RICERCA ITALIANA     

Linee guida per la sorveglianza e la gestione delle strutture e infrastrutture storiche con il supporto di tecniche innovative per il monitoraggio strumentale.

Politecnico di Torino

Abstract

Un problema fondamentale del monitoraggio a scopo diagnostico è che esso può essere sostitutivo di metodi ispettivi e di tipo tradizionale solo quando si abbia la ragionevole certezza che i sistemi automatici di misura e diagnosi intesi a rendere “intelligente” la struttura siano effettivamente in grado di rivelare in modo efficace tutte le condizioni più significative di danno grave atteso e possibile.
Per le strutture di nuova costruzione si sta affermando la tendenza a promuovere proposte di raccomandazioni tecniche e linee guida i cui contenuti siano meditati e condivisi.
Gli obiettivi principalii di questo progetto ricalcano gli stessi che anche tali linee guida in generale perseguono, purchè si tenga ben presente che la diagnosi e la sorveglianza delle strutture antiche, rigide, fragili e con proprietà geometrico-meccanici incerte, hanno carattere specifico ed originale.
Essi sono:
1. la promozione della filosofia del monitoraggio agli occhi di gestori, proprietari e manutentori di strutture;
2. la formulazione di principi generali a cui improntare l'individuazione degli scenari di danno possibile e atteso e le analisi di rischio;
3. la formulazione di principi generali sulla base dei quali integrare e implementare tecnologie analitiche e sperimentali finalizzate alla valutazione del danno, della sicurezza e del grado di salute di una struttura, ivi inclusi metodi di modellazione, verifica e calibrazione sistematica del modello;
4. la proposta di raccomandazioni per il progetto della strumentazione di misura e dei sistemi di acquisizione dati da impiegarsi in applicazioni sperimentali su corpi strutturali in vera grandezza;
5. l’inaugurazione di un approccio normativo da perseguirsi con sempre maggior rigore in un prossimo futuro, da imporsi finalmente a progettisti, costruttori, committenti e gestori nel contesto di un quadro normativo maturo e consapevole, attraverso la proposta di un testo di linee guida.
Il programma di ricerca si articola in una sequenza di fasi logiche.
1. Definizione delle principali categorie tipologiche in cui le strutture storiche possono essere classificate.
2. Scelta di un numero limitato di tipologie strutturali e alcuni casi studio che le rappresentino, su cui si effettuerà una valutazione dei possibili scenari di danno e dei meccanismi che li generano.
3. Analisi di Rischio:
4. Modalità di misura:
individuare l'insieme dei sintomi correlati allo scenario di danno e comprendere quale grandezza fisica misurare al fine di cogliere tali sintomi, quale tipo di strumento utilizzare, la sensibilità strumentale necessaria, il potere risolvente e il rapporto segnale/rumore.Data l'incertezza locale dei parametri meccanici della struttura, è ragionevole ritenere che un monitoraggio efficace richieda reti di sensori distribuiti. Come noto, il trattamento di dati ridondanti incerti attiene al dominio della complessità e comporta l'impiego di tecniche di pretrattamento dei segnali per ridurre la quantità delle informazioni archiviate e l'utilizzazione di algoritmi di sintesi dell'informazione.
5. Progetto della Rete di Monitoraggio:
Poste le premesse del punto precedente, il progetto del monitoraggio ne viene di conseguenza come scelta praticamente obbligata.
6. Integrazione del monitoraggio nella gestione delle opere:
In questo progetto non ci si orienta verso una complementarietà di contributi, ma verso un confronto di linee di lavoro parallele. E' opinione del coordinatore di questo progetto che questa scelta sia particolarmente importante nel permettere la realizzazione della fase finale della ricerca consistente nella redazione di una proposta di linee guida. Infatti, una stesura credibile di un testo di raccomandazioni ha bisogno di un confronto di esperienze analoghe e di discussione per giungere a una versione condivisa piuttosto che di contributi specialistici complementari ma non confrontabili tra di loro. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Alessandro De Stefano Politecnico di TORINO

Obiettivo del Programma di Ricerca

Guardando la letteratura mondiale in tema di monitoraggio strutturale e diagnostica si osserva che grande attenzione è stata dedicata allo sviluppo di tecniche, metodi e tecnologie di misura. Un problema fondamentale del monitoraggio a scopo diagnostico è che esso può essere sostitutivo di metodi ispettivi e di tipo tradizionale solo quando si abbia la ragionevole certezza che i sistemi automatici di misura e diagnosi intesi a rendere “intelligente” la struttura siano effettivamente in grado di rivelare in modo efficace tutte le condizioni più significative di danno grave atteso e possibile. Occorre dunque affrontare il problema del monitoraggio diagnostico in modo più sistematico e strategico. Occorre in altri termini una specie di “Rivoluzione Copernicana” che ponga al centro dell’attenzione gli scenari di danno asservendo ad essi le scelte di metodi e sistemi di osservazione automatica e di analisi dei risultati acquisiti. L’individuazione degli scenari di danno e della loro probabilità di occorrenza richiede l’esplorazione di basi di partenza, qualora disponibili, e o simulazioni che individuino il legame tra gli scenari di danno stessi, la gravità delle loro conseguenze e la significatività dei loro sintomi. I sistemi di monitoraggio permanente sono di fatto sistemi di misura di sintomi. E’ quindi necessario valutare quanto è sensibile ogni sintomo rispetto al danno che lo produce e alla sua gravità e di quale tipo deve essere il sensore che rivela quel sintomo e quanto grande deve essere la sua sensibilità e il suo potere risolutivo. L’importanza di questo tipo di approccio sta nel conferire affidabilità al monitoraggio strutturale evitando il rischio che si vada in caccia di sintomi poco significativi trascurandone altri più importanti. Nell’ingegneria civile si è iniziato ad affrontare il problema della diagnostica automatica con una filosofia di questo tipo soprattutto nell’ambito delle opere infrastrutturali, in particolare ponti e viadotti. Si è compreso che la delicatezza e complessità della materia non può più consentire solamente progetti fondati su iniziative individuali e disorganiche, pur se redatti da tecnici competenti ed esperti Per questa ragione si sta affermando la tendenza a promuovere proposte di raccomandazione tecniche e linee guida i cui contenuti siano seriamente meditati e condivisi. Sono venute così alla luce proposte diverse, in ambito europeo ed extraeuropeo, che potrebbero trovare armonizzazione in un testo di linee guida accettate in ambito planetario e capace di unire il rigore dell’approccio alla flessibilità verso il frequente affacciarsi di nuove tecnologie. L’orientamento verso un approccio sistematico riguarda, attualmente, come si è già detto, le opere infrastrutturali nuove e recenti.
Gli obiettivi principalii di questo progetto ricalcano gli stessi che anche tali linee guida in generale perseguono, purchè si tenga ben presente che la diagnosi e la sorveglianza delle strutture antiche, rigide, fragili e con proprietà geometrico-meccanici incerte, hanno carattere specifico ed originale.
Essi sono:
1. la promozione della filosofia del monitoraggio agli occhi di gestori, proprietari e manutentori di strutture;
2. la formulazione di principi generali a cui improntare l'individuazione degli scenari di danno possibile e atteso e le analisi di rischio;
3. la formulazione di principi generali sulla base dei quali integrare e implementare tecnologie analitiche e sperimentali finalizzate alla valutazione del danno, della sicurezza e del grado di salute di una struttura, ivi inclusi metodi di modellazione, verifica e calibrazione sistematica del modello;
4. la proposta di raccomandazioni per il progetto della strumentazione di misura e dei sistemi di acquisizione dati da impiegarsi in applicazioni sperimentali su corpi strutturali in vera grandezza;
5. l’inaugurazione di un approccio normativo da perseguirsi con sempre maggior rigore in un prossimo futuro, da proporre finalmente a progettisti, costruttori, committenti e gestori nel contesto di un quadro normativo maturo e consapevole, attraverso la proposta di un testo di linee guida. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

LINEE GUIDA PER IL MONITORAGGIO STRUTTURALE
In ambito europeo ed extraeuropeo, si sta affermando la tendenza a promuovere raccomandazioni tecniche e standard in materia di monitoraggio strutturale, che hanno già trovato armonizzazione in alcune linee guida accettate in ambito planetario, in cui il rigore dell’approccio viene coniugato alla flessibilità verso il frequente affacciarsi di nuove tecnologie. L’orientamento verso un approccio sistematico riguarda attualmente, tuttavia, le sole opere infrastrutturali nuove e recenti.
Tra i più rilevanti tentativi in questa direzione, vanno citate, negli Stati Uniti, le linee guida promosse dalla FHWA ((“Recording and coding guide for the structure inventory – An appraisal of the Nation’s bridges”, “Implementation program on high performance concrete – Guidelines for instrumentation of bridges”, “Reliability of Visual Inspection”, “Traffic monitoring guide”, “Development of a model health monitoring guide for major bridges”), dalla AASHTO (“Manual for condition evaluation of bridges”) e dal NCHRP (“Manual for rating through load testing”) ed in Europa le raccomandazioni ISO International Standard (ISO 13822 “Bases for design of structures – Assessment of existing structures”, ISO 14963 “Mechanical vibration and shock – Guidelines for dynamic tests and investigations on bridges and viaduct”, ISO 14964 “Mechanical vibration and shock – Vibration of stationary structures – Special requirements for quality management in measurement and evaluation of vibration”, ISO/DIS 18649 “Mechanical vibration – Evaluation of measurement results from dynamic tests and investigations on bridges”) e gli standard a firma del Task-Group 5.1 del FIB (“Monitoring and safety evaluation of existing concrete structures”, “Monitoring and safety evaluation of existing concrete structures”).
La medesima esigenza di standard condivisi in tema di monitoraggio strutturale è stata evidenziata dalla comunità scientifica internazionale nel corso dei recenti convegni mondiali di Honolulu (estate 2004???) e Shen Zhen (????). Ad Honolulu si sono costituite alcune commissioni di esperti, nelle quali pure è coinvolto lo stesso coordinatore nazionale della presente proposta (Committee 1: Sensor attributes and placement issues; Committee 2: Sensor reliability for long-term monitoring; Committee 3: Standards and Specifications for Sensors in Civil Structures), allo scopo di redigere proposte di linee guida sul monitoraggio di infrastrutture civili. Il successivo incontro di Shen Zhen ha già raccolto alcuni interessanti contributi con particolare riguardo al tema delle “smart infrastructures”.
Si registra invece, a livello mondiale, una sostanziale mancanza di linee guida specificamente dedicate alla sorveglianza del costruito storico, che motiva la presente proposta.
Le stesse Unità di Ricerca aderenti si sono già misurate in passato con il tema del monitoraggio nel corso di due progetti di ricerca nazionali, il PRIN 2002 (Strategie di Conservazione di Edifici Storici e Monumentali Basate sul Monitoraggio Strutturale. Approccio Metodologico e Applicazioni a Casi Studio) ed il PRIN 2004 (Monitoraggio e Controllo del Patrimonio Monumentale: un Approccio Basato su Tecnologie Distribuite Low-cost). Conclusa l’esperienza di approfondimento della tecnologia dei sistemi di misura attuata durante il PRIN 2004, la attuale proposta si configura come un parziale riavvicinamento all’impostazione metodologica che fu del PRIN 2002, ma arricchita in parte dai recenti sviluppi della ricerca di base ed applicata, in parte soprattutto dalla recente fioritura di raccomandazioni in tema di monitoraggio pontiero, di cui si è detto sopra.

SISTEMI DI GESTIONE
La gestione di singole o insiemi di strutture storiche richiede un approccio sistematico che garantisca l'affidabilità e un adeguato stato di condizione di ogni struttura nei limiti del budget e delle risorse disponibili. Qualunque sia il modello di manutenzione assunto questo mira sempre a predire in qualche modo il comportamento futuro della struttura oggetto di studio. Essendo lo stato attuale e quello futuro della struttura associati a vari livelli di incertezza, un approccio probabilistico è di norma necessario. Nel corso degli ultimi quaranta anni, sono stati pubblicati numerosi articoli riguardanti modelli di manutenzione ottimali, rivolti principalmente alla modellazione (Sherif &amp; Smith 1981, Cho &amp; Parlar 1991, Dekker 1996).

LA GESTIONE DELLE STRUTTURE E INFRASTRUTTURE A LIVELLO DI RETE
L'obiettivo primario della gestione delle strutture e infrastrutture a livello di rete è fornire strumenti per l'allocazione ottimale delle risorse economiche, mantenendo allo stesso tempo un adeguato livello di sicurezza e utilizzabilità dell'intero patrimonio. I criteri di prioritizzazione fanno uso di concetti come Stato di Condizione (CS), sicurezza, pianificazione della manutenzione, costo. Oggi, la maggior parte dei sistemi di gestione è tipicamente basata sulla valutazione del CS attraverso ispezioni visive: è questo il caso di pacchetti software molto diffusi dedicati soprattutto ai ponti, come PONTIS (Thompson et al. 1998) o BRIDGIT (Hawk &amp; Small 1998). In questi sistemi, la prioritizzazione è basata sulla minimizzazione del costo, mentre la sicurezza è implicitamente assunta correlata al CS. Un punto debole di questo approccio è il fatto che l'influenza dei difetti sull'affidabilità della struttura viene trascurata, e non è prevista una valutazione diretta dell'effettiva capacità portante. La ricerca teorica sulla gestione delle strutture con criteri affidabilistici ha subito un forte sviluppo nell'ultimo decennio, coprendo aspetti quali: 'condition ranking prioritization' (Stewart et al. 2001, Akgul &amp; Frangopol 2003) strategie ottimali di ispezione (Sommer et al. 1993), ottimizzazione degli interventi di manutenzione e riparazione (Augusti et al. 1998, Frangopol &amp; Estes 1999). Nella maggior parte dei casi il programma ottimale di ispezione e riparazione è basato sulla minimizzazione del costo atteso nella vita utile, mantenendo allo stesso tempo un livello accettabile di affidabilità, che deve essere in qualche maniera definito. Branco &amp; Britto (1995) hanno proposto un sistema decisionale basato sulla definizione di un Cost Effectiveness Index (CEI) per ogni possibile opzione, sottintendendo la possibilità di quantificare il beneficio di un intervento in termini monetari. Più recentemente, Frangopol &amp; Neves (2004) hanno proposto un approccio comprendente CS, sicurezza e costo, minimizzando una funzione obiettivo. Va ricordato che i sistemi decisionali basati sull'ottimizzazione multiobiettivo si applicano ad un più ampio campo di problemi dell'ingegneria civile (si vedano per esempio Chunlu &amp; Hammad 1997, Augusti &amp; Ciampoli 1998).

MONITORAGGIO E GESTIONE
Nel seguito si intende per “sistema di monitoraggio” l'insieme della strumentazione (hardware) e delle procedure (software) miranti a misurare l'evoluzione temporale di determinate grandezze fisiche (forze, deformazioni, spostamenti, velocità, accelerazioni, temperature, ...) che si ritengono utili alla valutazione dello stato di sicurezza di una struttura. In passato il monitoraggio strutturale è stato inteso come intervento di carattere straordinario, giustificato dall'importanza della struttura (rilevanza economica o strategica, alto valore storico-artistico), o dalla necessità contingente di verificarne il precario stato di sicurezza. Nel campo dell’ingegneria civile le tipologie strutturali maggiormente investigate sono i ponti e, specialmente in Italia, le strutture e gli edifici e storici di particolare rilevanza.
Il modo di intendere il monitoraggio oggi è significativamente diverso rispetto a due decenni fa. Attualmente la tendenza è quella di considerare il sistema di monitoraggio come parte integrante dell'intervento di ripristino/adeguamento. Questo cambiamento di filosofia si spiega con il recente sviluppo nella strumentazione e nelle metodologie di analisi, e con la necessità di basare su informazioni dettagliate ed aggiornate i giudizi sullo stato di sicurezza strutturale: alcuni clamorosi casi di collasso strutturale hanno accelerato questo processo. Sono cambiati in maniera significativa anche i criteri di raccolta ed interpretazione dei dati. In passato, le tecniche di indagine avevano carattere locale (Shepherd &amp; Charleson 1971, Tanaka &amp; Davenport 1983, McLamore et al. 1971). Più recentemente, gli studi si sono concentranti sulla possibilità di ricavare maggiori informazioni sullo stato di integrità della struttura sulla base di misure vibrazionali (Maeck et al. 2000). L'idea alla base di questa metodologia è che i parametri modali siano funzione delle proprietà fisiche della struttura; pertanto, variazioni nelle proprietà fisiche causano variazioni riconoscibili nelle proprietà modali (Doebling &amp; Farrar, 1997). Il vantaggio di questo approccio è che una misura locale può fornire informazioni direttamente legate al comportamento globale della struttura.

MONITORAGGIO DI EDIFICI STORICI
In ambito nazionale, gli esempi più significativi di monitoraggio riguardano edifici storici e monumentali. Il monitoraggio di queste strutture merita particolare attenzione, non solo per la loro importanza in Italia, ma anche per le specifiche problematiche che coinvolge:
- la varietà di tipologie rende difficile generalizzare i risultati delle singole esperienze;
- il comportamento dei materiali tradizionali (muratura, legno...) è tipicamente non lineare, e presenta alti rapporti di smorzamento;
- il comportamento meccanico globale della struttura è spesso incerto e complicato da modellare.
Per di più, il numero di esempi studiati in passato è comunque limitato, sia per quanto riguarda le prove vibrazionali (Vestroni et al. 1996) che per il monitoraggio a lungo termine (Bartoli et al. 1996). In questo campo, anche l'UR di Trento ha dato un contributo rilevante (Zanon 1999, Zanon 2000, Zanon et al. 2001, Zonta et al. 2002), così come l'UR di Padova (Bosella et al. 1997, Modena et al. 1999).

MONITORAGGIO DI PONTI IN MURATURA
Tra le tipologie più interessanti ed importanti di strutture storiche si collocano i ponti. Nonostante questa tipologia costruttiva non sia più oggetto di realizzazioni, gli enti e le pubbliche amministrazioni gestiscono sistemi di infrastrutture in cui queste opere d’arte sono tuttora chiamate a svolgere il proprio ruolo statico. In molti paesi europei sono state avviate ricerche teorico-sperimentali, volte a valutare le conseguenze che su questi manufatti hanno causato i rilevanti incrementi dei carichi di esercizio. Il problema della sicurezza, del controllo e del rinforzo di tali strutture riveste dunque carattere di grande attualità anche nel nostro Paese, dove questo tipo di opere sono particolarmente diffuse e spesso rivestono valore storico e architettonico. I ponti in muratura sono stati edificati con materiali eterogenei e con tecniche costruttive diverse; inoltre, sono il frutto di lavori che si sono protratti per decenni, hanno subito modifiche nel corso dei secoli e quindi ogni monumento ha un suo carattere ed una sua storia. La modellazione meccanica della risposta strutturale deve quindi rispondere a diverse esigenze: 1) la corretta modellazione degli elementi architettonici; 2) la valutazione della loro mutua interazione; 3) il comportamento fortemente non lineare del materiale muratura (degrado di rigidezza, diversa resistenza a trazione e compressione, degrado di resistenza, comportamento isteretico). L'impossibilità di una formulazione di carattere ampiamente generale ha portato allo sviluppo di strumenti analitici diversi, che vanno dalle soluzioni ormai classiche di Heyman, basate sull’analisi limite applicata a strutture rigide e non resistenti a trazione, agli approcci computazionali più recenti, che utilizzano in genere il metodo degli elementi finiti.

SENSORI A FIBRA OTTICA
La disponibilità di sensori di nuova concezione, in grado di misurare diversi tipi di grandezze fisiche, consente ulteriori sviluppi del monitoraggio. In particolare, presentano particolare interesse le tecniche di misura innovative basate sui sensori a fibra ottica (FOS). Nel campo dell’ingegneria strutturale, sono state proposte molte applicazioni dei FOS, per misurare la deformazione, la temperatura e l’umidità: la possibilità di incorporare i FOS nella struttura nel corso di un intervento permette di monitorare la deformazione (come pure altre grandezze) nei punti più critici. Questi vantaggi, insieme alla grande durabilità, rendono i FOS uno strumento efficiente nel monitoraggio di lungo periodo. Le potenzialità dei FOS nell’ingegneria civile sono ben documentate in Udd (1991) e in Ansari (1998). I FOS maggiormente utilizzati sono basati su principi di misura quali l’Extrinsic Fabry-Perot Interferometers (EFPI, Yoshino et al. 1982); l’Optical Time Domain Reflectometry (OTDR, Leung et al. 2000); il sistema SOFO (Inaudi et al. 1998) e il Fiber Bragg Grating (FBG, Lau et al. 2001).

MEMS
Un sensore MEMS è un sistema elettro-meccanico integrato in uno strato di silicio, che comunemente si presenta nella stessa forma di un micro-chip. Oggi, un gran numero di sensori MEMS è disponibile commercialmente, comprendente accelerometri, sensori di pressione (Schenk et al. 2001), anche wireless, (Jung et al. 2001). L'applicazione dei MEMS nell'ingegneria civile è teoricamente possibile, anche se poche applicazioni pratiche sono riportate in letteratura.

TECNICHE DI COMUNICAZIONE
La diffusione di internet e delle tecnologie informatiche che si è verificata negli ultimi anni sta radicalmente modificando la filosofia del monitoraggio (Cherkassky &amp; Mulier 1998, Rodellar et al. 1999). Mentre le procedure usuali di acquisizione ed elaborazione dei dati richiedono lunghi tempi di elaborazione e gestione, internet rappresenta un potenziale strumento per l'esecuzione in tempo reale di queste operazioni. Alcune significative esperienze in questo senso sono in fase di sviluppo specialmente negli Stati Uniti, nell'ambito del progetto NSF-NEES (http://www.eng.nsf.gov/nees/) e presso l'UCSD (http://monitoring.ucsd.edu, Elgamal et al. 2001, Fraser et al. 2002). Queste reti tematiche rappresentano principalmente uno sforzo di coordinazione fra i vari gruppi di ricerca. Uno dei pochi esempi dimostrativi può essere trovato su http://webshaker.ucsd.edu.

RETE DI SENSORI
La cosiddetta Polvere Intelligente (SMART DUST, Kahn et al. 1999, Hsu et al. 1998) consiste in una piattaforma di elementi autosufficienti (MOTES) dotati di una sensoristica e di un sistema di comunicazione, di dimensioni millimetriche, pensati per applicazioni estensive e distribuite. Si prevede che in pochi anni questi dispositivi raggiungeranno le dimensioni di un granello di sabbia, e saranno in grado di supportare sensori, capacità computazionale, comunicazione wireless bi-direzionale, e un sistema di alimentazione, mentre il loro costo sarà trascurabile per produzioni dell'ordine delle centinaia (http://www-bsac.eecs.berkeley.edu/~warneke/SmartDust/index.html). Oggi, i primi prototipi di Motes sono disponibili commercialmente (http://www.xbow.com), e la le loro applicazioni sperimentali comprendono: monitoraggio ambientale; monitoraggio di infrastrutture; condivisione delle risorse; sorveglianza. <<<