Monitoraggio ponti: come gestire il patrimonio infrastrutturale con IoT

I sistemi più innovativi per il monitoraggio dei ponti e delle infrastrutture con l’aiuto del BIM e dei sensori IoT

Il monitoraggio dei ponti è un’azione preventiva indispensabile per la sicurezza delle infrastrutture e dei suoi fruitori.

Attualmente esistono nuove tecnologie che agevolano e migliorano il monitoraggio delle infrastrutture, come sensori, strumenti digitali, intelligenza artificiale e sistemi IoT. In questo articolo, esploreremo il ruolo delle Bridge Management Software nella gestione del patrimonio infrastrutturale, con particolare attenzione al monitoraggio dei ponti e alle tecnologie utilizzate.

Monitoraggio ponti con una piattaforma BIM IoT

Cos’è il monitoraggio dei ponti?

Il monitoraggio dei ponti è un processo che prevede l’osservazione e la raccolta di dati riguardanti le condizioni strutturali e funzionali di un ponte. Attraverso sistemi di monitoraggio adeguati, è possibile identificare eventuali anomalie o degrado dei materiali, garantendo la sicurezza, l’efficienza e la durata dell’opera nel tempo.

Linee guida per la progettazione dei ponti

Le linee guida per la progettazione, costruzione e manutenzione dei ponti stabiliscono le norme e le procedure da seguire per garantire la sicurezza e l’affidabilità delle infrastrutture. Includono raccomandazioni sul monitoraggio e l’ispezione periodica dei ponti, nonché sulla valutazione delle loro condizioni strutturali e funzionali.
Le linee guida ponti sono un documento che fornisce agli operatori un approccio uniforme alla procedura multilivello che, a partire dal censimento delle opere, conduce sino alla determinazione di una classe di attenzione sulla base della quale attivare le verifiche, tenendo conto delle più ampie esigenze di certificazione dei sistemi di gestione della sicurezza. Tra gli argomenti trattati, il censimento delle opere, le ispezioni visive e schede di difettosità, l’analisi dei rischi rilevanti, la classificazione della classe di attenzione e la valutazione preliminare dell’opera.

Per approfondire questo argomento, puoi leggere “MiMS: le nuove linee guida per la sicurezza e il monitoraggio dei ponti“.

Norme di riferimento

Le principali norme italiane relative alle infrastrutture stradali possono essere riassunte come segue:

• Circolare del Ministero dei Lavori Pubblici del 19 luglio 1967 n. 6736/61/AI, in cui si sottolinea l’importanza di una sorveglianza assidua, agile e sistematica del patrimonio stradale ai fini essenziali della sicurezza pubblica, senza escludere gli aspetti economici della buona conservazione;
• Circolare del Ministero dei Lavori Pubblici n. 34233 del 25 febbraio 1991;
• legge n. 64 del 2 febbraio 1974-art. 1;
• Decreto Ministeriale 4 maggio 1990, istruzioni relative al regolamento tecnico dei ponti stradali che definisce nuovi standard tecnici per la progettazione, esecuzione e collaudo dei ponti. In particolare, per i ponti esistenti, si proponeva di gestire le strade ai vari livelli esistenti e di acquisire una piena conoscenza dello stato attuale dei ponti garantendo i seguenti argomenti fondamentali: supervisione, ispezione, manutenzione (ordinaria e straordinaria) e interventi statici (restauro, adeguamento e ristrutturazione);
• Decreto Ministeriale del 17 gennaio 2018, aggiornamento delle Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC2018) e Circolare Ministeriale del 21 gennaio 2019, Istruzioni per l’applicazione dell’Aggiornamento delle “Norme Tecniche per le Costruzioni” di cui al Decreto Ministeriale del 17 gennaio 2018;
• Decreto Legge n. 109 del 28 settembre 2018, che contiene misure urgenti per la città di Genova, la sicurezza delle infrastrutture e della rete nazionale dei trasporti, gli eventi sismici del 2016 e 2017, lavoro e altre emergenze. Tra i requisiti di legge vi era la creazione dell’Archivio Informativo Nazionale delle Opere Pubbliche (AINOP), elencato nell’Art. 13 del decreto sopra menzionato;
• Linee Guida per la classificazione e gestione del rischio, valutazione della sicurezza e monitoraggio dei ponti esistenti – Allegato al parere del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici n. 88/2019, adottato tramite decreto ministeriale n. 578 del 17 dicembre 2020.

Come fare la valutazione della sicurezza dei ponti esistenti

La valutazione della sicurezza dei ponti esistenti si basa su diversi parametri, tra cui:

• età;
• materiale;
• tipo di struttura;
• carico;
• esposizione agli agenti atmosferici.

Le metodologie di valutazione includono:

• analisi visiva;
• ispezione tramite droni;
• uso di sensori e sistemi di monitoraggio;
• calcolo della capacità portante attraverso modelli matematici e software specializzati.

Ispezione e monitoraggio dei ponti per la valutazione della sicurezza

Il monitoraggio dei ponti e le indagini ispettive sono due approcci complementari per valutare la sicurezza dei ponti. Il monitoraggio consiste nel rilevare dati in tempo reale attraverso sensori e sistemi di monitoraggio, permettendo una valutazione continua delle condizioni strutturali. Le indagini ispettive, invece, prevedono un’analisi visiva o l’uso di tecnologie specifiche in momenti prestabiliti.
Le ispezioni visive e la compilazione delle schede di difettosità dei ponti sono processi fondamentali per garantire la sicurezza e la manutenzione corretta delle infrastrutture. Durante queste ispezioni, tecnici ed ingegneri esaminano le condizioni dei ponti, identificano eventuali problemi strutturali o danni e documentano i risultati per pianificare eventuali interventi di riparazione o manutenzione. Di seguito sono descritte alcune delle principali fasi per l’ispezione visiva e la compilazione delle schede di difettosità dei ponti.

1. pianificazione e preparazione: prima di procedere all’ispezione, è importante pianificare e preparare adeguatamente l’attività. Ciò include la revisione delle informazioni storiche sul ponte, l’identificazione delle aree critiche da esaminare e la raccolta degli strumenti e delle attrezzature necessarie;
2. ispezione preliminare: l’ispezione inizia con un’analisi visiva generale del ponte, per individuare eventuali segni evidenti di danni o degrado. Questo può includere crepe, corrosione, erosione, distorsioni o altre anomalie strutturali;
3. ispezione dettagliata: una volta identificate le aree di interesse, gli ispettori procedono con un’esame più approfondito. Ciò può includere l’uso di strumenti diagnostici specifici, come martelli da prove, endoscopi o misuratori di spessore ad ultrasuoni, per valutare in modo più accurato l’estensione e la gravità dei difetti rilevati;
4. documentazione: durante l’ispezione, gli ispettori compilano le schede di difettosità, registrando tutti i dettagli rilevanti, tra cui la localizzazione dei difetti, la loro estensione e gravità, e le eventuali raccomandazioni per la riparazione o la manutenzione. Queste schede possono essere utilizzate successivamente per determinare le priorità degli interventi e monitorare i progressi nel tempo;
5. analisi dei dati e rapporto finale: una volta completate le ispezioni e la compilazione delle schede di difettosità, gli ingegneri analizzano i dati raccolti e redigono un rapporto finale che sintetizza i risultati. Questo rapporto può essere utilizzato per informare le decisioni relative alla manutenzione, alla riparazione o al miglioramento delle infrastrutture;
6. monitoraggio e manutenzione: infine, è importante continuare a monitorare e mantenere i ponti nel tempo, eseguendo ispezioni periodiche e attuando le raccomandazioni derivanti dai rapporti di ispezione. Questo aiuterà a garantire la sicurezza e la durabilità delle infrastrutture nel lungo termine.

I vantaggi del monitoraggio ponti includono la possibilità di rilevare anomalie o degrado tempestivamente, riducendo i rischi e i costi di manutenzione. Tuttavia, l’installazione e la gestione dei sistemi di monitoraggio richiedono risorse e competenze specifiche. Le indagini ispettive, d’altra parte, possono essere più economiche e meno complesse, ma offrono una visione meno dettagliata e continua delle condizioni del ponte.

L’integrazione di entrambe le metodologie permette di ottenere una visione completa e accurata delle condizioni del ponte e di pianificare interventi di manutenzione più efficaci.

Classe di attenzione ponti: cos’è e come si usa?

La classe di attenzione dei ponti è una classificazione che tiene conto di vari fattori:

• l’importanza strategica dell’infrastruttura;
• il traffico e l’affluenza;
• l’età;
• il grado di vulnerabilità.

Questa classificazione permette di stabilire le priorità di manutenzione e monitoraggio, assegnando risorse adeguate in base alle esigenze specifiche di ciascun ponte.
Le classi di attenzione di un ponte sono una categorizzazione che tiene conto delle diverse esigenze e priorità di ispezione e manutenzione di un ponte per garantirne la sicurezza e la durabilità. Non esiste una classificazione standard universale, ma è possibile identificare alcune classi di attenzione comuni tra vari paesi e normative. Di seguito sono elencate quattro classi di attenzione tipiche, con una breve descrizione e le azioni da intraprendere per ciascuna di esse:

Classe di attenzione A (alta priorità) – riguarda ponti che presentano problemi strutturali gravi, come ad esempio danni ai piloni, alle travi o ai giunti, che possono compromettere la sicurezza del ponte e richiedono un’azione immediata. Per questa classe di attenzione, è necessario effettuare ispezioni urgenti, valutazioni strutturali e interventi di riparazione o rafforzamento.
Cosa fare:

• effettuare ispezioni immediate e frequenti per monitorare la situazione;
• valutare la capacità portante del ponte e le possibili ripercussioni sulla sicurezza degli utenti.
• pianificare e attuare interventi di riparazione o rafforzamento nel minor tempo possibile.

Classe di attenzione B (media priorità) – comprende ponti con problemi strutturali di minore entità, come corrosione, cavillature o erosione, che non compromettono la sicurezza del ponte nel breve termine, ma richiedono interventi di manutenzione per prevenire un peggioramento delle condizioni.
Cosa fare:

• effettuare ispezioni regolari per monitorare l’evoluzione dei danni;
• valutare le opzioni di manutenzione o riparazione per mitigare il problema;
• programmare interventi di manutenzione o riparazione nel medio termine.

Classe di attenzione C (bassa priorità) – riguarda ponti in buone condizioni strutturali, che richiedono solo manutenzione ordinaria e ispezioni periodiche per garantirne la durabilità e la sicurezza a lungo termine.
Cosa fare:

• effettuare ispezioni periodiche per verificare le condizioni del ponte e identificare eventuali segni di degrado;
• eseguire interventi di manutenzione ordinaria, come pulizia, lubrificazione dei giunti e sostituzione di elementi non strutturali usurati.

Classe di attenzione D (monitoraggio) – comprende ponti per i quali non sono state riscontrate problematiche strutturali rilevanti, ma che, a causa della loro età, del traffico elevato o di altre circostanze, richiedono un monitoraggio continuo per prevenire eventuali problemi futuri.
Cosa fare:

• installare sistemi di monitoraggio strutturale per rilevare precocemente segni di degrado o sovraccarichi;
• effettuare ispezioni periodiche per verificare le condizioni del ponte e monitorare l’evoluzione dei parametri strutturali.
• valutare l’impatto del traffico e dell’ambiente circostante sul ponte e implementare eventuali misure preventive, come restrizioni di peso o modifiche alla viabilità per ridurre il carico sul ponte;
• mantenere aggiornata la documentazione relativa al ponte, incluse le ispezioni, le valutazioni strutturali e le azioni di manutenzione, per garantire un’adeguata gestione del patrimonio infrastrutturale.

Per tutte le classi di attenzione, è importante seguire le linee guida e le normative locali o nazionali relative alla progettazione, all’ispezione e alla manutenzione dei ponti. Inoltre, è fondamentale collaborare con ingegneri e professionisti esperti nel settore delle infrastrutture per garantire che le azioni intraprese siano appropriate ed efficaci nel garantire la sicurezza e la durabilità dei ponti.

Esempio monitoraggio ponti: IoT e BIM

Un esempio di sistema di monitoraggio di un ponte basato su tecnologie IoT e BIM prevede l’utilizzo di sensori collegati a una rete di comunicazione per rilevare dati sulle condizioni strutturali, come deformazioni, vibrazioni, temperatura e corrosione. Questi dati vengono poi integrati nel modello BIM (Building Information Modeling) del ponte, che consente di visualizzare e analizzare le informazioni in tempo reale e supportare la gestione e la manutenzione dell’infrastruttura.

Il caso del viadotto Canalone

Il caso studio proposto è relativo al monitoraggio con sistemi innovativi del viadotto Canalone, situato lungo l’autostrada Napoli- Salerno. Il progetto di ricerca è il risultato della collaborazione di ben sei atenei italiani, tra cui il dipartimento di strutture per l’ingegneria e l’architettura dell’Università Federico II di Napoli.

Monitoraggio ponti | Il caso studio del viadotto Canalone

Si tratta di un viadotto con tipologia strutturale ad arco a via superiore, in cemento armato, con una luce di 120 m e 11 campate.

Per prima cosa è stato realizzato un modello 3D BIM dell’infrastruttura, necessario per gestire i dati provenienti da sensori innovati, installati sul viadotto stesso.

I sensori installati sono:

• 48 sensori di pressione (il primo gruppo installato a coppie sui pilastri del ponte, a 75 cm dall’intradosso della trave dell’impalcato per analizzare il carico viaggiante, il secondo  gruppo installato sull’arco del ponte con l’obiettivo di verificare lo stato tensionale e lo scarico complessivo dell’impalcato soggetto al carico da traffico);
• 6 accelerometri triassiali installati sulle due travi di bordo per analizzare le proprietà dinamiche della struttura e monitorare la loro evoluzione nel tempo;
• 3 termocoppie.

L’impianto si completa con:

• 8 nodi per la gestione dei dati dei  sensori di pressione;
• 2 nodi per accelerometri;
• 1 router 4G e sistema di connessione su fibra.

Per l’elaborazione dei dati è stato necessario far riferimento ad un dominio di valori standard, utile a definire se gli spostamenti sono dovuti a fattori casuali oppure derivanti da problematiche dovute al passaggio di mezzi pesanti. Dopo aver raccolto, analizzato ed effettuato l’elaborazione dei dati, occorre visualizzarli grazie all’ausilio di piattaforme d’interoperabilità. Una piattaforma d’interoperabilità deve dare accesso, tracciabilità, consentire l’archiviazione dei dati relativi all’opera, permettere il monitoraggio in real-time e fornire allert e report.

Con usBIM.IoT è possibile integrare modelli BIM e sistemi IoT. E’ possibile caricare il modello 3D BIM all’interno della piattaforma, completo della sensoristica applicata all’infrastruttura reale. Ai sensori viene associato un colore ed un range di valori di riferimento. All’arrivo dei dati rilevati dai sensori, il modello 3D si aggiorna in tempo reale, riportando i risultati rilevati dalla sensoristica in sito. La verifica viene svolta anche visivamente con l’aiuto dei colori associati alle diverse tipologie dei sensori.

Video

In questo breve video vediamo come integrare modelli BIM e sistemi IoT nel caso studio del viadotto Canalone.

Sistema di monitoraggio ponti

Un sistema di monitoraggio dei ponti è un insieme di strumenti e tecnologie utilizzati per valutare e mantenere le condizioni strutturali dei ponti nel tempo. Esso permette di rilevare eventuali problemi o danni strutturali, fornendo informazioni utili per la manutenzione e la gestione dei ponti. Un sistema di monitoraggio dei ponti completo e professionale è composto dai seguenti componenti principali:

1. sensori – i sensori sono dispositivi che rilevano e misurano vari parametri strutturali e ambientali del ponte di cui si parlerà più diffusamente nei paragrafi successivi dedicati all’IoT;
2. sistema di acquisizione dati (DAS) – il DAS è il componente che raccoglie e archivia i dati provenienti dai sensori. È composto da unità di acquisizione dati, che effettuano la conversione del segnale analogico in digitale e memorizzano i dati per l’elaborazione successiva;
3. sistema di comunicazione – questo sistema permette la trasmissione dei dati tra i sensori, il DAS e il centro di controllo. Esso può utilizzare diverse tecnologie, come cavi, reti wireless o fibra ottica, a seconda delle specifiche esigenze del progetto;
4. centro di controllo e monitoraggio – questa è la postazione dove gli operatori e gli ingegneri analizzano i dati raccolti dal sistema di monitoraggio. Il centro di controllo è dotato di software e hardware dedicati all’elaborazione e alla visualizzazione dei dati, permettendo una facile interpretazione delle informazioni raccolte;
5. software di analisi e diagnostica – questi programmi sono utilizzati per elaborare e analizzare i dati raccolti, al fine di identificare eventuali anomalie o tendenze che possono indicare problemi strutturali. Il software può includere algoritmi di apprendimento automatico, modelli numerici e tecniche di analisi statistiche per migliorare l’affidabilità e la precisione delle diagnosi;
6. sistema di allarme e notifica – in caso di rilevamento di condizioni critiche o potenzialmente pericolose, il sistema di monitoraggio può generare automaticamente allarmi e notifiche per avvisare gli operatori e gli ingegneri responsabili. Questo permette un intervento tempestivo per prevenire danni maggiori o situazioni di pericolo.

In sintesi, un sistema di monitoraggio dei ponti professionale e dettagliato è composto da una serie di sensori, un sistema di acquisizione dati, un sistema di comunicazione, un centro di controllo e monitoraggio, software di analisi e diagnostica e un sistema di allarme e notifica.

Tipologie di ponti, patologie più frequenti e corrispondenti tipi di monitoraggio

Le principali tipologie di ponti includono ponti ad arco, a travi, a mensola, a cavi e sospesi. Ogni tipo di ponte può presentare patologie specifiche, come corrosione, fessurazioni, cedimenti o deformazioni. Il monitoraggio adeguato varia in base alla tipologia e alle patologie presenti, e può includere metodi come il monitoraggio delle deformazioni, delle vibrazioni, della temperatura o della corrosione.

Tipi di monitoraggio ponti

I tipi di monitoraggio ponti possono essere suddivisi in:

• statico;
• dinamico;
• ambientale.

Il monitoraggio statico riguarda la rilevazione di deformazioni e carichi permanenti, mentre il monitoraggio dinamico si occupa delle vibrazioni e delle sollecitazioni indotte dal traffico e dal vento. Il monitoraggio ambientale, invece, si focalizza su parametri come la temperatura, l’umidità e la corrosione, che possono influenzare la durata e la sicurezza del ponte.

Monitoraggio dinamico ponti

Il monitoraggio dinamico ponti si concentra sulla rilevazione delle vibrazioni e delle sollecitazioni indotte dal traffico, dal vento e dagli eventi sismici. Attraverso l’analisi dei dati raccolti, è possibile identificare eventuali anomalie strutturali, valutare l’effetto delle sollecitazioni sul ponte e prevedere la sua durata nel tempo.

Progettazione e installazione di un sistema di monitoraggio

La progettazione e l’installazione di un sistema di monitoraggio ponti richiedono un’accurata analisi delle esigenze specifiche dell’infrastruttura, la scelta dei dispositivi e dei metodi di monitoraggio più adatti, e la definizione di una rete di comunicazione per la trasmissione dei dati. Inoltre, è importante prevedere procedure di manutenzione e calibrazione dei dispositivi, nonché la formazione del personale coinvolto nella gestione del sistema.

Cos’è l’IoT e come può essere utilizzato per il monitoraggio dei ponti

L’Internet of Thing (IoT) è un insieme di dispositivi interconnessi che comunicano tra loro attraverso internet. Questi dispositivi possono includere sensori, attuatori e sistemi di elaborazione dati. L’IoT può essere utilizzato per monitorare diversi parametri dei ponti, come vibrazioni, deformazioni, temperatura e traffico, consentendo un monitoraggio in tempo reale e una manutenzione più efficiente.

Attualmente è anche possibile utilizzare piattaforme BIM IoT per gestire i dispositivi IoT direttamente dal modello BIM. In pratica, i dati rilevati dai sensori vengono inviati  all’applicazione che li acquisisce e li rende visibili in tempo reale sul modello 3D BIM in formato IFC.

L’arricchimento del modello BIM con le informazioni provenienti dall’ecosistema IoT facilita la gestione anche di grandi ecosistemi IoT.

Tecnologie IoT per il monitoraggio dei ponti

Sensori di vibrazione e deformazione

I sensori di vibrazione e deformazione sono dispositivi IoT che rilevano le variazioni strutturali dei ponti, fornendo informazioni preziose sulla loro integrità. Questi sensori possono individuare anomalie e segnalare eventuali problemi prima che diventino gravi, consentendo interventi tempestivi.

Sensori di temperatura e umidità

Le variazioni di temperatura e umidità possono influire sulla durata dei materiali utilizzati nei ponti. I sensori IoT che monitorano questi parametri consentono di individuare problemi come la corrosione e l’usura dei materiali, facilitando la pianificazione della manutenzione preventiva.

Sensori per il monitoraggio del traffico

I sensori di traffico IoT possono rilevare il flusso di veicoli e il loro peso, fornendo dati utili per gestire il traffico e per valutare l’impatto del traffico sulle infrastrutture. Questi dati possono essere utilizzati per implementare misure volte a ridurre il carico sui ponti, migliorando la loro durata.

Sistemi di analisi e allarme per la gestione dei dati

I dati raccolti dai sensori IoT devono essere analizzati e gestiti per estrarre informazioni utili. I sistemi di analisi e allarme possono elaborare i dati in tempo reale e generare notifiche in caso di anomalie o situazioni potenzialmente pericolose, permettendo un intervento rapido e mirato.

Vantaggi del monitoraggio dei ponti con l’IoT

Prevenzione e riduzione dei rischi – L’uso dell’IoT nel monitoraggio dei ponti consente una maggiore prevenzione dei rischi e una migliore gestione delle emergenze. Grazie ai dati raccolti in tempo reale, è possibile individuare e risolvere i problemi prima che diventino critici, garantendo un livello di sicurezza più elevato.

Efficienza nella manutenzione

Il monitoraggio in tempo reale dei ponti tramite IoT permette di ottimizzare i processi di manutenzione, intervenendo solo quando e dove necessario. Ciò riduce i tempi di intervento e minimizza i disagi al traffico.

Riduzione dei costi

L’implementazione dell’IoT nel monitoraggio dei ponti può portare a una riduzione dei costi di manutenzione, grazie alla possibilità di individuare e risolvere i problemi in modo tempestivo, evitando interventi più costosi e dispendiosi in un secondo momento.

Le sfide nell’implementazione dell’IoT

Nonostante i numerosi vantaggi, l’adozione dell’IoT nel monitoraggio dei ponti comporta anche delle sfide, come la sicurezza informatica, la privacy dei dati e la necessità di investimenti iniziali per l’installazione e l’integrazione dei dispositivi. Tuttavia, considerando i benefici a lungo termine in termini di sicurezza, efficienza e riduzione dei costi, gli esperti ritengono che l’implementazione dell’IoT nelle infrastrutture sia un investimento valido e sostenibile.

Il futuro del monitoraggio delle infrastrutture con l’IoT

Il futuro del monitoraggio delle infrastrutture con l’IoT è promettente, con nuove tecnologie e soluzioni in continua evoluzione. L’intelligenza artificiale e il machine learning potrebbero essere integrati nei sistemi di monitoraggio per migliorare ulteriormente l’analisi dei dati e la previsione dei problemi. Inoltre, l’avvento della tecnologia 5G potrebbe migliorare la connettività e la velocità di trasmissione dei dati, rendendo il monitoraggio ancora più efficace e tempestivo.

Indirizzo articolo: https://bim.acca.it/monitoraggio-ponti-con-iot/