponti, edifici od opere geotecniche, è possibile installare sulle membrature portanti in calcestruzzo armato dei sensori per rilevare stati deformativi e conseguentemente impegni tensionali. Di seguito, sono riportate alcune immagini relative alla installazione di sensori a fibra ottica su membrature di travi da viadotto strutture di sostegno, pulvini e appoggi.

La figura 3 rappresenta uno spaccato del sistema trave piloni di appoggio, dove i sensori a fibra ottica incollati sulle superficie in calcestruzzo, nei punti in cui l’analisi strutturale ha individuato gli stati di maggiore sollecitazione. Tale impianto di monitoraggio strutturale a fibre ottiche opportunamente cablato può essere debitamente installato lungo km di viadotti. Un sistema di controllo strutturale così fatto permette di conoscere gli stati tensionali degli acciai di armatura, il fluage dell’acciaio, la freccia delle travi, lo stato di prima fessurazione nei cls e altri parametri fisico-chimico-meccanici responsabili della sicurezza del sistema edilizio, assicurando i dati, per programmare una manutenzione certa e sicura dell’opera.

Figura 3 - Posizionamento dei sensori in un viadotto esistente

In figura 4 è riportato lo schema trave impalcato con i posizionamenti dei sensori e i parametri misurati.

Figura 4 

Ciclo di produzione di travi da viadotto con inserimento sensori fibre ottiche

La trave viene confezionata in stabilimento di prefabbricazione, previo montaggio delle armature e con i sensori a fibre ottiche installati nel cassero trave dove viene gettato il cls. La trave, terminato il ciclo di maturazione, viene scasserata e inviata a stoccaggio. Al momento della scasseratura ogni trave da viadotto avrà una pagella dove sono riportati i dati di progetto, sollecitazioni meccaniche sui materiali, temperature, qualità, eventuali fessurazioni all’interno della trave, ecc… I  sensori a fibre ottiche monitorano i parametri suindicati senza soluzione di continuità, controllandone le eventuali variazioni e riportandone i valori su PC..TABLET..SITI WEB dedicati. Le travi vengono montate sulle pile di appoggio per formare l’impalcato stradale, quindi, collegate in parallelo con i sensori a fibre ottiche in serie con altri impalcati, dando vita così ad una catena di sensori a fibre ottiche “Fiber Bragg Gratings (FBG)” in grado di controllare per kilometri lo stato di sicurezza degli impalcati senza soluzione di continuità, semplicemente da una camera di regia dove tecnici preposti possano prendere le decisioni del caso.

Il monitoraggio a mezzo sensori a fibre ottiche è in grado di appalesare lo stato di fatto sulla stabilità delle strutture viarie e di fornire dati puntuali per una corretta e mirata manutenzione del manufatto in crisi statica.

Non più crolli improvvisi di PONTI e VIADOTTI ma la certezza che le strutture viarie siano staticamente fruibili, a vantaggio della sicurezza delle persone e delle cose.