L'utilizzo dei dati satellitari per il monitoraggio della stabilità delle costruzioni

Il monitoraggio della stabilità delle costruzioni

Oltre il 50% del patrimonio edilizio residenziale nazionale è stato costruito prima del 1970 e ha quindi ampiamente superato i 50 anni di vita utile previsti dalla normativa tecnica. Inoltre, nel tempo, le strutture hanno spesso subito modificazioni significative dovute a cause antropiche, quali cambi di destinazione d’uso, ampliamenti e sopraelevazioni, o a cause naturali come i cedimenti del terreno che ne hanno modificato le condizioni di stabilità.

In un quadro urbano di questo tipo il monitoraggio delle costruzioni assume un ruolo di fondamentale importanza. Una volta individuate delle anomalie nelle costruzioni solo una mirata strategia di monitoraggio ci può supportare nell’individuazione delle cause e nella verifica della situazione attuale.

Un monitoraggio prolungato nel tempo è inoltre molto importante in tutte quelle situazioni in cui si agisce su un territorio in cui una nuova opera di ingegneria geotecnica vada a modificare le condizioni della zona. Tipici esempi sono lo scavo di parcheggi interrati o la realizzazione di tunnel per il passaggio delle metropolitane. In queste situazioni, durante i lavori di scavo e nel primo periodo dopo la chiusura degli stessi è necessario monitorare gli spostamenti tutti gli edifici che potrebbero essere coinvolti.

Le tecniche tradizionali utilizzate per monitorare gli spostamenti degli edifici richiedono installazioni di dispositivi sulla struttura e letture periodiche in situ; non permettono quindi un controllo rapido, sistematico e diffuso di una intera zona urbanizzata. In situazioni di questo tipo sono invece utili le tecniche basate sui dati di osservazione della Terra dai satelliti artificiali che non necessitano dell’installazione di dispositivi sulla struttura e consentono quindi un controllo sistematico da remoto di vaste aree.

Tra le tecniche satellitari, una delle più avanzate è l’Interferometria Dfferenziale SAR; vengono acquisite immagini in tempi diversi e la loro analisi permette di seguire l’evoluzione temporale della deformazione del terreno con un’accuratezza millimetrica. Si sottolinea inoltre che esistono dati in archivio dal 1992 ad oggi; la tecnica permette quindi di analizzare gli effetti anche di fenomeni pregressi.

In questo ambito, l’Italia, rappresenta uno dei paesi leader sia per l’infrastruttura satellitare, basata sulla costellazione COSMO SkyMED, che per gli algoritmi sviluppati da centri di ricerca per l’elaborazione dei dati SAR.

Il monitoraggio satellitare mediante la procedura I.Modi

Per rendere fruibili e interpretabili in chiave ingegneristica i dati provenienti dal monitoraggio satellitare è stata sviluppata nell’ambito di un progetto europeo una procedura con approccio multi-livello denominata I.Modi (acronimo di Implemented MOnitoring system for structural DIsplacement). Con I.MODI i dati di Osservazione della Terra SAR (Sentinel 1/Copernicus, COSMO-SkyMed + l’archivio SAR dell’Agenzia Spaziale Europea) elaborati con tecniche DInSAR, vengono integrati con dati acquisiti in situ e utilizzati per lo sviluppo di modelli per la valutazione dello stato di danneggiamento degli edifici e delle infrastrutture.

L’obiettivo è quello di fornire una serie di servizi satellitari socialmente utili, fruibili anche dai non addetti ai lavori, per il controllo sistematico del territorio e delle aree urbane.

I.MODI si avvale dei risultati dell’elaborazione dei dati Din-SAR espressi sotto for- ma di velocità di spostamento di punti, definiti Scatteratori Permanenti (PS), che corrispondono ad oggetti presenti sul terreno caratterizzati da un’alta riflessività al segnale radar, come ad esempio i manufatti e gli edifici in generale.

Come già detto, i primi dati satellitari adatti all’analisi DInSAR risalgono al 1992 e consentono di ricostruire storicamente gli spostamenti del terreno in aree molto vaste con una densità di punti di misura elevata.

I.MODI utilizza come dato di input i risultati dell’analisi DInSAR e fornisce diversi servizi (Figura 1) a diversi livelli di dettaglio; vanno dall’analisi territoriale a quella effettuata su una singola struttura.

IMMAGINE 1: Schema della procedura proposta da I.Modi

Monitoraggio con approccio multi-livello

Nel seguito vengono sinteticamente esposti i vari livelli di dettaglio proposti dall’a proccio di I.Modi. Maggiori dettagli verranno forniti nel prossimo paragrafo con un caso applicativo.

Il primo step è quello dell’analisi territoriale che fornisce mappe interpolate degli spostamenti cumulati nel tempo nell’area di interesse. Successivamente si procede con la classificazione delle strutture che insistono sul territorio precedentemente analizzato; le strutture vengono classificate utilizzando un approccio geo-statistico che tiene in considerazione la numerosità dei punti di lettura e le velocità di spostamento. L’analisi fornisce un quadro d’insieme della situazione delle costruzioni in una determinata zona. Un esempio è mostrato in Figura 2.

Gli edifici sono stati classificati utilizzando tre colorazioni diverse che funzionano come una sorta di semaforo: se l’edificio è verde gli spostamenti registrati rientrano nell’ordine di grandezza della precisione della tecnica; se l’edificio è giallo/arancione ci sono spostamenti cumulati nel tempo di una certa entità; se l’edificio è rosso sono stati osservati spostamenti significativi che necessitano di ulteriori approfondimenti.

Una visione schematica di questo tipo permette quindi di individuare rapidamente quali siano le strutture in condizioni più critiche. In una zona urbanizzata è un metodo efficace per stabilire la priorità degli interventi. Gli edifici classificati possono essere poi studiati singolarmente. Anche nel caso dell’edificio singolo l’analisi a sua volta può essere sviluppata a diversi livelli di dettaglio:

• Analisi preliminare: vengono studiate le storie temporali di spostamento dei singoli punti sull’edificio.
• Analisi semplificata del danno: i dati di spostamento DInSAR vengono utilizzati all’interno di modelli strutturali semplificati (a trave equivalente o similari) per giungere a una stima preliminare del grado di danneggiamento delle strutture.
• Analisi quantitativa del danno: i dati vengono utilizzati all’interno di modelli strutturali tridimensionali agli elementi finiti che permettono di simulare in modo esaustivo il comportamento dell’edificio e di effettuare quindi le verifiche di sicurezza. Se i cedimenti osservati variano con una certa regolarità è possibile anche effettuare una prima simulazione del loro andamento futuro nel tempo al fine di identificare tempestivamente l’insorgere di potenziali criticità.

Alla luce di quanto detto si possono sintetizzare i vantaggi e le peculiarità offerte dall’approccio del progetto I.Modi:

• Evidenzia comportamenti anomali di singole strutture rispetto al contesto in cui sono realizzate, tenendo in considerazione il contesto geologico, la rete di sottoservizi ecc.;
• È conveniente, in quanto l’utilizzo della tecnologia DInSAR permette di monitorare grandi aree o edifici non accessibili senza la necessità di installazione di strumentazione in situ;
• Permette l’analisi a ritroso del comportamento delle strutture;
• Rende accessibile anche ai non esperti l’utilizzo di dati di osservazione della Terra;
• Permette di lavorare a diversi livelli di dettaglio a seconda di quali siano le esigenze dell’utente finale.

IMMAGINE 2: Esempio di classificazione degli edifici

[...] l'articolo continua con l'analisi multi-livello di un edificio residenziale soggetto a cedimenti fondali

SCARICA L'ARTICOLO INTEGRALE IN PDF.

 Il presente articolo fa parte degli ATTI DEL CONGRESSO NAZIONALE 2019 DELL’ASSOCIAZIONE MASTER