Perché i Sistemi SHM fanno bene alle infrastrutture

I sistemi Structural Heath Monitoring monitorano lo stato di salute delle strutture segnalando in tempo utile le condizioni che possono portare ad un crollo

A cura dell’Ing. Giovanni Manco

SGI-Stati Generali per l’Innovazione

Ing.gio.manco@gmail.com

I costi e la sicurezza delle infrastrutture civili giocano un ruolo vitale per lo sviluppo socioeconomico di un Paese. Per queste ragioni è necessario che il mondo delle costruzioni faccia sempre di più propri i risultati dell’ingegneria della manutenzione raggiunti in altri ambiti industriali attraverso anche l’uso di strumenti e sistemi ICT (Information&Communication Technology).

In questo quadro vanno considerati i moderni sistemi di SHM (Structural Heath Monitoring), che hanno lo scopo di monitorare in modo continuo lo stato di salute della struttura consentendo una migliore ed efficiente manutenzione e, soprattutto, segnalando in tempo utile le condizioni che possono portare ad un crollo. Nel mondo già da alcuni anni esistono applicazioni di sistemi SHM per infrastrutture civili; applicazioni che  stanno cambiando  il modo di fare  manutenzione ed  allungando  il tempo di vita utile della struttura sfruttando anche il modello Industria 4.0. In particolare stanno consentendo il passaggio dal paradigma del Safe Life (ad es. uso di coefficienti di sicurezza nel dimensionamento) e della  manutenzione programmata  svolta secondo un Piano di Manutenzione, a quello del Damage Tolerance (Fail Safe) e, quindi, delle azioni di  manutenzione  predittiva e migliorativa. Un sistema SHM consente di controllare lo stato di salute della struttura, attraverso  valutazioni NDE (Non-Destructive Evaluation)  di  tipo statico o dinamico, la localizzazione dei  problemi/difetti, producendo  i dovuti allarmi e  indicazioni sulla vita in sicurezza residua (Safe lifetime).

La  sua realizzazione  richiede uno sforzo multidisciplinare che attiene a diverse discipline (in particolare all’ingegneria civile ed elettronica, e all’ICT). Infatti,  non si tratta solo di posizionare sensori/attuatori e raccogliere ed elaborare dati, ma di  conoscere il modello strutturale dell’opera stessa, le sollecitazioni, i meccanismi di degrado  e  i criteri per la valutazione del suo stato. I dati raccolti possono essere utilizzati per post analisi dei problemi strutturali verificatosi e, se serve, in indagini forensi. In concreto un sistema SHM è in grado di fornire un indicazioni  molte oggettive sullo stato dell’opera, utili per intraprendere azioni di manutenzione critiche o per decidere di limitarne l’uso (per esempio chiusura del traffico di un ponte). La norma UNI/TR 11634:2016 fornisce le linee  guida per il monitoraggio strutturale.

Un sistema SHM  può essere impiegato anche durante la fase di costruzione, consentendo così di verificare le ipotesi progettuali e di controllare le operazioni di realizzazione. A questi obiettivi possono contribuire anche le  tecniche di simulazione e quanto prima, per le nuove costruzioni,  l’impiego  BIM (Building Information Modelling).  Da alcune esperienze di utilizzo per ponti risulta che un sistema SHM  consento di  ridurre il costo  dell’intero ciclo di vita di un’opera di c.a. il 10%.

L’architettura di un SHM è di tipo distribuita, e  può essere destinata al monitoraggio   di una o più strutture. In  generale può impiegare  soli dispositivi e apparati sistemati a terra ( SHM terrestre) e/o di sensori alloggiati come payload  su satelliti per la Earth Observation (ad esempio la costellazione  Cosmo Skymed) o su arei (impiego di elicotteri o droni).
I sistemi satellitari fanno uso della tecnologia InSAR (Interferometric Syntetic Aperture Radar), ma visto la tempistica di acquisizione (anche diversi giorni) dei dati consente solo un monitoraggio di tipo statico. Pertanto è opportuno integrarli con dei sensori a terra. I sistemi basati su droni, usano come payload videocamere o termocamere ad alta definizione, sensori multispettrali, Lidar (Laser Imaging Detection and Ranging). I vantaggi e i limiti di questi sistemi sono in buona parte comuni a quelli satellitari. Spesso sono impiegati solo per ispezioni visive in supporto alle attività di sistemi SHM terrestri. Quest’ultimi possono realizzare sia il monitoraggio statico e sia quello dinamico. I sensori/attuatori impiegati  appartengono a diverse tipologie e sono basati su diversi metodi e tecnologie, gli esempi più importanti sono: estensimetri, accelerometri, inclinometri, misuratori di parametri ambientali o chimici (misuratori di temperatura, anemometri,..). Per quanto riguarda le tecnologie utilizzate, oltre a quelle resistive, piezoresistive e piezoelettriche,  si vanno sempre di più diffondendo le MEMS-Micro Electro-Mechanical Systems (utilizzate per estensimetri, inclinometri e accelerometri) e FBG-Fiber Bragg Grating (utilizzate per estensimetri, accelerometri , misuratori temperatura ecc.). Per la connessione dei vari sensori/attuatori (che sono di fatto degli IoT) ai sottosistemi di acquisizione e elaborazione dei dati, si tende ormai a utilizzare delle WSN (Wireless Sensor Network  Std IEEE 802.15.4x), anche se esistono le  altre classiche  modalità. Essi poi devono essere affidabili (con un lungo ciclo di vita), avere dei bassi consumi di energia elettrica.  Infatti uno dei problemi dei sistemi SHM sono proprio i malfunzionamenti dei sensori.  

In futuro la diffusione dei sistemi SHM è destinata a crescere, mentre il rapporto costo/prestazione è  destinato a diminuire.

Per quanto riguarda lo sviluppo tecnologico,  certamente per strutture complesse sarà diffuso l’uso di BIG Data – che in futuro sarà meglio chiamare Full Data – e dell’IA (ad es. reti neurali artificiali).  A tal fine sarà  bene che oltre a un catasto SINFI (Sistema Informativo Nazionale Federato delle Infrastrutture) delle infrastrutture civili, si creino delle vere banche dati regionali o nazionali con la storia di tutti i comportamenti (anche in presenza di danni) delle strutture monitorate.

Inoltre, si ipotizza l’impiego di materiali NDERM (NDE Evaluation Ready Material), quindi a SMS (Smart Materials/Structures) con sensori embedded,  già pronti  per essere monitorati. Ma in tema di materiali innovativi  bisogna dire che la Ue e il nostro Paese, seguendo l’esempio degli USA, devono essere meno conservativi nel consentirne l’uso. A tal scopo è opportuno che si investa di più sulle attività  relative allo loro sperimentazione  e qualificazione. La stessa ingegneria civile, deve accelerare il passaggio dalla cultura del progetto a quello della manutenzione e gestione. Infine  maggiore cura deve essere destinata alla formazione delle persone coinvolte.