Manutenzione predittiva con sensori innovativi

ITS& smart road

MANUTENZIONE PREDITTIVA

CON SENSORI INNOVATIVI

WISESENSING: SENSORI AUTO-ALIMENTATI PER IL MONITORAGGIO STRUTTURALE DI PONTI E VIADOTTI

IL PATRIMONIO INFRASTRUTTURALE ITALIANO

L’invecchiamento delle opere infrastrutturali non è un problema solo italiano. Tuttavia, in Italia, è aggravato da diversi fattori: prendendo ad esempio il campo di ponti e viadotti, tra essi spicca la mancanza di conoscenza dello stato di salute della maggioranza delle strutture. L’Italia vanta un patrimonio di circa 1,8 milioni di edifici, di cui 1,5 milioni sono ponti e viadotti: l’età media di queste strutture ha ormai superato i 50 anni di età, che rappresentano la durata di vita di una struttura in calcestruzzo costruita con le tecnologie degli anni Cinquanta-Sessanta. Di questi, solo circa 65.000 sono ad oggi monitorati, e pertanto se ne conosce lo stato di rischio. Sugli altri, data la mancanza di un Catasto delle Strade funzionante, si sa poco o nulla: la rete italiana è esposta a forti rischi di danneggiamento e cedimento improvviso, che si stanno, purtroppo, concretizzando. È diventata dunque evidente la necessità di un monitoraggio capillare tramite strumenti che consentano la manutenzione predittiva: è necessario segnalare le anomalie ben prima che l’opera subisca danneggiamenti gravi e irreparabili, e che quindi debba essere sottoposta a costosi ammodernamenti o, addirittura, alla demolizione. D’altra parte, l’attuazione di una tale rete di monitoraggio è rallentata principalmente dalle previsioni sul costo totale, che può facilmente esplodere, rendendola di fatto impossibile, soprattutto se si considerano le difficoltà di installazione e di manutenzione di reti di sensori tradizionali, cablati o a batterie, su molte delle strutture più vecchie.

WISEPOWER: ENERGY HARVESTING TECHNOLOGIES

L’Azienda perugina Wisepower Srl, già spin-off dell’Università degli Studi di Perugia, è da anni impegnata nel settore dell’energy harvesting (raccolta di energia dall’ambiente) per alimentare piccoli dispositivi portatili: la sua peculiarità risiede nello sfruttare le vibrazioni presenti nell’ambiente per recuperare energia sufficiente al funzionamento dei propri dispositivi. Un tale risultato è reso possibile, oltre che da un’attenta progettazione orientata all’applicazione, dallo sfruttamento di dinamiche non-lineari per i propri harvester, che consentono una risposta in banda più ampia rispetto a un sistema lineare di volume comparabile, e quindi una maggiore quantità di energia raccolta da vibrazioni ad ampia banda, come quelle ambientali. All’assenza di cablaggi per l’alimentazione o di batterie che necessitino la sostituzione periodica, Wisepower unisce la comunicazione wireless, che si declina secondo diverse tecnologie e protocolli in diverse applicazioni, al fine di creare dispositivi

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completamente wireless, di veloce installazione e che necessitino una manutenzione minima. In questa direzione si sviluppa WiseSensing, sensore autoalimentato e completamente wireless, sviluppato per il monitoraggio di ponti e viadotti autostradali. WiseSensing sfrutta le vibrazioni ambientali e la luce solare per la ricarica di una batteria integrata, che ne consente il funzionamento per diverse settimane in caso di mancanza di tutte le fonti, grazie a un’efficiente elettronica integrata per l’ottimizzazione della ricarica concorrente da due sorgenti elettricamente molto differenti. Il meccanismo di energy harvesting, anche in questo caso, può essere leggermente differenziato a seconda delle frequenze in gioco nelle diverse applicazioni: in caso di vibrazioni disperse alle basse frequenze si preferisce sfruttare un convertitore elettromagnetico, mentre nel caso di vibrazioni a frequenze maggiori si preferisce utilizzare delle cantilever piezoelettriche, in ragione della loro rigidità. In entrambi i casi, la dinamica non-lineare brevettata da Wisepower consente delle performance migliori rispetto ai tradizionali oscillatori nella raccolta di eccitazioni meccaniche a largo spettro, come quelle ambientali.

LE CARATTERISTICHE TECNICHE DI WISESENSING

WiseSensing contiene due accelerometri MEMS: uno a bassissimo consumo campiona continuamente l’oscillazione della struttura ed effettua una misura solo se l’accelerazione rilevata è soprasoglia. L’altro, ad alta risoluzione (3,9 µg/digit) e basso rumore (25 µg/Hz), viene svegliato periodicamente, per effettuare delle acquisizioni di lunghezza variabile che consentano, in post-processing, lo studio delle frequenze proprie della struttura: un eventuale discostamento prolungato

nel tempo dalle frequenze caratteristiche per la struttura potrebbe evidenziare un danneggiamento. Inoltre, per consentire anche lo studio delle forme modali, la sincronia delle acquisizioni è garantita dall’integrazione in ogni sensore di un modulo GPS, che sveglia l’accelerometro con precisione dell’ordine delle decine di nanosecondi. Infine, un sensore di temperatura permette una migliore correlazione dei dati, al fine di escludere dall’analisi strutturale eventuali effetti della 2A e 2B. WiseSensing è il sensore per monitoraggio strutturale di Wisepower, temperatura, sia sul sensore che sulla struttura.autoalimentato da vibrazioni ed energia solare Oltre a quella dinamica, WiseSensing consente anche l’analisi statica: l’accelerometro più performante, infatti, può anche essere utilizzato come inclinometro per i due angoli rispetto alla verticale, con una risoluzione testata fino al 0,01°, che può essere incrementata, ove necessario, sia allungando il tempo di misurazione che integrando un inclinometro aggiuntivo. La comunicazione dei dati avviene tramite protocollo Zigbee, cellulare o Wi-Fi, così da consentire anche la costruzione di una infrastruttura ottimizzata sulle caratteristiche e sulle necessità dell’ambiente in cui si trova. LoRa può essere, invece, utilizzato per la sola analisi statica, in ragione delle sue limitazioni nella quantità e nella lunghezza dei pacchetti inviabili. I dati vengono poi inviati per l’elaborazione su un server remoto, direttamente o tramite un gateway installato in loco. A seconda delle necessità, l’analisi del dato può essere lasciata all’utilizzatore, a cui vengono forniti i file di dati grezzi in formato testuale. In alternativa, Wisepower si avvale della collaborazione con diversi team di Ingegneri Strutturisti, come il DICA dell’Università degli Studi di Perugia e la Facoltà di Ingegneria dell’Università La Sapienza con il suo spin-off Diamonds, al fine di fornire un risultato già facilmente interpretabile, e di inviare gli eventuali allarmi.

LA SPERIMENTAZIONE SU VIADOTTI AUTOSTRADALI

WiseSensing nasce all’interno di una collaborazione tra ANAS SpA, Associazione mondiale per la strada (AIPCR), Diamonds Srl e Wisepower Srl tesa allo sviluppo di un prodotto innovativo per il monitoraggio strutturale che unisca facilità di installazione e piccolo ingombro ad alte performance e basso costo. 3. Il posizionamento dei sensori sul viadotto Biedano della S.S. 675: i punti rossi indicano i sensori stessi e, cerchiati in giallo, sono quelli i cui dati vengono presentati in Figura 4 4. I dati dei sensori di Figura 3: a sinistra sono presentate le accelerazioni registrate in una presa dati e a destra i relativi spettri

MONITORAGGIO STRUTTURALE

In questo contesto, 42 sensori sono stati installati in via sperimentale e sono stati attivi per un anno, a partire dal Dicembre 2018, su tre viadotti della S.S. 675, sul nuovo tratto tra Orte e Civitavecchia. Dopo una breve fase di calibrazione dei parametri di acquisizione, finalizzata a trovare il miglior compromesso tra consumi e performance nel caso specifico, è iniziata la vera e propria fase di acquisizione dei dati, che ha portato alla costruzione di un database delle risposte dinamiche dei viadotti in diverse condizioni di traffico e meteo, che è poi servito negli ultimi mesi e servirà in futuro come base per una accurata analisi degli scostamenti della dinamica dai valori caratteristici e per il settaggio delle soglie di allarme. In Figura 4 vi è un esempio di dati da tre sensori posizionati a circa 50 m l’uno dall’altro, come da Figura 3. In questo caso, l’analisi del dato, in chiave di manutenzione predittiva, è stata affidata a Diamonds Srl, che ha anche sviluppato una app dedicata per la gestione e la visualizzazione dei dati elaborati. I sensori hanno funzionato ininterrottamente per un an-

no, senza mostrare carenze energetiche nemmeno nei periodi più piovosi e con più bassa illuminazione. Inoltre, non hanno necessitato di interventi di manutenzione, rappresentando un notevole successo rispetto ai loro scopi progettuali.

LA SPERIMENTAZIONE SU PONTE STORICO

In un contesto simile si è posta anche la spe5. Il sensore WiseSensing montato sulla base rimentazione su un ponte strallato di valore dello strallo del ponte storico di Roma, atta alla valutazione di una varietà di sensori. Un sensore WiseSensing è stato installato sulla base di uno degli stralli ed un secondo è stato fissato al centro di una campata nella parte inferiore della struttura. Per entrambi il bloccaggio è avvenuto tramite un’apposita piastra di montaggio in ferro, che garantisce l’accoppiamento ottimale con la struttura e l’assenza di disturbi ad alta frequenza, dati dal vento o da altri fattori esterni. Lo scopo del test era verificare la capacità di determinare le frequenze proprie del ponte stesso. Nelle Figure 6A e 6B si possono vedere due acquisizioni, rispettivamente del sensore sullo strallo e di quello sulla campata, in condizioni di traffico diverse: le rilevazioni ben si allineano con le frequenze proprie attese per la struttura.

LA FLESSIBILITÀ APPLICATIVA

WiseSensing, in conclusione, rispetta pienamente i suoi scopi progettuali, presentandosi come una soluzione per il monitoraggio strutturale di ponti e viadotti compatta, di facile installazione e con necessità di manutenzione quasi nulla. In aggiunta, WiseSensing per sua natura è uno strumento estremamente flessibile e che può essere usato in una molteplicità di casi. In particolare, nell’ultimo anno è stato sperimentato in applicazioni diversificate, tra cui la valutazione dello stato di salute del Tempio di Minerva Medica a Roma, il monitoraggio delle frequenze di oscillazione e dell’inclinazione di torri di telecomunicazioni e il monitoraggio di eventuali urti sulle tubature aeree dei gasdotti. Verrà inoltre sperimentato anche per il monitoraggio ed il riconoscimento del traffico pesante sui cavalcavia e per il monitoraggio delle soglie di accelerazione raggiunte da edifici in fase di ristrutturazione e ammodernamento. La stessa sensoristica in dotazione può essere customizzata e modificata, così come i protocolli di comunicazione, in modo da adattare il prodotto all’applicazione: il tutto, ovviamente, mantenendo una compatibilità energetica con le fonti dispo6A e 6B. L’acquisizione su tre assi del sensore posizionato alla base dello strallo in cui nibili, così da assicurare la piena autonomia si possono riconoscere distintamente le frequenze caratteristiche del ponte, in linea con quelle attese (6A), e di quello posizionato sulla campata in cui è presente una maggiore del sensore. n componente a bassa frequenza, data dalla vibrazione della campata stessa, meno rigida dello strallo (6B) (1) Direttore Tecnico di Wisepower Srl