Come e perché le tecnologie di monitoraggio strutturale si diffondono in Italia?
Le infrastrutture civili hanno un ruolo centrale per lo sviluppo di un Paese. Ponti, dighe e viadotti hanno una vita utile limitata (al massimo 70-80 anni, in media) sia dal mutamento delle condizioni di utilizzo che dal deterioramento dei materiali impiegati nella costruzione.

Il CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche) stima che nel nostro Paese ci siano oltre 10mila viadotti pubblici di cui al momento non è nota la tenuta e che, per una serie di condizioni – obsolescenza, aumento del traffico cui sono soggetti –, potrebbero essere a rischio di crollo. Se a queste opere si sommano i ponti e i viadotti la cui gestione è affidata alle concessionarie e alle amministrazioni locali, la cifra delle infrastrutture da manutenere e monitorare supera quota 100mila. Ovviamente, intervenire su tutte in tempi brevi non è possibile. Ecco perché se da un lato il Governo ha destinato un fondo di 5 milioni di euro al finanziamento del catasto digitale SINFI (Sistema Informativo Nazionale Federato delle Infrastrutture), dall'altro si moltiplicano le sperimentazioni di soluzioni di monitoraggio intelligente che sfruttano le tecnologie di nuova generazione. La creazione di catasti informatizzati basati su tecnologia Blockchain delle opere civili, con l'indicazione dell'età, dello stato di salute, dei parametri strutturali e dello storico degli interventi manutentivi, permetterà di classificare le infrastrutture in relazione ai rischi potenziali - ammaloramento dei materiali e degrado strutturale, aumento del traffico/portata rispetto all'epoca della progettazione - e definire le priorità di intervento. Alla progressiva maturità di tecnologie IoT, Machine Learning, droni, connettività mobile e 5G si associa poi la più ampia diffusione delle soluzioni di monitoraggio strutturale.

 

Cos'è il monitoraggio strutturale e a cosa serve

Il monitoraggio strutturale delle opere civili e degli edifici ha assunto un'importanza crescente nel corso degli ultimi anni. Molte delle grandi opere costruite nel nostro Paese nel Dopoguerra mostrano da tempo fessurazioni e infiltrazioni più o meno profonde, che ne compromettono l'integrità e la funzionalità.

L'attenzione sul tema è cresciuta soprattutto nell'ultimo anno, a seguito del crollo del Ponte Morandi che ha riportato in primo piano l'esigenza di cambiare radicalmente l'approccio alla manutenzione delle infrastrutture del nostro Paese.

Structural Health Monitoring e manutenzione delle opere

Oggi sono disponibili sistemi di Structural Health Monitoring (SHM) ospitati in Cloud che, combinando diverse tecnologie digitali di ultima generazione, permettono agli amministratori pubblici e alle società che gestiscono in concessione i servizi pubblici di attuare un monitoraggio sistematico e continuativo delle infrastrutture, un monitoraggio dinamico, intelligente e sempre più spesso integrato (con i servizi meteo, per esempio), che mira ad anticipare le cause di possibili guasti e rotture.

 

Strumenti e tecnologie a disposizione del monitoraggio strutturale

Infrastrutture come ponti, viadotti, dighe e argini hanno una vita utile che negli ultimi decenni si è ridotta per effetto di diverse concause - fenomeni meteorologici estremi sempre più frequenti, assestamenti strutturali e vibrazioni legate a lavori pubblici, aumento del traffico? Oggi, però le tecnologie digitali permettono di stimare meglio gli effetti dell'usura sulla vita utile di un'infrastruttura e programmare in modo più mirato gli interventi di ripristino e manutenzione, arrivando a ragionare in ottica predittiva. Ma quali sono le principali tecnologie e strumenti digitali a disposizione per il monitoraggio strutturale?

 

Sensori IoT

Gli oggetti IoT connessi alle reti mobile monitorano con continuità l'usura di componenti ed elementi portanti di un'infrastruttura. Sensori e attuatori si avvalgono di tutta una serie di strumenti - anemometri, inclinometri, termometri, accelerometri, estensimetri - che rilevano le variazioni di umidità, temperatura, inclinazione e inviano allarmi nel caso di anomalie. In questo modo è possibile monitorare anche le deformazioni localizzate dovute al degrado dei materiali, difficili da rilevare con le tecniche di osservazione tradizionale, che possono aggravarsi anche molto rapidamente e che per questo sono potenzialmente pericolose.

 

Machine Learning

L'applicazione di algoritmi di Machine Learning ai dati rilevati dai sensori permette di isolare pattern indicativi della probabile vita residua delle  fondamenta o di altri elementi strutturali (tiranti, spalle, parapetti). L'autoapprendimento permette a enti pubblici e società private che operano in concessione di adottare nuovi approcci di manutenzione predittiva, predisponendo gli interventi utili a prevenire rotture, ammaloramenti e crolli.

Reti: broadband, wireless, mobile e connettività 5G

Lo scambio dati tra i sensori posizionati sulle strutture monitorate e il data center dell'ente incaricato della manutenzione avviene generalmente attraverso reti WSN (Wireless Sensor Network) create ad hoc oppure tramite connessioni mobile, che prevendono l'uso di una SIM dati integrata nel sensore. Le opere di recente costruzione, così come quelle oggetto di interventi infrastrutturali profondi, negli ultimi anni sono state cablate con reti broadband in fibra, per garantire una trasmissione dati ad alte prestazioni tra i sensori e l'ambiente di elaborazione in Cloud. La fibra è, poi, utilizzata anche come portante per integrare i sensori: i sistemi di monitoraggio infrastrutturale in fibra ottica controllano senza soluzione di continuità lo stato fisico e chimico dei materiali da costruzione, come calcestruzzo e acciaio, e ne rilevano in tempo reale fessurazioni e crisi statiche, corrosioni e deformazioni. In futuro, però, il network d'eccellenza per il monitoraggio strutturale sarà il 5G. La bassissima latenza che caratterizza le reti 5G rende questa tecnologia particolarmente adatta allo scopo di gestire la gestione rapida degli allarmi. Il 5G, inoltre, assicura una connettività stabile anche nei luoghi più impervi e nei momenti in cui le reti mobili tradizionali sono congestionate, come nel caso di una scossa di terremoto.

 

Droni

I droni equipaggiati con sistemi di acquisizione delle immagini come videocamere, termo camere, sistemi di telerilevamento a impulsi laser (Lidar) e sensori multispettrali assicurano un monitoraggio più preciso di ponti, viadotti e dighe. I benefici più evidenti del loro impiego sono l'abbattimento dei costi e la velocizzazione degli interventi, ma non va trascurato anche un altro aspetto rilevante, ovvero la salvaguardia dell'incolumità del personale tecnico in precedenza impiegato per queste attività.

 

Digital twin

La possibilità di disseminare di sensori dighe, edifici e viadotti permette di costruire una copia virtuale (digital twin) dell'opera sottoposta a monitoraggio strutturale. Su questa replica si potranno impiegare algoritmi di Machine Learning (autoapprendimento) e simulare così l'effetto di possibili eventi futuri (smottamenti, terremoti, alluvioni) sulla tenuta della struttura oppure anticipare le conseguenze dell'usura delle fondamenta o di altri componenti.

 

2 ottobre 2019