Monitoraggio Strutturale Dinamico di un Ponte Autostradale

Sotto il ponte principale di Tomačevo c'è un piccolo mondo luogo per passeggiate con il cane o per un po' di jogging. Numerosi murales coprono i pilastri del ponte. È qui che i ragazzi di Cestel hanno un compito da svolgere.

Cestel  è un'azienda con sede in Slovenia e leader mondiale nella pesatura dinamica (weigh-in-motion o WIM) ad alta velocità, analisi del traffico e valutazione della salute strutturale dei ponti. Nel 2022, l'azienda ha avviato un progetto di ricerca innovativo sul monitoraggio della salute strutturale dei ponti. Questo progetto utilizza un approccio dinamico per comprendere le prestazioni dei ponti nel tempo. Cestel identifica lo stato del ponte analizzando la correlazione tra la risposta strutturale - come frequenze naturali, forme modali e rapporti di smorzamento - ed i dati relativi al carico di traffico registrato. 

Matija Mavrič, responsabile delle vendite e del marketing presso Cestel, afferma: "Ci sforziamo sempre di apportare miglioramenti e stiamo sviluppando nuove applicazioni per potenziare la tecnologia esistente e la sua utilità. La nostra soluzione diagnostica Bridge WIM sarà unica. Oltre a fornire informazioni sulle vibrazioni, i movimenti del ponte, le crepe e gli effetti meteorologici, fornisce anche informazioni sul peso dei camion sul ponte."

I ponti si stanno invecchiando in tutto il mondo ed i proprietari dei ponti si stanno chiedendo se siano ancora sicuri. Per questo motivo, il monitoraggio permanente della salute strutturale diventa essenziale. I sistemi di monitoraggio della salute strutturale si basano di solito sull’insieme di vari sensori e dispositivi:

• Dispositivi di acquisizione dati (DAQ).

• Sensori (accelerometri, sensori di temperatura, estensimetri, sensori di vento, ecc.).

• Software per calcolare e presentare i dati raccolti.

A seguito di alcuni tragici crolli di ponti negli ultimi anni, la questione sta diventando una priorità  a livello mondiale. L'Unione Europea ha avviato il progetto BIM4CE - Monitoraggio di ponti utilizzando dati in tempo reale  per l'Europa Centrale. Il progetto fa parte di Interreg, un'iniziativa europea transfrontaliera per lo sviluppo regionale in nove Stati membri dell'UE: Austria, Croazia, Repubblica Ceca, Germania, Ungheria, Italia, Polonia, Slovacchia e Slovenia.

Il problema

La manutenzione regolare dei ponti riveste un ruolo fondamentale per garantire la sicurezza e la longevità dei ponti. Ignorare la manutenzione può portare a difetti strutturali ed altri problemi che mettono a rischio l'integrità del ponte ed aumentano il rischio di crolli. Per evitare situazioni catastrofiche, è essenziale effettuare ispezioni e monitoraggi periodici che permettano di individuare ed affrontare i problemi prima che diventino critici e potenzialmente catastrofici.

I crolli dei ponti possono essere causati da una combinazione di fattori, tra cui manutenzione insufficiente, invecchiamento strutturale, difetti di costruzione o progettazione, errori di produzione e problemi strutturali imprevisti. In altri casi, i crolli avvengono a causa di incidenti, incendi o fenomeni naturali come alluvioni o terremoti. 

Alcuni recenti crolli di ponti

I crolli dei ponti sono eventi pericolosi che possono provocare gravi conseguenze, come feriti, perdite di vite umane e danni alle proprietà e all'infrastruttura circostante. Pertanto, è di vitale importanza garantire la sicurezza dei ponti e prevenire il verificarsi di crolli attraverso una corretta progettazione, costruzione e manutenzione.

Un approccio rigoroso nella fase di progettazione, con particolare attenzione alla qualità dei materiali.

Ecco alcuni esempi recenti di crolli di ponti:

• Morbi, India (2022) - Ad ottobre, un ponte pedonale,  sospeso con cavi centenario che attraversa il fiume Machchhu, è crollato, causando la morte di 135 persone ed il ferimento di molte altre.

• Øyer, Norvegia (2022) - Ad agosto, il ponte di Tretten che porta la strada provinciale 254 sul fiume Gudbrandsdalslågen è crollato dopo solo dieci anni e due mesi di utilizzo.

• Weymouth, Regno Unito (2020) - A giugno, un ponte pedonale di 90 anni è crollato, facendo cadere alcune persone nell'acqua sottostante. Fortunatamente, nessuno è rimasto gravemente ferito.

• Mirepoix-sur-Tarn, Francia (2019) - A novembre, un ponte sospeso per pedoni e biciclette sul fiume Tarn è crollato, causando la morte di due persone. Al momento del crollo, un camion che superava il limite di peso stava attraversando il ponte.

• Nanfangao, Taiwan (2019) - Ad ottobre, il ponte di Nanfangao è crollato, causando la morte di sei persone ed il ferimento di diverse altre. Il crollo ha causato significativi disagi all'industria della pesca locale.

• Mumbai, India (2019) - A luglio, una porzione del ponte Gokhale è crollata durante forti piogge, causando la morte di due persone ed il ferimento di diverse altre. Il crollo ha causato significativi disagi al traffico.

• Venezia, Italia (2018) - Ad ottobre, una porzione dello storico Ponte Morandi è crollata, ma fortunatamente nessuno è rimasto ferito.

• Genova, Italia (2018) - Il Ponte Morandi è crollato ad agosto, causando la morte di 43 persone. Il crollo ha causato significativi disagi al traffico ed ai trasporti.

• Miami, USA (2018) - A marzo, un ponte pedonale in costruzione presso la Florida International University a Miami è crollato, causando la morte di sei persone ed il ferimento di diverse altre.

Questi incidenti dimostrano i potenziali pericoli dei crolli dei ponti e la necessità di regolari ispezioni, manutenzione ed investimenti nell'infrastruttura per garantire la loro sicurezza.

Il Ponte di Tomačevo

Il Ponte di Tomačevo è un ponte a due corsie che si estende sul fiume Sava. Fa parte della strada n. 104, una delle autostrade più utilizzate tra Ljubljana ed i sobborghi settentrionali. Il ponte è composto da due strutture separate. Ci sono due corsie in ogni direzione. Viene attraversato ogni giorno da migliaia di pendolari e veicoli pesanti che trasportano merci e beni dalle aree industriali alla capitale.

Costruito nel 1982, il ponte di cemento armato è una struttura imponente con sette campate ed una lunghezza di 204 metri. Ogni struttura larga 11 metri, ospita due corsie per il traffico veicolare, un marciapiede ed una pista ciclabile. Dal punto di vista strutturale, il ponte è composto da:

•  Otto file di piloni in cemento.

•  Una soletta in cemento.

•  Due travi in cemento.

•  Un marciapiede.

•  Un parapetto.

Strumentazione del ponte

Il monitoraggio dei ponti offre diversi vantaggi che contribuiscono a garantire la sicurezza e la longevità delle strutture. Ecco alcuni dei principali vantaggi:

• Rilevamento precoce di problemi strutturali: La scoperta di eventuali problematiche strutturali prima che diventino gravi consente agli ingegneri di intervenire correttamente prima che il problema si aggravi.

• Miglior pianificazione della manutenzione: I dati raccolti aiutano gli ingegneri a stabilire priorità per le attività di manutenzione, assicurando un uso efficace delle risorse.

• Maggiore sicurezza: Il monitoraggio consente di individuare potenziali pericoli per la sicurezza prima che diventino critici.

• Risparmi economici: Rilevando i problemi in fase iniziale, gli ingegneri possono intervenire prima che le riparazioni diventino più costose.

• Miglior raccolta ed analisi dei dati:  I dati raccolti sulle prestazioni e sul comportamento del ponte aiutano a migliorare le tecniche di progettazione e costruzione per progetti futuri.

In generale, il monitoraggio dei ponti è uno strumento importante per garantire la sicurezza e la longevità delle infrastrutture. Fornisce preziose informazioni che possono aiutare a migliorare la progettazione e la costruzione dei futuri progetti infrastrutturali.

La soluzione diagnostica strutturale Bridge WIM è un nuovo concetto che unisce i sensori WIM e gli accelerometri MEMS a tre assi e basso rumore.

Il cuore strumentale di questo nuovo concetto di monitoraggio dei ponti è il sistema Cestel SiWIM di pesatura dinamica dei ponti (WIM) in combinazione con gli accelerometri triassiali Dewesoft. L'idea è identificare dinamicamente lo stato del ponte in base alla correlazione tra la risposta strutturale ed il carico di traffico rilevato. Oltre ai carichi dei veicoli, vengono monitorati anche diversi altri parametri:

• temperature,

• deformazioni,

• velocità del vento,

• spostamenti verticali.

Abbiamo installato il sistema di monitoraggio della dinamica strutturale e del peso su una delle due direzioni del ponte, sotto le corsie che vanno in direzione di Ljubljana.

I Sensori

SiWIM is a fully portable Weigh-in-Motion system (WIM). The WIM technology enables weighing vehicles while in motion - in free-flow traffic. It offers a non-intrusive and efficient method for collecting data on vehicle weights and traffic patterns. It is used to support a range of transportation and infrastructure management applications. 

This technology involves the installation of sensors on the bottom side of the bridge. These can measure the dynamic tire loads of vehicles passing, and the measurements enable the calculation of the vehicle weights.

Bridge-WIM systems (B-WIMs) apply for various purposes, including commercial vehicle enforcement, traffic data collection, and pavement & bridge management. In commercial vehicle enforcement, B-WIM systems can identify overweight or overloaded vehicles, which can cause damage to roadways and bridges and pose a safety risk to other drivers. The system, combined with a camera, provides overview photos of heavy vehicles, including license plate detection and recognition. 

I dati sul traffico raccolti dai sistemi WIM possono fornire informazioni preziose sui modelli di traffico veicolare, supportando la pianificazione e la gestione del trasporto. Infine, i dati WIM consentono di valutare le condizioni strutturali delle infrastrutture e di individuare le aree che necessitano di manutenzione o riparazioni.

Il sistema SiWIM generalmente misura  le deformazioni sulle principali parti longitudinali del ponte per fornire registrazioni che descrivono il comportamento della struttura sotto il carico veicolare in movimento. I sensori a strisciamento SiWIM ST-504 installati sul fondo delle superfici stradali del ponte forniscono le misure. Nessuna parte del sistema è visibile sulla superficie stradale, il che lo rende discreto e non invasivo per il traffico veicolare.

IOLITEiw-3xMEMS-ACC è un accelerometro triassiale a basso rumore con una densità di rumore spettrale di 25 μg√Hz. È dotato di un’interfaccia integrata DAQ ed EtherCAT. Il dispositivo è completamente impermeabile e possiede una protezione IP67. Questo device può misurare accelerazioni strutturali lungo gli assi X, Y e Z, nonché inclinazioni statiche e spostamenti.

Cestel utilizza un Deflection Multi Meter (DMM) per misurare la deflessione verticale di un ponte in tempo reale, con una frequenza di campionamento di 10 Hz. Il sistema si basa su un livello di riferimento ottico creato da un laser ed un bersaglio. Il laser è montato su una superficie stabile, non in movimento, mentre il bersaglio è il punto in cui si desidera misurare la deflessione. Il DMM ha un intervallo di misura di 160 mm, una risoluzione di 0,5 mm ed è in grado di misurare distanze fino a 350 metri.

Il Deflection Multi Meter (DMM) è un innovativo dispositivo di misura del livello progettato per il monitoraggio delle condizioni di grandi strutture portanti, come i ponti.

Il dispositivo di misura si basa sull’uso di un laser piatto, nel nostro caso il Leica Rugby 830. Combinato con le unità DMM, misura la deflessione di una struttura da diversi punti. La misura in tempo reale lo rende unico rispetto ad altri metodi di misura. Il device DMM è adatto per misurare la deflessione di un ponte durante un carico di prova o per il monitoraggio a lungo termine della struttura.

I sensori del DMM sono collegati in serie e letti da un computer tramite un cavo RS-485, che fornisce anche la tensione di alimentazione del sistema. Questo è possibile grazie all’uso del protocollo MODBUS, che facilita il trasferimento dei dati e consente alle unità DMM di connettersi ad altri sistemi di misura. I risultati possono essere visualizzati con qualsiasi programma di misura in grado di lavorare con il protocollo MODBUS.

Le unità DMM possono essere fissate alla struttura con morsetti o magneti, rendendo l'installazione rapida e flessibile in diverse applicazioni.

Per monitorare le temperature ambientali e dell'asfalto, vengono installati sensori di temperatura PT100 nell'asfalto e sotto il ponte.

Software di monitoraggio

La soluzione si basa su una combinazione di diversi prodotti software:

• SiWIM è un sistema per la raccolta di dati sul traffico. Utilizza la linea di influenza effettiva del ponte e le distribuzioni del carico per convertire i carichi del traffico in effetti di carico e gli assi in momenti e forze di taglio.

• DewesoftX è un software di acquisizione di test e misure che consente di elaborare il segnale, registrare i dati, analizzarli e visualizzarli in modo efficace. 

• Dewesoft Historian è un servizio software di database per il monitoraggio a lungo termine e/o permanente dei dati. Utilizza un database InfluxDB a serie temporali per archiviare in modo efficiente i dati raccolti nel tempo.

• Dewesoft Artemis OMA è una suite software specializzata nell'analisi della dinamica strutturale. È particolarmente utile per studiare le strutture di ingegneria civile e le macchine in funzione, nonché altre strutture difficili da eccitare in modo controllato. Con questo software, è possibile determinare importanti parametri modali, come le forme modali, le frequenze naturali ed i rapporti di smorzamento, basandosi solo sui dati di risposta in uscita.

Configurazione del sistema di misura

I sensori di temperatura PT100 si collegano all'IOLITEi-1xSTG. L'IOLITEi-1xSTG è un sistema di condizionamento del segnale multipurpose basato su EtherCAT. Ha la capacità di acquisire segnali da diversi tipi di sensori, come quelli di tensione, corrente ed i sensori di ponte intero, semiponte e quarto ponte. Inoltre, è dotato di eccitazione regolabile per tensione e corrente, fornendo un'adeguata alimentazione per i diversi sensori.

Gli amplificatori IOLITEi-1xSTG sono anche impiegati per collegarsi ai sensori di carico SiWIM ST-504 a ponte intero.

Per misurare le accelerazioni, il sistema utilizza sensori MEMS capacitivi triassiali a bassa densità di rumore. Questi sensori  sono incorporati nel device EtherCAT IOLITEiw-3xMEMS-ACC.

Un microprocessore all'interno del dispositivo IOLITE si occupa di trasmettere i campioni. Questi campioni vengono inviati al software DewesoftX, che opera su Windows, o a qualsiasi controller che esegue un EtherCAT master su qualsiasi piattaforma. Nel caso specifico del sistema SiWIM, il software DewesoftX comunica con esso per ricevere i dati delle accelerazioni rilevate.

Il sensore DMM emette un segnale MODBUS. Quest’ultimo è direttamente collegato al software DewesoftX tramite un plugin specifico chiamato Dewesoft-Modbus-Client.

I dati elaborati dai sistemi DewesoftX e SiWIM vengono inviati al database Dewesoft Historian. Successivamente, viene utilizzato un client di monitoraggio (Grafana) per creare dashboard di alto livello che mostrano i dati monitorati, tra cui:

• Temperature

• Carichi di traffico

• Accelerazioni

• Spostamenti verticali

Questo software è basato sul web ed è multi-piattaforma, quindi è accessibile da qualsiasi sistema.

I dati grezzi sull'accelerazione provenienti da DewesoftX vengono inviati tramite FTP( File Transfer Protocol) a Dewesoft Artemis. Dewesoft Artemis è un software specializzato nell'OMA (Operational Modal Analysis), ovvero l'analisi modale operativa, e nel rilevamento dei danni strutturali in tempo reale.

Per garantire un'adeguata alimentazione al sistema, sono presenti due batterie Li Fe da 300 Ah e quattro pannelli solari da 150 W.

Posizioni dei sensori

Le grandi strutture come i ponti presentano diverse sfide nella scelta, nel posizionamento e nell’installazione dei sensori per il monitoraggio strutturale:

• La posizione ed i tipi di sensori vengono selezionati in base alla progettazione del ponte ed al suo stato attuale.

• Il posizionamento dei sensori è complicato. Di solito, l'installazione viene effettuata sotto il piano del ponte o, in alcuni casi, incorporata nel piano dei ponti o dei piloni o in altri elementi.

• Il percorso dei cavi è difficile a causa delle altezze e delle lunghe distanze.

• Le condizioni ambientali possono essere impegnative.

L'azienda italiana ESSEBI opera nel campo della diagnostica e del monitoraggio strutturale da oltre 30 anni. La sua principale attività è l'implementazione di analisi modali operative, cioè di tipo output-only, che vengono effettuate sin dalle prime applicazioni. Oggi, ESSEBI collabora attivamente con Dewesoft come integratore di progetto, fornendo un supporto significativo per molte installazioni di monitoraggio della salute strutturale (SHM - Structural Health Monitoring) distribuite in tutta Italia.

In questo progetto, ESSEBI ha fornito consulenza sulla selezione dei trasduttori e sulla configurazione dei punti di misura, come rappresentato nella Figura 10. Particolare attenzione è stata dedicata all'integrazione tra SHM e WIM (Weigh-in-Motion - pesatura dinamica).

ESSEBI sta sviluppando algoritmi di correlazione per i due tipi di misura. Utilizzando due dei programmi di estrazione delle forme modali più popolari, Simcenter Test Lab ed Artemis, l'azienda ha eseguito tre analisi modali "double-blind" del ponte in diversi periodi. Queste analisi hanno evidenziato una variabilità a bassa frequenza legata alla temperatura, che risulta essere significativa e necessita di monitorare nel tempo per valutare la manutenzione della struttura.

Complessivamente, Cestel ha installato i seguenti sensori:

• Sensori SiWIM ST-504.

• Un deflection multi-meter (DMM).

• 14 accelerometri IOLITEiw-3xMEMS-ACC.

• 5 dispositivi IOLITEi-1xSTG: tre unità per gli ST-.504 e due unità per i sensori di temperatura.

Per garantire una comunicazione efficiente e una sincronizzazione accurata dei dati, i dispositivi IOLITE sono collegati in cascata tramite un cavo di rete Ethernet standard. Il protocollo EtherCAT consente una distribuzione semplice dei device su lunghe distanze. La distanza massima tra i dispositivi è di 50 metri l'uno dall'altro, ma con il protocollo EtherCAT, un solo cavo è sufficiente per trasportare sia il segnale dei sensori,sia l’alimentazione e la sincronizzazione.

La comunicazione EtherCAT tra i dispositivi garantisce una sincronizzazione di 1 microsecondo tra i campioni acquisiti dai diversi dispositivi nella catena. Indipendentemente dalla distanza tra i dispositivi, la precisione della sincronizzazione rimane costante.

L'installazione dei sensori ed il posizionamento dei cavi è stata effettuata dal personale esperto di CESTEL. Per raggiungere i luoghi più scomodi è stata utilizzata una piattaforma elevatrice.

Monitoraggio e Misure

I risultati del monitoraggio, inclusi carichi, accelerazioni, deflessioni e temperature, vengono presentati tramite l'interfaccia web Dewesoft Grafana.

Il 9 marzo 2023, un camion a 13 assi di oltre 200 tonnellate ha attraversato il ponte intorno alle 20:02. Ciò ha causato una deflessione del ponte di circa 3,6 mm.

Il sistema è in grado di eseguire automaticamente l'OMA (Operational Modal Analysis). I dati acquisiti sono accessibili in remoto tramite interfacce del browser web appositamente sviluppate a tale scopo. Queste interfacce permettono di visualizzare informazioni sulle forme modali, sulle frequenze naturali e sui rapporti di smorzamento, nonché deviazioni dai valori normalizzati.

Conclusioni

CESTEL ha avviato un progetto di ricerca innovativo per identificare dinamicamente lo stato del ponte correlando la sua risposta strutturale con il carico del traffico. A tale scopo, sono stati installati diversi sensori sul ponte, tra cui SiWIM, accelerometri, estensimetri e sensori di temperatura.

L'installazione dei sensori è stata agevolata grazie all'utilizzo di collegamenti in cascata con un singolo cavo. Il sistema archivia i dati nel Dewesoft Historian e li rende disponibili nell'interfaccia web Dewesoft Grafana. Per fornire ulteriori informazioni interpretative, il sistema esegue l'OMA in tempo reale.

Per noi, il progetto di ricerca significa lo sviluppo e la sperimentazione di vari sensori e software. Nella fase finale, offrirà al mercato una soluzione unica per il monitoraggio strutturale online dei ponti in correlazione con i carichi degli assi del flusso di traffico. Le soluzioni di monitoraggio della salute strutturale Dewesoft, compresi i sistemi DAQ ed il software, ci hanno aiutato a configurare rapidamente un sistema demo funzionante ed accelerare le nostre ricerche. Ottimi strumenti!