DIAGNOSTICA STRUTTURALE

L’obiettivo del monitoraggio è indagare il comportamento reale delle opere (riducendo le incertezze derivanti dalle variabilità intrinseche nei materiali e nelle azioni) per ottimizzare gli interventi di manutenzione e di eventuale ripristino sulla base di dati oggettivi. Il controllo periodico in esercizio permette di definire un dedicato ed efficace piano di manutenzione.

Il sistema di diagnostica è basato sulla combinazione di modelli matematici e di un monitoraggio innovativo, diffuso e poco invasivo, in grado di fornire all’utente in tempo reale informazioni sullo stato della struttura e la sua evoluzione.

I parametri oggetto del monitoraggio sono legati all’evoluzione tenso-deformativa globale e delle caratteristiche dinamiche delle opere, a confronto in un approccio misto ‘Model Driven’ (soglie definite sulla base di modelli fisico-matematici strutturali tarati) e ‘Data Driven’ (soglie di anomaly detection per individuazione di trend sfavorevoli) per valutare l’eventuale insorgenza di fenomeni legati al danno. 
Il sistema di misura si avvale dell’utilizzo combinato della tecnologia MEMS e di un’architettura informatica su piattaforma Cloud o server locale capace di eseguire l’acquisizione automatica, l’elaborazione e la conservazione dei dati. L’ingegnere strutturista confronta le misure in campo dei parametri strutturali con i risultati attesi dal modello di calcolo agli elementi finiti della struttura, per determinare le soglie di attenzione e di allarme e per rilevare, mediante algoritmi avanzati, eventuali criticità strutturali. Al superamento di tali soglie critiche, o in caso di anomalie del comportamento strutturale, vengono attivate comunicazioni alle figure preposte dell’Ente Gestore.

Per il sistema di monitoraggio è stato sviluppato un protocollo di trattamento dati in grado di trasformare le letture provenienti dai sensori in dati “consistenti”, ovvero significativi per le successive fasi di modellazione numerica. La rete di raccolta e trasmissione dei dati è caratterizzata da acquisizione continua ed automatica delle letture derivanti dai sensori da parte di un Gateway, trasmissione ad intervalli di tempo prestabiliti di dati e di statistiche di sistema alla piattaforma Cloud per archiviazione e successiva elaborazione degli stessi. Nella piattaforma Cloud, il trattamento dei dati si articola in un processo di elaborazione, che comprende tutte le procedure di trattamento delle misure rilevate, al fine di ottenere un dato depurato da eventuali errori e/o influenze ambientali, con il quale poter operare analisi di tipo strutturale. Il dato elaborato è utilizzato dall’ingegnere per eseguire analisi matematiche e strutturali.

I dati provenienti dai sensori vengono archiviati su un database Cloud dedicato. Nell’infrastruttura Cloud vengono memorizzate tutte le informazioni tecniche caratterizzanti la struttura in esame, quali ad esempio la geometria, l’identificativo dei sensori, la disposizione dei sensori nella struttura, etc… Una volta raccolti i dati questi vengono elaborati e trasformati in dati “strutturali”. L’elaborazione dei dati comprende tutte le procedure di trattamento delle misure rilevate,

al fine di ottenere un dato depurato da eventuali influenze ambientali, con il quale poter operare analisi di tipo strutturale. In particolare, un apposito algoritmo elabora il dato grezzo, estraendo le letture dei sensori dal database, con una frequenza temporale prestabilita, e restituisce un set di dati preliminarmente trattati, che viene a sua volta archiviato sul database per essere successivamente utilizzato.

Per la determinazione del comportamento atteso dell’opera monitorata di tipo ‘Model Driven’, con cui confrontare i segnali ricevuti dal sistema di monitoraggio in campo, l’attività ingegneristica di post-processing strutturale consta nell’implementazione di un modello numerico ad elementi finiti della struttura. La modellazione è finalizzata ad individuare le deformazioni e lo stato tensionale iniziale, supposti presenti al momento dell’avvio delle attività e valutati sulla base delle informazioni relative a geometria, materiali e storia evolutiva dell’opera.

La validazione delle assunzioni teoriche effettuate avviene con opportuna taratura del modello di calcolo ad elementi finiti sviluppato (Model Updating), a cui riferire la valutazione dell’eventuale degrado futuro dei materiali o di eventuali dissesti occorrenti durante la vita in esercizio dell’opera. Confrontando i valori attesi dei parametri significativi monitorati ricavabili dal modello ad elementi finiti con i valori degli stessi parametri raccolti durante la prova di carico vengono tarate le rigidezze e le condizioni di vincolo del Digital Twin.

Il model updating avviene con continuità durante l’esercizio del sistema di monitoraggio.
L’attività di diagnostica e monitoraggio si basa infine sulla determinazione di soglie con cui vengono confrontate le misure collezionate. I livelli di soglia impostati sono funzione dei valori assunti dalle grandezze in misura (deformazioni, spostamenti, rotazioni, ecc.), differenziati per tipo e posizione di sensore all’interno delle diverse tipologie di struttura e/o elemento monitorati. 
Le soglie così definite, di riferimento per la struttura in analisi.

Per ottimizzare l’applicazione estensiva e diffusa sulle opere è possibile prevedere l’applicazione di un monitoraggio “leggero” a quegli elementi strutturali principali a cui può riferirsi il comportamento tipico della struttura oggetto di monitoraggio (es. in un viadotto di numerose campate similari, vengono monitorate alcune campate-tipo, rappresentative delle altre per geometria e schema statico); in questo caso la caratterizzazione strutturale eseguita su porzioni rappresentative dell’opera è presa ad esempio del comportamento tipico atteso anche per le

porzioni/elementi non soggette ad analisi numerica e modellazione completa. Tale monitoraggio avviene secondo procedure di tipo prevalentemente data-driven, a seguito di una adeguata elaborazione dei dati a valle di un periodo iniziale di training, attraverso controlli di anomaly detection che sono funzionali all’individuazione di anomalie rispetto ad un trend standard di riferimento per i parametri oggetto di monitoraggio.

I dati provenienti dai sensori, elaborati attraverso procedure ad hoc che permettono di trasformare il dato “grezzo” nel parametro fisico di interesse, vengono confrontati in near-real time con i valori di soglia preimpostati al fine di rilevare mediante algoritmi avanzati eventuali criticità strutturali.

Viene definito un adeguato protocollo di comunicazione delle eventuali anomalie riscontrate, a cui è associato un relativo processo decisionale per la messa in atto di azioni preventive atte a mantenere elevato il livello di sicurezza dell’opera ed ottimizzare le operazioni manutentive.

Il sistema di monitoraggio proposto è integrabile con i sistemi di gestione delle attività di ispezione e monitoraggio del Gestore, con il fine ultimo di supportare il Centro di Controllo fornendo informazioni di diagnostica utili alla corretta gestione delle attività di manutenzione delle opere di una stessa rete di infrastrutture.