Soluzioni di monitoraggio geomatico per il controllo delle infrastrutture

Nell’ambito del monitoraggio strutturale è possibile utilizzare tecniche geomatiche per misurazioni precise e accurate di punti discreti. I sensori geotecnici comunemente utilizzati prevedono la misurazione diretta di certi parametri e offrono misure 1D, 2D. I sensori afferenti alla geomatica – geodesia consentono, invece, di effettuare misure anche 3D. La stazione totale, la fotogrammetria, piuttosto che il GNSS sono soluzioni 3D di alta precisione.

I laser scanner terrestri hanno incrementato la penetrazione nel monitoraggio grazie alla pos- sibilità di analizzare e confrontare milioni di punti. Le recenti applicazioni con i radar satellitari e terrestri stanno delineando una nuova frontiera nella misura e nella evoluzione delle applicazioni geomatiche per il monitoraggio.

L’analisi, l’integrazione e la georeferenziazione dei dati raccolti consentono una opportuna comparazione nello spazio e nel tempo ma rappresentano anche il nuovo paradigma nell’era digitale dei BIG DATA e delle Smart City. Oggi, grazie ad un nuovo software denominato GeoMonitoring Hub, è possibile integrare i dati provenienti da qualsiasi tipo di sensore geotecnico e geomatico (in grado di fornire informazioni 1,2,3D), permette la comparazione grafica e statistica delle misure, fornisce una visione di sintesi uniforme e rappresenta un valido supporto a ricostruire il modello di evoluzione del fenomeno a supporto delle decisioni.

Il monitoraggio delle infrastrutture

Le attività di monitoraggio fanno parte di una buona pratica di lavoro in tutta la storia di un’opera strutturale: ante opera, durante la costruzione e post opera. Inoltre, i recenti avvenimenti, purtroppo alcuni anche tragici come il crollo del Ponte Morandi di Genova, delinenano un incremento della richiesta di effettuare monitoraggio anche durante la vita dell’opera per la verifica della sua efficienza e come metodo di misura a scopo predittivo.

A disposizione dei tecnici esistono oggi numerosi sensori in grado di misurare numerose grandezze sia statiche che dinamiche. Si differenziano i sensori geotecnici, ai quali appartengono estensimetri, dilatometri, clinometri, fessurimetri, misuratori di giunti, ecc. e i sensori geomatici tra i quali il GNSS, la stazione totale, la multistation e recentemente si stanno iniziando a diffondere anche altre tecnologie come il laser scanner terrestre e l’interferometria radar sia satellitare che terrestre.

La principale differenza che distingue queste due famiglie di prodotti è essenzialmente legata al fatto che i sensori geotecnici sono tipicamente mono o bi-dimensionali, mentre i sensori geomatici sono tipicamente tridimensionali. Questa particolarità sta sempre più interessando gli addetti ai lavori poiché viene apprezzata l’informazione aggiuntiva che è possibile ottenere dai sensori geomatici e geodetici. Infatti, la terza dimensione consente in particolare di conoscere non solo la variazione di una quantità (lo spostamento), ma anche la sua direzione, fattore questo talvolta determinante per comprendere esattamente l’evoluzione del fenomeno.

Sensore GNSS

Il sensore GNSS, oggi disponibile multi costellazione (GPS, Glonass, Beidou, Galileo) e multifrequenza (fin oltre 50 Hz), consente di raggiungere accuratezze dell’ordine di 3-4 mm se impiegato in modalità post processing (adatto quindi per movimenti lenti) e con frequenza di misurazione di alcune ore (solitamente prodotti ogni 4 o 6 o 12 o 24 ore, a seconda delle precisioni, del sito e della tipologia di accuratezza che si deve raggiungere). Questo sensore è anche in grado di offrire una posizione in tempo reale (ogni secondo) adatto il metodo di calcolo denominato Real Time Kinematic (RTK). In questo caso il GNSS raggiunge un’accuratezza di circa 8-10 mm ed è quindi estremamente adatto per movimenti veloci e/o per movimenti di qualche centimetro.

L’uso del GNSS, impiegato in combinazione con clinometri, è utile per lo studio e l’analisi dei comportamenti strutturali delle forze statiche, quasi statiche o risonanti [Erol, 2010]. Grazie alle recenti performance dei ricevitori GNSS, in grado di fornire una posizione in tempo reale ad alta frequenza, è possibile eseguire analisi dinamiche dei ponti [Figurski et alii, 2007], piuttosto che eseguire analisi statiche con baseline lunghe decine di Km per verificare gli effetti di fenomeni regionali come la subsidenza sulle strutture. Un’altra applicazione abbastanza diffusa è l’impiego dei GNSS nello studio della salute strutturale dei grattacieli [Ting-Hua Yi et alii, 2012] che non a caso sono stati impiegati, combinati con clinometri di alta precisione, per monitorare la costruzione del più alto grattacielo di Dubai.

La stazione totale è il sensore che maggiormente caratterizza la classe dei sensori geomatici, e geodetici in particolare. Il vecchio teodolite manuale di decine di anni fa è oggi evoluto in uno strumento totalmente automatico, robotizzato, comandato a distanza, con prestazioni di ricerca del prisma estremamente elevate (fino a 3500 mt), con accuratezze angolari elevatissime (0,5” angolari) e con una ripetibilità del distanziometro laser strabiliante, tanto che in alcuni contesti come quelli di emer- genza in cui non è possibile installare i prismi è possibile oggi effettuare il monitorag- gio anche solo con il distanziometro laser (misurando la distanza inclinata).

L’impiego della stazione totale nel monitoraggio strutturale è diffuso da anni e sono ampiamente riconosciute e apprezzate le sue performance: accuratezza millimetrica e alta ripetibilità della misura. Impiego disparato in qualsiasi contesto di monitoraggio strutturale: galleria, diga, monitoraggio dei ponti e degli edifici, monitoraggio perfino degli edifici monumentali del XVI secolo a seguito del terremoto dell’Aquila [Dominici et alii, 2009].

La stazione totale generalmente necessita di almeno 3 punti di controllo e grazie a nuovi motori precisi e molto veloci è in grado di misurare numerosi prismi (in doppia lettura, dritto e capovolto) nell’ambito di pochissimo tempo. Queste per- formance consentono di spingere l’impiego di questi sensori a limiti fino a qualche anno fa impensabili e, grazie alla loro elevata affidabilità, sono di fatto il sensore di punta tra quelli geodetici.

Multistation

La stazione totale è però evoluta e nel tempo si sono affacciate nel mercato le Multistation. Trattasi di stazioni totali in grado anche di effettuare delle scansioni e quindi di generare una nuvola di punti. Il primo grande vantaggio di questi strumenti è la doppia capacità di misurare prismi e di fare scansioni (lavorare senza prisma).

Questa seconda funzionalità permette di ottenere performance e dati di monitoraggio ancora più affidabili rispetto al passato in caso di situazioni di pericolo. Infatti, allorquando non sia possibile installare i prismi, poiché la struttura da monitorare è in condizioni precarie o non sia possibile avvicinare uomini sulla struttura per l’installazione poiché la struttura è a rischio crollo, è necessario effettuare un monitoraggio a distanza senza installare sensori sulla struttura.

In questo scenario la multistation, grazie alla scansione, è in grado di interpolare i dati scansionati costruendo una superficie e compararla con le successive scansioni calcolando eventuali spostamenti 3D della nuova superficie rispetto a quella di riferimento. Questo risultato è nettamente superiore alla sola distanza inclinata che è possibile effettuare con qualsiasi stazione totale senza prisma.

Negli ultimi anni stiamo assistendo anche ad un incremento e diffusione della tecnologia Laser Scanner Terrestre (TLS). Come noto i laser scanner sono sensori in grado di acquisire milioni di punti al secondo. Le precisioni angolari sono inferiori rispetto a quelle della stazione totale ma, analogamente alle multistation, effettuando misure ripetute delle superficie interpolate dalla nuvola di punti, è possibile determinare anche piccoli spostamenti.

Per questo sono impiegati nel monitoraggio. Il limite di questi sensori è al momento legato al fatto che la nuvola di punti è estremamente pesante in dimensioni file e pertanto il TLS trova impiego nel monitoraggio periodico (manuale) e non in quello automatico. L’impiego del laser scanner terrestre nel monitoraggio delle strutture ha ad ogni modo offerto risultati molto interessanti, come nel caso dello studio delle deflessioni. Confrontando infatti il TLS con trasduttori di spostamento variabile lineare (LVDT), è stato registrato che il TLS è stato in grado di misurare variazioni di 1 mm ed entro 1,6% di quelle dei LVDT [Park et alii, 2006). Resta indubbio che l’introduzione della tecnologia 5G possa rappresentare un fattore tecnologico determinante per lo sviluppo di questa tecnologia anche nel monitoraggio automatico.

Radar

Tra i sensori afferenti alla geomatica dobbiamo annoverare anche il radar. Dapprima si sono affermati sul mercato l’impiego dei SAR satellitari che, come noto sono in grado di raggiungere accuratezze millimetriche. I vantaggi di questi sensori sono l’alta precisione e la possibilità di misurare qualsiasi struttura purché sia all’interno della copertura definita dalle traiettorie orbitali del satellite. D’altra parte, esistono anche delle limitazioni. In primo luogo, non tutti i punti sono idonei a riflettere il segnale radar e pertanto solo alcuni punti (permanent scatter) sono naturali punti di monitoraggio. Inoltre, la frequenza di misura è piuttosto bassa. Oggi è possibile arrivare solo a 8 giorni (con il satellite Cosmo-SkyMed dell’Agenzia Spaziale Italiana), anche se incrementata rispetto agli anni precedenti in cui si registravano misure con frequenza mensile o bisettimanale.

La interferometria terrestre, evoluzione di quella satellitare, rappresenta invece una interessantissima nuova tecnologia per il monitoraggio delle strutture. Il radar infatti è impiegato sia per i monitoraggi statici che dinamici. Per quanto attiene il monitoraggio statico, a seconda delle distanze del sensore dalla struttura è possibile raggiungere precisioni dal decimo, al centesimo di millimetro e le applicazioni si stanno sviluppando in numerosi contesti di misura e controllo.

Il monitoraggio di una diga ad esempio con tecniche radar, [Rocca et alii, 2017], confrontato con metodi e tecniche tradizionali, ha permesso di evidenziare variazioni sub-millimetriche della struttura e una miglior comprensione e interpretazione del fenomeno oggetto di studio [Tarchi et alii, 1999].

[...] l'articolo continua con la criticità nell'integrazione dei dati di monitoraggio e un nuovo paradigma per la loro integrazione

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