Il controllo di strutture viarie: ponti e viadotti

Sulla rete autostradale italiana molte sono le opere di ingegneria quali ponti, viadotti, gallerie che sono in crisi statica per mancanza totale di manutenzione programmata.

Negli anni si sono sperimentate tecniche di monitoraggio strutturale dai laser-scan alla fotogrammetria fino alla Interferometria SAR ecc: tanti sono i sistemi impiegati ma nessuno di queste applicazioni misura lo “stato di degrado nel tempo dei materiali che costituiscono la strutture edilizia”.

Quando una struttura crolla sono anni che nella stessa si è innescata la crisi statica e non basta avere il controllo visivo o la variazione della geometria del componente edilizio per stabilire se il sistema è sicuro.

I sensori a fibre ottiche sono una tecnologia in grado di misurare in tempo reale sia la variazione della geometria delle strutture edilizia dove sono installati ma, il risultato più importante, è quello di tenere sotto controllo l’evoluzione chimico- fisico-meccanica dei materiali che formano la struttura.

In tempo reale i sensori a fibre ottiche controllano lo stato di degrado del calcestruzzo e delle armature e eventuali inneschi di prima fessurazione nei materiali che sono indice dell’inizio di una crisi statica.

Questi sensori opportunamente installati sulle membrature edilizie inviano segnali degli accadimenti “negativi” in atto a mezzo di centraline su ricevitori gsm, gprs tablet, cellurari, pc. e siti web dedicati.

I tecnici preposti alla manutenzione delle opere ne prendono atto in tempo reale e decidono l’intervento da fare per ripristinare la sicurezza del sistema.

Si segnalano a questo proposito alcuni evidenti situazioni sulla rete viaria italiana di crisi statica in atto “da anni” per una mancanza di manutenzione efficiente in grado di gestire la sicurezza dei materiali che costituiscono le strutture.

Il ponte di Belvedere e di Gignano, il viadotto autostradale di San Sisto a L’Aquila, come pure, sulla A24 e A25, i viadotti di Pietrasecca, di Cocullo, di Bussi e ancora il ponte Nuovo e il ponte Guastacconcio in provincia di Chieti, il viadotto del Salinello sulla A14 e altre strutture di interesse.

L’allarme lanciato dall’Istituto di tecnologia delle Costruzioni del Cnr non fa sconti. Il problema è nazionale, manca una regia di ampio respiro e non c’è una conoscenza complessiva delle infrastrutture a rischio. È necessario che quelle ‘a fine vita’ siano controllate e valutate nel loro stato e, al tempo stesso, va alimentata e fatta crescere nella nostra società ‘la cultura della manutenzione’ come mezzo per risolvere il problema dei disastri con danni a persone e cose.

Si riporta di seguito una descrizione di quelle che debbano essere le attività di ingegneria conformemente alle aspettative di una lunga vita per le costruzioni edilizie con certezza sulla sicurezza a persone e cose.

Monitoraggio Statico e Dinamico con l’impiego dei sensori a Fibre Ottiche su Ponti e Viadotti

Al fine di evitare errori dalle conseguenze devastanti, è necessaria un’attenta riflessione sulla situazione delle infrastrutture del nostro territorio ed analizzare laddove ci siano stati errori. Occorre, dunque, attivare con scienza e coscienza un’analisi su come si progetta, costruisce e, soprattutto, si monitora nel tempo il costruito, per intervenire per tempo con giusta manutenzione in caso di manifesta criticità statica, dovuta a molteplici fattori quali progetto, modalità costruttive, materiali, dinamismi indotti. Il progettista è il primo attore nel complesso sistema di realizzazione, per cui deve avere le necessarie conoscenze del cantiere, dei materiali da utilizzare e delle loro qualità fisico-chimiche-meccaniche. Il direttore dei lavori, colui che è responsabile della messa in opera del progetto, deve avere altrettante cognizioni, affinché un progetto ben fatto abbia successo nella sua realizzazione. Qualora, tuttavia, ci fossero o ci fossero state  deficienze nella costruzione,  un buon progetto di monitoraggio strutturale è  in grado senza soluzione di continuità di controllare l’evoluzione dello stato di sicurezza all’interno e all’esterno delle strutture con sensori residenti, di rilevare l’innesco dello stato di prima fessurazione nei calcestruzzi e/o murature e di evidenziare gli stati di deformazione del sistema edilizio, offrendo agli addetti ai lavori le giuste indicazioni per una manutenzione mirata. I sensori a fibre-ottiche sono quanto di più avanzato offre l’attuale tecnologia per la bassa invasività, il basso costo e la sfera di controllo dei parametri fisico-chimico-meccanici di progetto. Essi entrano in funzione appena installati e inseriti all’interno delle membrature edilizie delle nuove costruzioni ed “a pelle” sulle strutture esistenti, misurando in entrambi i casi gli stati di sollecitazione dei materiali e la loro variazione a causa di eventi dinamici intrinsechi ed estrinsechi. Nel caso di variazione dei parametri di progetto e qualora venissero superati i valori di sicurezza, i sensori “residenti” a fibra ottica lanciano allarmi a mezzo di centraline GSM o siti web dedicati o su tablet ecc: in tempo reale la criticità statica in atto si evidenzia agli addetti ai controlli. 

Monitoraggio strutturale

In monitoraggio strutturale con sensori a fibre ottiche può essere utilizzato sia sulle strutture di nuova realizzazione, sia su quelle già realizzate.

Per quanto attiene le nuove strutture viarie, il  monitoraggio strutturale in parola, implementato come attività continuativa che segue l’opera dalle fasi costruttive per tutto il ciclo di vita,  amplia le conoscenze sul comportamento reale, riducendo le incertezze sulle caratteristiche dei materiali utilizzati e sulla presenza di eventuali difetti costruttivi e, nel tempo,  è un formidabile strumento per stabilire se la struttura conserva ancora i requisiti di progetto e se le diverse membrature presentano gli stessi stati di sollecitazione rilevati all’epoca dell’entrata in servizio dell’opera.

Per quanto attiene le strutture viarie esistenti quali viadotti, ponti, edifici o opere geotecniche, è possibile installare sulle membrature portanti in calcestruzzo armato dei sensori per rilevare stati deformativi e conseguentemente impegni tensionali. Di seguito, sono riportate alcune immagini relative alla installazione di sensori a fibra ottica su membrature di travi da viadotto, strutture di sostegno, pulvini e appoggi. La fig.1 e la fig.3 rappresentano l’armatura di una trave da viadotto dove in alcune zone sono incollati i sensori a fibra ottica dopo aver effettuato un’attenta analisi strutturale dell’elemento prefabbricato e individuati i punti di maggiori sollecitazioni sotto azioni dinamiche esterne. La fig. 2 rappresenta uno spaccato del sistema trave piloni di appoggio dove i sensori a fibra ottica sono incollati sulle superfici in cls, in particolare nei punti in cui l’analisi strutturale ha individuato gli stati di maggiore sollecitazione. Tale impianto di monitoraggio strutturale a fibre ottiche opportunamente cablato può essere debitamente installato lungo km di viadotti. Un sistema di controllo strutturale così fatto permette di conoscere gli stati tensionali degli acciai di armatura, il fluage, la freccia delle travi, lo stato di prima fessurazione nei cls e altri parametri fisico-chimico-meccanici responsabili della sicurezza del sistema edilizio, assicurando i dati, per programmare una manutenzione certa e sicura dell’opera. In fig. 4 è riportato lo schema trave impalcato con i posizionamenti dei sensori e i parametri misurati.

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Ciclo produzione travi da viadotto con inserimento sensori fibre ottiche

La trave viene confezionata in stabilimento di prefabbricazione, previo montaggio delle armature e con i sensori a fibre ottiche installati nel cassero trave dove viene gettato il cls. La trave, terminato il ciclo di maturazione, viene scasserata e inviata a stoccaggio. Al momento della scasseratura ogni trave da viadotto avrà una pagella dove sono riportati i dati di progetto, sollecitazioni meccaniche sui materiali, temperature, qualità, eventuali fessurazioni all’interno della trave ecc. I sensori a fibre ottiche monitorano i parametri soprandicati senza soluzione di continuità, controllandone le eventuali variazioni e riportandone i valori su PC, tablet, siti web dedicati.  Le travi vengono montate sulle pile di appoggio per formare l’impalcato stradale, quindi, collegate in parallelo con i sensori a fibre ottiche in serie con altri impalcati, dando vita così ad una catena di sensori a fibre ottiche “Fiber Bragg Gratings ( FBG )” in grado di controllare per Kilometri lo stato di sicurezza degli impalcati senza soluzione di continuità, semplicemente da una camera di regia dove i tecnici preposti possano prendere le decisioni del caso.

Conclusioni

Il monitoraggio a mezzo sensori fibre ottiche è in grado di appalesare lo stato di fatto sulla stabilità delle strutture viarie e di fornire dati puntuali per una corretta e mirata manutenzione del manufatto in crisi statica.

Non più crolli improvvisi di ponti e viadotti ma la certezza che le strutture viarie sono staticamente fruibili, a vantaggio della sicurezza delle persone e cose.