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Il monitoraggio delle strutture esistenti: vantaggi e nuovi sviluppi

Il monitoraggio rientra nelle attività fondamentali di prevenzione e controllo sugli edifici esistenti. Questa attività non si riduce però alla sola valutazione della resistenza al terremoto di un fabbricato, ma anche alla verifica del corretto livello prestazionale durante la fase di esercizio. Il monitoraggio coinvolge diversi livelli nel processo ingegneristico a partire dalla progettazione, la manutenzione, l’adeguamento e il controllo strutturale durante i terremoti (con i cosiddetti sistemi semi-attivi).

I vantaggi del monitoraggio strutturale

Il controllo continuo dello stato di salute delle infrastrutture diventa necessario per garantire elevati standard qualitativi e consente di avere i seguenti vantaggi:

  • tempestività negli interventi così da avere un controllo proattivo sul fabbricato;
  • individuazione preventiva di eventuali o possibilità criticità.

Un sistema di monitoraggio su di un’opera è composto da:

  • una rete di sensori per rilevare la risposta strutturale alle sollecitazioni esterne e le grandezze ambientali;
  • raccolta e trasmissione dei dati;
  • procedura per l’analisi dei dati per effettuare una diagnosi strutturale;
  • sistema di allerta per la gestione delle situazioni di emergenza e di intervento.

Negli ultimi anni, grazie alle innovazioni nel campo dei sensori di misura e delle tecniche di trasmissione dei dati, si sta sviluppando un altro importante utilizzo dei sistemi di monitoraggio sismico: i sistemi IoT (internet of things). Il quadro ispettivo con centraline IoT automatiche (autonome, senza SIM, alimentate da batterie al Litio di durata 10 anni) consentono un controllo in real-time con dati in cloud, fruibili da remoto senza limitazioni. In genere una valutazione dello stato di conservazione di un’opera viene condotta da tecnici mediante metodi tradizionali basati essenzialmente sull’ispezione visiva con tempi piuttosto lunghi per il censimento dell’intera zona colpita dal sisma ed inoltre conducono a valutazioni in genere conservative, sicuramente a vantaggio della sicurezza ma non dei costi.

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Applicazioni IoT (Internet of Things) per il monitoraggio delle infrastrutture

Internet of Things è un neologismo nato dall’esigenza di dare un nome agli oggetti reali connessi ad internet. IoT è anche un semaforo che regola il traffico in modo intelligente o un ponte che trasmette dati sul suo stato di salute e al superamento di una soglia predefinita attiva un allarme, ovvero oggetti che, collegati alla rete, permettono di unire mondo reale e virtuale.

Con IoT si indicano un insieme di tecnologie che permettono di collegare a Internet qualunque tipo di apparato. In ambito infrastrutturale lo scopo di questo tipo di soluzioni è sostanzialmente quello di monitorare, controllare e trasferire informazioni utili per svolgere azioni conseguenti.

schema IoT

In sintesi, con un sensore IoT è possibile:

  1. rilevare e comunicare più tipologie di dati;
  2. effettuare un primissimo livello di elaborazione a livello locale per trasferire solo quei dati che corrispondono a determinati requisiti;
  3. effettuare un primo livello di selezione e compiere azioni in funzione di indicazioni ricevute;
  4. rilevare e selezionare dati quindi trasmettere solo quelli necessari per effettuare azioni sulla base delle indicazioni ricevute e/o di effettuare azioni in funzione di una capacità elaborativa locale.

Ma cosa può essere misurato in ambito infrastrutturale con i dati rilevati? Alcuni esempi di parametri misurabili sono:

  • temperatura dell’aria;
  • umidità;
  • immagini da videocamere;
  • stati tensionali;
  • rotazioni;
  • cedimenti;
  • spostamenti;
  • accelerazioni;
  • vibrazioni;
  • impatti;
  • potenziale elettrico;
  • conteggio automezzi

… e molti altri parametri. I dati forniti dai sensori possono essere trattati statisticamente per generare analisi di tendenza finalizzate a previsioni manutentive oppure possono attivare dispositivi di regolazione del traffico; ad esempio la eventuale rottura di un trefolo di precompressione attiverà in modo manuale o automatico una specifica segnalazione nella centrale operativa del gestore che prenderà le decisioni più opportune.

Con i Sensori IoT si è aperta una nuova era per il controllo infrastrutturale e per la sicurezza stradale. Le tecnologie impiegate da Metra Lab nell’utilizzo dei sensori hanno consumi molto ridotti e usano batterie al litio che permettono una durata di 10 anni.

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Metodo geoelettrico per lo studio delle proprietà elettriche del sottosuolo

Il metodo geoelettrico consiste nella determinazione sperimentale della distribuzione della resistività (r) nel sottosuolo mediante misure eseguite dalla superficie. Le misure si effettuano immettendo una corrente elettrica di intensità (I) nel terreno attraverso una coppia di elettrodi (generalmente indicati con C1 e C2) e misurando la differenza di potenziale (V) attraverso una seconda coppia di elettrodi, generalmente indicati come P1 e P2.  La resistività (ra) è data dalla seguente relazione:

    \[ \rho_{a}=\frac{KV}{I} \]

essendo K un fattore geometrico che dipende dalla disposizione spaziale del quadripolo di misura. In pratica, la resistività così ottenuta non è quella “vera”, ma un valore “apparente” definito come la resistività che avrebbe un terreno uniforme con lo stesso rapporto V/I e la medesima disposizione del quadripolo. La relazione tra la resistività apparente e quella vera è di tipo complesso. Per determinarla è necessario applicare opportuni algoritmi matematici d’inversione. Il metodo inverso consiste, infatti, in un sistema organizzato di tecniche matematiche agli Elementi Finiti o alle Differenze Finite, le quali permettono di analizzare i dati al fine di ottenere informazioni utili sul mondo fisico. Tramite queste tecniche si genera un modello che, confrontato con i dati osservati, consente di stimare i parametri reali del modello stesso.

La multielettrodica e le immagini 2D e 3D

Inizialmente, le tecniche di acquisizione fornivano informazioni puntuali. L’avvento della multielettrodica ha consentito di effettuare tomografie di resistenza elettrica (ERT) che restituiscono immagini 2D e 3D della distribuzione della resistività nel sottosuolo mediante l’impiego di uno svariato numero di elettrodi disposti secondo una geometria ben definita dettata dal tipo di dispositivo adottato: Wenner, Wenner-Schlumberger, dipolo-dipolo, ecc. Gli elettrodi sono collegati mediante cavi multipolari, a bassa impedenza, ad una centralina di commutazione che gestisce i singoli quadripoli controllando tutte le possibili combinazioni di coppie elettrodiche dello stendimento. Ciò permette di ottenere un elevato numero di punti di misura che aumentano il grado di risoluzione e, nello stesso tempo, riduce le indeterminazioni legate alla morfologia delle strutture presenti nel sottosuolo.

Analizzando il metodo geoelettrico, per comprendere meglio il funzionamento di un dispositivo multielettrodico si consideri il profilo Wenner in cui le coppie di elettrodi sono equispaziate di una distanza a. Per questa configurazione di elettrodi il fattore geometrico k vale:

    \[ k=2\pi\alpha=\frac{2}{3}\pi L \]

essendo L la lunghezza dell’intero quadripolo.

Supponiamo di avere a disposizione 20 elettrodi. La configurazione Wenner nel metodo geoelettrico prevede la misura della resistività apparente cominciando dai primi quattro elettrodi e spostandosi verso destra. Il numero totale di misure sarà N-3 (se N indica il numero totale di elettrodi) ovvero 17. Raddoppiando la spaziature tra gli elettrodi, il numero di misure si riduce ad N-3´2 e così via finché a non raggiunge il massimo valore possibile che si ottiene moltiplicandolo per la parte intera di (N-1)/3. Vale a dire che con 20 elettrodi la spaziatura tra gli elettrodi si può moltiplicare al più per un fattore 6 permettendo di eseguire un numero massimo di misure pari a 57. Il fattore moltiplicativo di a rappresenta il livello di indagine n e più grande sarà esso, maggiore sarà la profondità di investigazione.

Dispositivo Wenner: sequenza e distribuzione delle misure nel terreno in funzione della profondità di investigazione.

La tomografia elettrica

La ricostruzione stratigrafica di un corpo di discarica può essere realizzato mediante tomografia elettrica. In particolare, mediante specifica interpretazione software è possibile effettuare la verifica della presenza del telone in HDPE con relativa valutazione dell’integrità fisica (tenuta elettrica con ubicazione delle zone di macro-rottura). In condizioni di integrità fisica della geomembrana (tipicamente 1013-1016 Ohm/m), la massa dei rifiuti risulta elettricamente isolata dall’ambiente circostante la discarica; in presenza di una lacerazione, invece, l’andamento della resistività elettrica si modifica in corrispondenza della zona di rottura della geomembrana. Essendo il percolato molto conduttivo (0.1-10 Ohm/m), per la legge di Archie, una sua eventuale infiltrazione nel terreno genera una netta diminuzione nella resistività misurata (10-200 Ohm/m in condizioni normali). Per questo motivo, con la misura della resistività apparente del livello di rifiuto e dello strato di posa del telone è possibile mettere in evidenza le zone umide, ovvero, nei casi di fuoriuscita del percolato dalle lesioni nel telone in HDPE, le “piume di contaminazione”.

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Georadar: una metodologia non invasiva per lo studio del sottosuolo

Il Ground Probing Radar (G.P.R.), o semplicemente georadar, è uno strumento d’indagine non invasiva in grado di fornire sezioni verticali del mezzo indagato denominate radargrammi.

Il suo principio di funzionamento si basa sulla trasmissione di impulsi radar ad alta frequenza nel terreno e sulla misura del tempo trascorso tra la trasmissione e la ricezione del segnale in superficie. Le onde elettromagnetiche sono irradiate nel terreno da un’antenna trasmittente posta in superficie e la loro propagazione nel sottosuolo è descritta dalle equazioni di Maxwell:

    \[ \nabla\overrightarrow{E}=\frac{\overrightarrow{\rho}_{v}}{\varepsilon} \]

    \[ \nabla\times\overrightarrow{E}=j\omega\mu\overrightarrow{H} \]

Quando l’onda elettromagnetica raggiunge una superficie di discontinuità (contrasto di impedenza elettrica), parte di essa si riflette e parte si trasmette secondo le leggi dell’ottica geometrica. Le discontinuità che determinano le riflessioni sono generalmente dovute a variazioni delle proprietà elettriche e magnetiche del mezzo irradiato rappresentate dalla permittività elettrica (e), dalla permeabilità magnetica (m) e dalla conduttività elettrica (s). Altri parametri che influenzano la propagazione delle onde elettromagnetiche in un mezzo dispersivo qual è il terreno sono: cambiamenti litologici o variazioni di densità di volume all’interfaccia stratigrafica, grado di umidità e presenza di cavità naturali o antropiche nel sottosuolo.

La profondità a cui l’energia radar può penetrare e la risoluzione del georadar, cioè la capacità di distinguere due riflettori vicini tra di loro, sono parzialmente controllati dalla frequenza (u) dell’onda radar trasmessa, oltre che dalle caratteristiche fisiche del sottosuolo. È noto, infatti, che segnali ad alta frequenza sono attenuati prima di quelli a bassa frequenza poiché il coefficiente di attenuazione (C) è una funzione lineare di u, cioè:

    \[ C=\alpha\upsilon \]

Ricordando che la frequenza è inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda (l), è doveroso sapere che un minor l consente di ottenere una maggiore risoluzione:

    \[ A=\lambda/4+Z/\sqrt{(\varepsilon+1)} \]

essendo A l’area “illuminata” della superficie orizzontale sepolta (footprint) e Z la profondità a cui si trova il riflettore.

Le configurazioni per le indagini GPR

È possibile eseguire indagini GPR adottando due diverse configurazioni: monostatica (tx=rx), cioè una sola antenna è in grado di trasmettere e ricevere il segnale; bistatica (tx+rx), ovvero prevede l’utilizzo di due antenne, con funzioni distinte, ad offset variabile. La selezione dell’offset consente, con buona approssimazione, la stima della velocità di propagazione dell’e.o.m. nel mezzo irradiato (Vm) mediante la seguente relazione:

    \[ V_{m}=Ce_{r}-\frac{1}{2} \]

essendo C ed er, rispettivamente, la velocità della luce e la costante dielettrica relativa del mezzo. Pertanto, noti il tempo di tragitto e Vm, siamo in grado di calcolare la profondità del riflettore.

Il set di antenne usualmente utilizzato ha frequenze di centro-banda comprese tra alcune decine di Mhz e qualche Ghz. La loro scelta è funzione delle caratteristiche del mezzo da indagare e della natura e dimensioni delle strutture ricercate. Generalmente, si adoperano le antenne a bassa frequenza per raggiungere profondità maggiori (qualche decina di metri con antenne da 40÷100 MHz) a discapito della risoluzione, e quelle ad alta frequenza (sino a 2500 MHz) per migliorare la risoluzione su piccole profondità di investigazione. L’ampio range delle frequenze disponibili e l’elevata direzionalità dell’o.e.m generata dall’antenna garantiscono, comunque, una buona risoluzione sia verticale che orizzontale.

I vantaggi di questa metodologia

Il georadar consente il riconoscimento di corpi sepolti purché questi presentino caratteristiche elettriche e magnetiche diverse dal materiale circostante; individua la presenza di vuoti, corpi metallici, sottoservizi (anche in plastica), strutture archeologiche e altre anomalie consentendone la stima della profondità a cui si trovano.

Le configurazioni strumentali attualmente disponibili sono in grado di coprire una vasta gamma di esigenze di prospezione. La tipologia più diffusa è quella che prevede di effettuare il cosiddetto profilaggio parallelo, ovvero l’acquisizione di una serie di profili paralleli dai quali, mediante un’opportuna correlazione, è possibile ottenere un’accurata ricostruzione tridimensionale di lineamenti sepolti e della stratigrafia del terreno. Altre modalità di acquisizione sono griglie regolari o percorsi random sulle superfici da indagare, supportati da un dispositivo GPS per il successivo posizionamento delle linee di indagine.

L’elaborazione dei dati acquisiti mediante software dedicati restituisce la sezione elettrostratigrafica del sottosuolo.


Il GPR (georadar) offre diversi vantaggi rispetto ad altre metodologie geofisiche:
La scala orizzontale rappresenta la distanza in metri percorsa dall’antenna sul terreno; la scala verticale, invece, riporta il tempo di tragitto in ns, il quale può essere convertito in profondità se è nota la velocità dei materiali attraversati. Misure di velocità possono essere effettuate eseguendo profili CMP (Common Middle Point) in configurazione bistatica. Alternativamente si può ricorrere ai valori di costante dielettrica dei diversi materiali proposti in letteratura.

  • la continuità delle sezioni consente di ottenere un dettaglio superiore a tutte le altre tecniche geofisiche;
  • la rapidità di esecuzione permette la copertura di ampie superfici in tempi estremamente contenuti;
  • il grado di risoluzione può essere scelto in un range che varia da pochi centimetri a qualche metro semplicemente cambiando l’antenna;
  • è possibile effettuare rilievi su qualsiasi tipo di superficie (con alcuni limiti nel caso di materiali che possano assorbire o schermare l’onda elettromagnetica, ad esempio coperture metalliche, terreni argillosi saturi, presenza di acqua salata, ecc.).