Monitoraggio strutturale dei ponti tramite accelerometri e analisi modale.

Il ponte Drinit a Kukës, in Albania, uno dei più grandi ponti ad arco d'Europa, necessitava di un monitoraggio avanzato per garantirne la stabilità in presenza di forti venti laterali.

Utilizzando una rete di accelerometri triassiali MEMS Dewesoft, sensori ottici di deformazione e trasduttori ambientali, gli ingegneri hanno implementato un sistema di monitoraggio continuo dello stato strutturale. Applicando algoritmi avanzati per ricavare lo spostamento dai dati di accelerazione, il team ha verificato un comportamento dinamico sicuro ed evitato la necessità di costosi smorzatori di massa sintonizzati.

Introduzione

A metà del 2024 è stata completata la costruzione di un ponte sospeso a Kukes, in Albania, il più grande dei Balcani. La sua lunghezza complessiva è di 300 metri ed è costituito da un arco biforcuto con 47 tiranti per lato, che sorreggono un impalcato formato da due travi longitudinali con una soletta in cemento armato sovrastante. L'impalcato, in tensione, annulla la spinta longitudinale dell'arco.

L'impresa costruttrice del ponte, SALILLARI LTD,  è stata fondata a Berat, in Albania, nel 1994. L'azienda di ingegneria è coinvolta in diversi progetti infrastrutturali di trasporto finanziati dalla Banca Islamica di Sviluppo e dal Governo Albanese, tra cui l'autostrada Durazzo-Rrogožinė, la strada Qukės-Qafė Pllošė, il tunnel Tirana-Elbašan (Tunnel di Krrabe) e altri.

Contemporaneamente, abbiamo installato un sofisticato sistema di monitoraggio composto da accelerometri triassiali, sensori ottici, trasduttori di temperatura e anemometri. Attualmente, il sistema è pienamente operativo e misura parametri cinematici e di deformazione, consentendo analisi modali periodiche per valutare il mantenimento della frequenza di vibrazione naturale.

Considerato che le indagini preventive nella galleria del vento hanno evidenziato la forte vulnerabilità della struttura a eccessivi spostamenti verticali sotto l'azione di sollecitazioni medio-laterali, piuttosto frequenti in quel sito, abbiamo prestato particolare attenzione a questo aspetto. In tal senso, abbiamo implementato algoritmi ad hoc che consentono di ottenere gli spostamenti dinamici tramite doppia integrazione numerica e di mantenerli sotto controllo, a partire dalle accelerazioni misurate.

L'operazione, apparentemente semplice in linea di principio, ha richiesto un notevole sforzo computazionale a causa dell'inevitabile rumore intrinseco della strumentazione utilizzata e delle bassissime frequenze coinvolte. Le prove di laboratorio ci hanno permesso di validare la qualità e l'affidabilità della metodologia adottata, che ci ha consentito di evitare l'utilizzo di costosi sistemi di smorzamento a massa accordata.

La sfida

Per conto di SALILLARI, ESSEBI Srl ha fornito e installato il sistema di monitoraggio strutturale.

ESSEBI è una società di ingegneria italiana specializzata in diagnostica strutturale, prove dinamiche e monitoraggio strutturale (SHM) di infrastrutture civili ed edifici. Fondata nel 1992 e con sede a Roma, l'azienda fornisce servizi di ingegneria basati su misure per valutare la sicurezza, il comportamento e le prestazioni a lungo termine delle strutture.

Il sistema di monitoraggio strutturale, prevalentemente dinamico, doveva essere conforme alle specifiche richieste dell'impresa di costruzione. Gli obiettivi erano:

• Una prima caratterizzazione dinamica durante le prove pre-apertura per determinare le frequenze naturali e lo smorzamento strutturale del ponte. In altre parole, definire una sorta di "carta d'identità" dinamica immutabile, che rimarrà invariata fino a quando non si verificheranno condizioni in grado di modificare la configurazione dei pesi o, peggio, l'assetto strutturale. Queste misure forniranno i dati necessari per valutare se lo smorzamento è sufficiente a garantire il comfort degli utenti o per determinare se sono necessari sistemi di smorzamento aggiuntivi (TMD). Per l'installazione di un TMD, lo stesso sistema di monitoraggio fornirà le misure dell'efficacia del sistema di smorzamento aggiuntivo.

• Il comportamento strutturale, in termini di risposta sforzo-deformazione, può essere monitorato in punti specifici mediante fibre ottiche.

• Dopo la caratterizzazione dinamica iniziale del ponte, il sistema di monitoraggio dinamico fornirà la risposta registrata a specifici carichi dinamici, ad esempio condizioni di vento forte, un evento sismico o un carico impulsivo.

• In condizioni normali, il sistema fornirà continuamente dati di acquisizione e memorizzazione per monitorare lo stato di salute del ponte nel tempo.

La struttura del ponte

Il ponte è costituito da tre campate: quella centrale, lunga 270 m, e le altre due alle estremità, lunghe 20 m (lunghezza totale 310 m). In cima all'arco, raggiunge un'altezza massima di 55 m. Queste dimensioni lo rendono uno dei più grandi ponti ad arco sospeso d'Europa.

Alle estremità, si divide in due rami che poggiano su pilastri in cemento armato, alcuni dei quali costruiti direttamente in acqua. L'impalcato ha una larghezza di 23 metri, suddivisa in due carreggiate, ciascuna con due corsie per senso di marcia. La struttura è in acciaio corten. È stata preassemblata a terra con il supporto di torri temporanee e varata in posizione mediante una chiatta per calcestruzzo che, a causa delle grandi dimensioni richieste, è stata costruita appositamente in loco.

Il peso totale della struttura è stimato in 5000 tonnellate. Nella parte centrale, l'arco è costituito da una sezione scatolare irrigidita di 2,9 m x 5 m, suddivisa alle due estremità in due cassoni quadrati di 2,9 m x 2,9 m che poggiano sui quattro vincoli di supporto (due per estremità). Attraverso aperture in prossimità dei supporti è possibile accedere all'interno dei cassoni, completamente ispezionabili anche grazie a speciali scale interne.

I tiranti sono funi di tipo Full Locked Coil (FLC) a diametro variabile, da 52 mm al centro della campata a 68 mm in prossimità dei supporti. L'impalcato a trave reticolare è costituito da due travi principali a doppia T composte da un'anima saldata a due flange di 29 cm di spessore, distanti 4,5 m l'una dall'altra. La soletta in cemento armato adiacente è collegata alle superfici superiori delle due flange di entrambe le travi tramite perni Nelson.

Le fasi costruttive si sono infine sviluppate in parallelo con il progetto esecutivo, aspetto cruciale in un territorio con pochissime aree idonee al preassemblaggio. Le fasi costruttive sono state ostacolate da problematiche di natura non tecnica, che non è opportuno trattare in questa sede. Successivamente, sono state coinvolte le due più importanti aziende italiane del settore metallurgico: MAEG Costruzioni SpA ha curato l'assemblaggio a terra, mentre Cimolai SpA si è occupata del varo.

Layout del sistema di monitoraggio

Sul ponte sono stati installati i seguenti trasduttori:

• 23 accelerometri MEMS triassiali, di cui sei (quattro sul ponte e due sull'arco) dotati di sensore di temperatura esterno;

• 4 trasduttori ottici nelle sezioni centrali delle travi longitudinali del ponte;

• 1 anemometro a ultrasuoni (con sensore di velocità e direzione).

I grafici nelle Figure 3 e 4 mostrano la loro posizione in pianta e il relativo cablaggio per il collegamento al pannello di controllo centrale (cablaggio digitale) e locale (cablaggio analogico).

Per facilità di rappresentazione, il piano è diviso in due parti: una di sinistra che parte dal centro e si estende verso il margine occidentale in direzione di Drini, e una di destra che parte dal centro e si estende verso il margine orientale in direzione di Kukes.

Tutti gli accelerometri posizionati sull'intradosso del ponte (n° 10) utilizzano un sistema di riferimento cartesiano ortogonale locale, in accordo con quello globale riportato nelle figure precedenti. Quelli installati all'interno dell'arco (n° 13) hanno invece l'asse x locale coincidente, ma con segno opposto, con l'asse z globale. Applicando la regola della mano destra, si determinano gli altri due assi: l'asse y locale si sovrappone all'asse y globale con segno opposto, e l'asse z si allinea perfettamente con l'asse x globale.

Le tre linee dorsali LAN sono costituite da cavi Ethernet CAT 6 con guaina corazzata (principalmente per contrastare l'attività dei roditori). I cavi Ethernet all'interno dell'arco sono liberi e fissati alle pareti con fascette. Per quanto riguarda il ponte, i cavi sono stati inseriti in canaline longitudinali lungo la soletta, utilizzando tubi corrugati posati prima del getto. In questo caso, sono state opportunamente disposte le scatole di derivazione.

I cavi Ethernet CAT 6 con guaina corazzata, principalmente per contrastare l'attività dei roditori, costituiscono le tre linee LAN. I cavi Ethernet all'interno dell'arco sono liberi e opportunamente fissati alle pareti con fascette. Per quanto riguarda l'impalcato, i cavi sono stati inseriti in canaline longitudinali lungo la soletta del ponte, utilizzando tubi corrugati posati prima del getto del calcestruzzo. In questo caso, sono state opportunamente disposte le scatole di derivazione.

I quattro cavi in ​​fibra ottica (OS_1…OS_4) sono stati installati al centro dell'impalcato, nella zona dell'intradosso, due per lato, precisamente in corrispondenza delle parti interne delle flange superiori e inferiori, per misurare il diagramma triangolare di deformazione. Come espressamente indicato dalla società madre, i cavi in ​​fibra ottica, che sono protetti con grado di protezione IP66, non sono stati incapsulati. L'unica precauzione adottata è stata l'inserimento di una guida anulare nel loro asse longitudinale per evitare eccessive scrostature e, di conseguenza, oscillazioni dei dati dovute all'azione del vento.

Catena di misura

Lo schema funzionale del sistema di monitoraggio in Figura 7 mostra il numero e le tipologie di trasduttori. L'architettura è a stella, con tre collegamenti a margherita che partono da un PC, ciascuno in configurazione a margherita.

Da un PC industriale con il software di gestione DewesoftX installato, alloggiato in un apposita cabina, si diramano tre linee Ethernet attraverso uno switch EtherCAT a sei porte (un ingresso dal PC e tre uscite per le tre catene di trasduttori), che, oltre a trasmettere il segnale, fornisce anche alimentazione.

Conformi agli standard IEEE 802.3af e 802.3at, i dispositivi PoE (Power over Ethernet) forniscono alimentazione collegandosi alla rete elettrica esterna. Li abbiamo posizionati all'inizio di ciascuna delle tre linee. Ciò consente ai cavi di segnale di svolgere una doppia funzione, ovvero di fornire alimentazione anche agli elementi di misura disposti in cascata. Dato il numero di moduli per linea (da 7 a 9) e la distanza tra di essi, è stato possibile utilizzare una singola porta PoE per ciascun modulo, il tutto alloggiato all'interno del pannello che ospita il PC.

Più che trasduttori, è più appropriato parlare di moduli accelerometrici, data la tipologia di dispositivi che compongono la catena. Oltre all'elemento sensibile per la misurazione della grandezza di interesse, i trasduttori Dewesoft IOLITEi3xMEMS integrano tutta l'elettronica per il condizionamento, l'amplificazione, la conversione A/D e, soprattutto, la sincronizzazione del segnale.

Tra il primo e il terzo modulo accelerometrico della linea 1, sempre con un'architettura di ingresso-uscita per riprodurre quanto avviene per i moduli stessi, è inserito un sistema di acquisizione dati a 16 canali (DEWESoft IOLITE 16x), che si riferisce a sei trasduttori analogici (4 fibre ottiche e un anemometro a ultrasuoni con i suoi due canali, uno per la velocità e l'altro per la direzione).

Risultati dei test

I 23 accelerometri installati, oltre a consentire il monitoraggio continuo delle ampiezze massime di accelerazione, permettono anche analisi modali operative periodiche (OMA) [1] per valutare la stabilità dei parametri dinamici e verificare lo stato di salute generale della struttura (SHM). Utilizzando l'algoritmo PolyMAX, operante nel dominio della frequenza e disponibile nel software Siemens TestLab [2], sono state identificate oltre 25 forme modali ben definite e distinte nell'intervallo da 0,5 a 2,5 Hz. La prima modalità flessionale è mostrata di seguito, con la sua inversione di curvatura sul ponte, dovuta alla particolare configurazione architettonica.

Le quattro stringhe ottiche poste al centro del ponte consentono la misurazione continua della deformazione termica stagionale, nonché di quella dovuta al traffico veicolare o alle condizioni del vento.

Le due stringhe ottiche posizionate all'intradosso mostrano una curva più spessa, a causa delle sollecitazioni derivanti dai transiti molto frequenti, essendo più distanti dall'asse neutro [3]. Le altre due risentono molto poco dei transiti e mostrano l'andamento della deformazione dovuto alla temperatura, sovrapposto all'andamento della temperatura stessa (ordinata secondaria).

Abbiamo inoltre implementato algoritmi di integrazione numerica per determinare gli spostamenti indotti dal vento laterale [4] e per confrontarli con i risultati decisamente allarmistici di precedenti prove in galleria del vento (CRIACIV di Prato, vicino Firenze). Gli spostamenti verticali massimi misurati in corrispondenza di venti laterali con velocità anche superiori a 20 m/s sono sempre risultati entro valori non superiori a 2 cm.

Conclusioni

Attualmente, il ponte Drinit di Kukës è dotato di un sistema di monitoraggio continuo che acquisisce e memorizza i valori di accelerazione in 23 punti strumentati e le deformazioni in 4 punti al centro dell'impalcato, insieme alle misure di velocità e direzione del vento.

Le diverse analisi modali operative effettuate hanno permesso di verificare la perfetta corrispondenza dei parametri modali con quelli derivanti dall'analisi FEM fornitaci dal progettista strutturale e, soprattutto, la loro immutabilità nel tempo. I sensori ottici garantiscono una variabilità di deformazione dell'impalcato estremamente costante, compatibile con le dilatazioni termiche diurne e stagionali.

In particolare, la misura continua degli spostamenti verticali dell'impalcato, la verifica che rimanessero entro un centimetro e la prevenzione di criticità aeroelastiche hanno permesso agli ingegneri di evitare l'utilizzo di costosi sistemi di smorzamento a massa accordata (TMD), che le prove in galleria del vento avevano suggerito essere quasi certamente necessari.

Bibliografia

1. Ewins, D.J.: Modal Testing. References Studies Press LTD. Baldock, Hertfordshire, England, 2000.

2. Heylen, W., Lammens, S., Sas, P.W., White, E.B.: Modal Analysis Theory and Testing. Katholieke Universiteit Leuven - Departement Werktuigkunde; 2003.

3. Hoffman, K.: An Introduction to Measurements using Strain Gages. Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH Darmstadt; 1987.

4. Prandtl L, Tietjens O.G.: Applied Hydro and Aeromechanics. Dover Publications Inc., New York, 1934.