Monitoraggio in tempo reale degli abbassamenti degli impalcati da ponte: il caso studio del viadotto Volto Santo a Napoli

Grazie al monitoraggio è possibile rilevare tempestivamente alcuni fenomeni di degrado delle infrastrutture

La sicurezza di ponti e viadotti esistenti è oggi al centro dell’attenzione di istituzioni, gestori e comunità tecnica. Una parziale risposta al tema della gestione della sicurezza strutturale di queste opere è fornita dal monitoraggio strutturale. Mediante tecniche di Structural Health Monitoring (SHM) si può rilevare in maniera tempestiva alcuni fenomeni di degrado o danneggiamento ed intervenire più rapidamente ed economicamente per garantire la sicurezza degli utenti o estendere la vita utile dell’infrastruttura.

Nell’ambito del progetto di ricerca Bric Digital Smart Structures (DS2) finanziato da INAIL, il Dipartimento di Strutture per l’Ingegneria e l’Architettura dell'Università di Napoli Federico II ha recentemente sperimentato un sistema di monitoraggio basato su sensori laser di tipo Time-of-Flight (ToF) per la lettura degli spostamenti, con una estesa attività su un ponte in esercizio, il Viadotto del Volto Santo, della Tangenziale di Napoli.

Il sistema consente di monitorare in continuo gli abbassamenti delle travi dell’impalcato indotti dal passaggio di mezzi pesanti con un costo contenuto e un processo sostenibile per la gestione dei dati, prevedendo diversi livelli di conoscenza sui dati del traffico necessari per perseguire differenti obiettivi, dalla semplice identificazione di distribuzioni anomale degli abbassamenti monitorati alle verifiche di funzionamento della struttura in presenza di veicoli a massa e velocità nota.

Il Viadotto del Volto Santo

Il viadotto, lungo complessivamente 73 metri e largo 12,95 metri, è suddiviso in quattro campate di differente lunghezza. La struttura si basa su nove travi longitudinali precompresse a sezione a "T", collegate da una soletta superiore in calcestruzzo di 25 cm di spessore e cinque travi trasversali. Gli impalcati di questo viadotto si contraddistinguono per una rigidezza molto elevata. Infatti, dai documenti di collaudo si evince che l’abbassamento della trave di bordo è stata al più 3.3 mm per la condizione di carico più gravosa.

Monitoraggio della freccia

I sensori impiegati per il monitoraggio della freccia sono laser a tempo di volo. Questi sensori utilizzano impulsi laser per misurare la distanza tra il sensore stesso e il punto di interesse sulla struttura. Tale tecnologia si basa sulla misura estremamente accurata del tempo che un impulso laser impiega per percorrere la distanza e ritornare al sensore. I sensori adottati sono in grado di effettuare misurazioni di distanza precise fino a 100 m ad una frequenza nell’ordine di 10 Hz.

Questi sensori sono caratterizzati da un'elevata accuratezza e ripetibilità, nonché da una grande velocità di misurazione. I sensori sono stati installati secondo lo schema riportato in fig. 2, adottando sia la configurazione denominata verticale che quella denominata diagonale. Sebbene la configurazione verticale presenti meno criticità dal punto di vista del funzionamento, questa non è sempre adottabile.

Pertanto, sono stati eseguiti dei test con la configurazione diagonale che non richiede la presenza di target sotto la mezzeria dell’impalcato, che difficilmente è utilizzabile in casi frequenti (e.g., presenza di un fiume o di altra infrastruttura di trasporto).

Durante la sperimentazione, la campata n.3 del viadotto è stata monitorata installando i sensori come riportato in fig. 3. La campata è stata monitorata per circa un anno, operando letture in continuo a 10 Hz, durante le normali condizioni di traffico.

I risultati hanno dimostrato la stabilità delle misurazioni e l'affidabilità del sistema nel rilevare le frecce dei mezzi pesanti. La conferma dell'efficacia del sistema è stata ottenuta attraverso l'analisi incrociata tra i dati video e i dati ottenuti dai sensori di misurazione della distanza.

La fig. 4 mostra il confronto tra la misura del sensore (diagramma blu) e una funzione a gradini (Vehicles size in rosso) che rappresenta la taglia del mezzo che sta transitando sul ponte. Si osserva che per i mezzi di taglia maggiore (anche se non necessariamente a carico pieno) si hanno frecce maggiori e quindi si individua una buona correlazione tra l’istante di transito dei mezzi pesanti e la misura di deformazioni elevate.

La disponibilità di un sistema di monitoraggio strutturale come quello installato presso il viadotto Volto Santo consente di rilevare danneggiamenti, anche quando localizzati su una singola trave. Infatti, la freccia è direttamente correlata alla rigidezza della struttura e, nel caso specifico, anche allo smorzamento, dal momento che le letture sono condotte in condizioni dinamiche.

In linea teorica, la lettura dinamica della freccia è potenzialmente più sensibile ad individuare variazioni di rigidezza, potenzialmente legate a fenomeni di danneggiamento, di quanto non siano le elaborazioni di dati accelerometrici, che indirettamente monitorano le frequenze proprie della struttura.

Per l’implementazione del sistema di monitoraggio è stato definito un approccio multilivello, incrociando i dati di monitoraggio con quelli di traffico a disposizione.

Il livello 1 non utilizza dati di traffico specifici ma si basa sull’ipotesi di stazionarietà del traffico su lungo periodo in definite fasce orarie, ampiamente condivisa in letteratura scientifica; nel livello 2 le informazioni di traffico vengono raccolte da un sistema di rilevazione dei veicoli basato su immagini del traffico che transita sull’impalcato; nel livello 3 viene previsto il transito sulla struttura di veicoli di peso noto, operando una sorta di collaudo continuo dell’opera a basso impatto.

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