Misure dinamiche su ponti sospesi

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La Carretera Austral, che si traduce generalmente come Southern Highway, è la spina dorsale della regione di Aysén, nel Cile meridionale. Nota per i suoi paesaggi spettacolari e il clima particolarmente rigido, è una grande attrazione turistica per avventurieri internazionali e locali. 

L'autostrada corre a sud da Puerto Montt a Villa O'Higgins per circa 1.240 chilometri, attraversando la Patagonia rurale. Queste aree sono scarsamente popolate, eppure, senza la Carretera, i suoi residenti non avrebbero nessuna connessione terrestre con il nord del paese. 

La Carretera è caratterizzata dall’avere grandi ponti sospesi. Ciò è dovuto da un lato all’ asprezza dei territori che attraversa e dall’altro dalla presenza di grandi fiumi che, a differenza di quelli presenti nel nord del paese, sono caratterizzati da una portata d'acqua notevole durante tutto l’anno.

La maggior parte delle infrastrutture della Carretera Austral è stata costruita o ampliata negli anni '90. Erano pertanto necessarie un'ispezione ed un'analisi approfondite. Per valutare lo stato attuale dei principali ponti sospesi della regione di Aysén, il Ministero dei Lavori Pubblici (MOP) sta assumendo aziende private, tramite gare pubbliche, per ispezionare, testare e verificare i loro progetti.

In base a questo piano, il MOP ha affidato alla grande impresa di costruzioni stradali R&Q la valutazione dei ponti Palena e Rosselot nei pressi della città di La Junta. A sua volta, R&Q ha assunto COWI per la valutazione del progetto strutturale, la MRH per l'ispezione e la HochBau per le misure dinamiche durante le prove di carico.

I ponti sospesi

Il Palena e il Rosselot sono ponti sospesi, con campate libere lunghe rispettivamente 150 e 130 m, e hanno due torri metalliche, che sostengono i cavi. I loro impalcati in cemento armato sono supportati da aste verticali che pendono dai cavi principali. Gli impalcati sono irrigiditi da due capriate metalliche laterali alte 2,1 m.

I lavori di ispezione hanno rilevato numerose fratture in prossimità dei collegamenti delle capriate di irrigidimento e diversi altri difetti. Inoltre, a differenza della maggior parte dei ponti sospesi, gli impalcati hanno diversi giunti di dilatazione lungo la loro campata, che sono risultati essere irregolari e con i bordi usurati.

Nell'ambito delle prove di carico effettuate sui ponti, HochBau è stata incaricata di misurare la risposta dinamica dei ponti. Le prove sono state effettuate con un autocarro a tre assi da 23 tonnellate.

Sono state definite tre prove:

1. Prove di carico statico:  il camion è parcheggiato a ¼, ½ e ¾ della campata del ponte e viene misurata la deflessione dei ponti.

2. Test di carico dinamico: il camion supera il ponte in entrambe le direzioni a 5 km/h, 15 km/h e 25 km/h mentre vengono effettuate misure dinamiche. La risposta dinamica viene registrata durante questi test.

3. Misure delle vibrazioni ambientali: le risposte dei ponti sono registrate sotto eccitazione ambientale (vento, fiume, poco traffico, ecc.). I risultati vengono utilizzati per determinare le frequenze naturali e le forme modali (OMA).

Difficoltà - Misure sotto la pioggia

Le misure durante le prove di carico dinamico e le misure delle vibrazioni ambientali sono state eseguite dalla HochBau. È stato concordato con il cliente di utilizzare un totale di sei punti di misura dell'accelerazione, su entrambi i lati di ¼, ½ e ¾ della campata dei ponti. Le direzioni verticale e trasversale dovevano essere misurate in tutti i punti, e la direzione longitudinale in almeno 2 punti, costituendo almeno 14 canali.

Diversi ostacoli dovevano essere superati per il successo di questa impresa, in particolare:

1. Posizione geografica: La giunta dista 1415 km da Santiago, la capitale del Cile. Tutti i sistemi di misura, gli strumenti e l’attrezzatura dovevano essere portati lì in auto. Era necessaria una pianificazione meticolosa; se qualcosa fosse rimasto indietro, non saremmo stati in grado di trovarlo ad Aysén.

2. Tempi stretti: la consegna dell'hardware richiede tempo. La consegna nel bel mezzo di una pandemia, di una carenza di chip e di barre di alluminio richiede ancora più tempo. Avendo solo due mesi di preavviso dall'esecuzione dei lavori in loco del progetto, i tempi erano veramente stretti.

3. Struttura flessibile: dal punto di vista tecnico, è stato necessario decidere quale tecnologia di sensori utilizzare; Piezoelettrico, MEMS o Force Balance? Pur non conoscendo le frequenze naturali più basse dei ponti, l'intuizione e l’esperienza hanno suggerito che dovessero essere ben al di sotto di 1 Hz.

4. Lunghezza del ponte: i ponti non hanno berma, quindi, nessun posto sulla struttura adatto ad ospitare una persona per registrare e monitorare le misure. La lunghezza dei ponti significava cavi lunghi. Se si fossero utilizzati cavi analogici, i DAQ avrebbero dovuto essere avvicinati ai sensori, ma poiché il cavo più corto avrebbe potuto superare i 40 m non era la scelta più appropriata per l’analisi in questione.

5. Tempo di installazione:  Il sistema di misura doveva essere installato e pronto per la misura in breve tempo, lo stesso giorno in cui si sarebbero svolte le prove di carico. La preinstallazione del sistema non era un'opzione, poiché la possibilità che l'apparecchiatura o i cavi venissero rubati era reale (almeno qui in America Latina).

6. Il tempo!!!: Il Cile è conosciuto come un paese in gran parte arido; ospita anche il deserto più arido del pianeta. Ma nonostante questo, la regione di Aysén compete con alcune delle regioni più piovose del mondo. Anche se lì piove tutto l'anno, i test sono stati effettuati a luglio, nel pieno dell'inverno sudamericano. Forti precipitazioni e temperature prossime allo zero erano garantite.

Adatto a condizioni difficili

Tenendo conto di tutti gli aspetti sopra menzionati, è stato necessario prendere alcune decisioni, sia pratiche che tecniche. Gli accelerometri dovevano avere una componente DC (cioè 0 Hz), a causa delle basse frequenze da misurare, quindi i sensori piezoelettrici sono stati scartati come opzione. 

Tra i sensori MEMS e i Force Balance, quest'ultimo offre una gamma dinamica molto più elevata e sarebbe stata la nostra prima scelta se avessimo misurato un edificio molto alto o isolato dalla base. Tuttavia, per i test dinamici, sono adatti entrambi. Ma il rapporto segnale/rumore sarebbe stato sufficiente per le misure delle vibrazioni ambientali? 

Per questa campagna, sapevamo che l'eccitazione ambientale esterna sarebbe stata abbastanza grande, anche per la gamma dinamica di 90 dB dei MEMS. In aggiunta, c'era il problema del cablaggio. Se fossero stati utilizzati sensori analogici, i DAQ avrebbero dovuto avvicinarsi ai sensori; avere 14 cavi di lunghezza compresa tra 45 e 105 m non era un'opzione sia per il costo sia per il rumore aggiuntivo che i cavi avrebbero provocato nei segnali misurati.

Fortunatamente, era a portata di mano una soluzione di misura pratica ed economica. L' IOLITE 3xMEMS-ACC combina un accelerometro MEMS triassiale a basso rumore e un modulo ADC (ovvero DAQ locale) in un unico dispositivo compatto e pratico. Poiché le grandezze misurate sono digitalizzate nel sensore, i dati in output sono inviati digitalmente attraverso il protocollo EtherCAT tramite cavi ethernet (CAT5e o CAT6).

Il protocollo EtherCAT ha il vantaggio della sincronizzazione inerente al tempo tra tutti i sensori e consente anche di collegare i sensori in serie o in diramazioni parallele, utilizzando uno switch EtherCAT Beckhoff. Inoltre, i sensori supportano il Power Over Ethernet (PoE), che consente di alimentare il sensore attraverso lo stesso cavo che trasporta i dati richiesti, senza dover alimentare ogni singolo sensore su cavi lunghi.

Ma a completare tutto questo e direzionare la scelta verso l'utilizzo di questi sensori, è stato il fatto di poter inglobare ogni sensore all’interno di un case dedicato in alluminio con grado di isolamento IP67 ! Per essere a tenuta stagna, è necessario che il cavo di rete venga fatto passare attraverso i pressacavi a tenuta stagna prima di crimpare il connettore RJ45. Quindi è possibile chiudere il coperchio della custodia in alluminio.

Ora, restava il problema della consegna/catena di fornitura? I tempi di fabbricazione e consegna di Dewesoft, con un preavviso così breve, consentivano solo la consegna di tre MEMS impermeabili. Fortunatamente, il nostro fornitore locale Varitec ci ha noleggiato tre MEMS indoor.

A quel punto ci siamo concentrati su due soli problemi:

• come impermeabilizzare i tre MEMS indoor e 

• come evitare l'apertura e la crimpatura in loco dei cavi ethernet dei tre MEMS impermeabili? 

Quest'ultimo punto, in particolare, avrebbe richiesto molto tempo sul posto! Bene, abbiamo dovuto fare affidamento alle tecniche della vecchia scuola, avvolgendo i MEMS interni in uno strato di plastica e pre-installando cavi Ethernet da 30 cm sui MEMS impermeabili.

Il collegamento con i cavi più lunghi è stato quindi effettuato tramite accoppiatori RJ45. A causa della rugosità dell'impalcato in cemento, i MEMS sono stati fissati a spesse piastre di acciaio che sono state imbullonate all'impalcato del ponte.

Detto questo, mancava solo il layout del sistema. Insieme all'area di supporto tecnico di Varitec, è stata scelta un'architettura a catena su una linea CAT6 di 250 m, poiché in questo modo sarebbe stato necessario solo un PoE e nessuno switch EtherCAT.

La figura 7, di seguito, mostra dove si trovavano i sensori e come sono stati disposti i cavi, prendendo come esempio il ponte Palena. Il cavo è stato attraversato dal terzo al quarto MEMS attraverso i giunti di dilatazione. Il software di misura doveva risiedere su un notebook in un luogo asciutto e sicuro, quindi un'auto (SUV) è stata parcheggiata vicino agli ingressi dei ponti (stazione di controllo) da dove è stato alimentato anche il sistema tramite un generatore mobile a benzina.

Ma c'era ancora un ultimo problema. Dall'auto, l'ingegnere non avrebbe avuto la giusta visibilità dell'impalcato del ponte, con il potenziale problema di lavorare alla cieca senza vedere il passaggio del camion, ma basandosi solamente sulla comunicazione radio dei colleghi. Pertanto, una webcam USB è stata posizionata agli ingressi dei ponti ed integrata nell'ambiente  DewesoftX. La distanza di 15 m dai ponti è stata superata con un extender USB su Ethernet.

I problemi e i risultati delle misure

Come accennato in precedenza, sono state effettuate misure del camion in movimento a diverse velocità, con l’aggiunta di acquisizioni dati dedicate alle sole vibrazioni ambientali.

Le misure durante le prove di carico dinamico hanno mostrato che i valori RMS della risposta dei ponti aumentano linearmente con la velocità e sono maggiori in direzione verticale (circa 0,01 g a 25 km/h). Tuttavia si può anche osservare che durante il passaggio del camion si verificano sempre più urti, indipendentemente dalla velocità, con fattori di cresta fino a 14, arrivando fino a 0,15 g in direzione verticale e 0,06 g in direzione laterale.

Si è concluso, attraverso l'osservazione delle riprese sincronizzate della webcam, che gli impatti sono stati causati, o almeno amplificati, dai giunti di dilatazione irregolari e usurati.

Con le registrazioni della vibrazione ambientale, sono state determinate le frequenze naturali e le forme modali dei ponti. Il ponte Palena è stato usato come esempio, vedi figure 9-11. La prima forma modale orizzontale era molto inferiore rispetto a quanto ci si aspettava analizzando il modello strutturale agli elementi finiti, ma ciò era stato previsto quando sono state prese in considerazione le carenze strutturali identificate durante l'ispezione visiva.

Inoltre, è stato possibile identificare con chiarezza anche i primi tre modi verticali della struttura. Questi risultati sono stati un prezioso contributo per gli ingegneri strutturali per calibrare i loro modelli agli elementi finiti per ulteriori analisi e valutazioni di possibili opzioni di retrofit. 

Conclusioni

In conclusione, le campagne di misura possono variare notevolmente a seconda della località. Non appena entrano in gioco forti piogge, località remote, tutti i dettagli dell'architettura del sistema e della logistica necessitano di una cura ancora maggiore.

Le misure dinamiche delle prove di carico con l'autocarro hanno dimostrato di fornire un valido contributo agli ingegneri strutturali che valutano lo stato attuale dei ponti sospesi. Le possibili proposte di retrofitting (processo di correzione del modello FEM con i parametri ottenuti dalle acquisizioni) e la loro maggiore durata saranno valutate con un modello calibrato agli elementi finiti piuttosto che un modello puramente teorico, grazie ai dati acquisiti.

Questa campagna sul campo sottolinea l'importanza del monitoraggio dei ponti e di altre infrastrutture critiche. Con il decremento del costo della tecnologia e l'aumento della connettività, anche in località remote (parliamo di reti mobili 5G mobile networks e Starlink), puntiamo alla progettazione di Sistemi di Monitoraggio Strutturale (SHM) continui e permanenti per i ponti di oggi e di domani.

PS: un sistema ampliato comprendente estensimetri e sensori di temperatura RTD è stato recentemente utilizzato per le misure su altri due ponti sospesi, più in basso in Patagonia.