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L’impiego delle celle di carico già integrate negli stralli può rappresentare una soluzione efficace per il monitoraggio strutturale dei ponti, consentendo di rilevare non soltanto le variazioni delle forze, ma anche le caratteristiche dinamiche dell’opera. Una ricerca presentata da Sandro Carbonari ad ANIDIS 2025 ha approfondito le potenzialità di questa metodologia, sviluppando una procedura di ottimizzazione del posizionamento dei sensori e verificandone l’applicabilità attraverso il caso studio del ponte Filomena Delli Castelli, sul fiume Saline, in provincia di Pescara.
Il monitoraggio dei ponti strallati attraverso le celle di carico
Il monitoraggio della salute strutturale dei ponti rappresenta uno degli strumenti fondamentali per garantire la sicurezza e la funzionalità delle infrastrutture nel corso della loro vita utile. In questo ambito, le tecnologie di acquisizione dei dati consentono di osservare il comportamento delle strutture, individuare eventuali anomalie e riconoscere modificazioni delle caratteristiche meccaniche che potrebbero indicare l’insorgenza di fenomeni di danneggiamento.
Nel caso dei ponti strallati, una particolare opportunità è offerta dalla presenza di celle di carico integrate nei sistemi di ancoraggio degli stralli. Questi dispositivi vengono frequentemente installati durante la costruzione dell’opera per controllare le forze trasmesse dagli elementi di sospensione e verificare le condizioni di equilibrio nelle diverse fasi di montaggio.
Terminata la costruzione, le celle possono continuare a essere utilizzate per verifiche periodiche oppure essere integrate in sistemi di monitoraggio continuo. Tradizionalmente, tuttavia, il loro impiego è orientato soprattutto alla valutazione delle condizioni statiche, attraverso acquisizioni caratterizzate da frequenze di campionamento relativamente basse.
La possibilità di acquisire i segnali a frequenze più elevate apre invece nuove prospettive, consentendo di utilizzare le stesse celle di carico anche per studiare la risposta dinamica della struttura.
Su questo tema si è concentrata la ricerca illustrata da Sandro Carbonari durante ANIDIS 2025, sviluppata insieme a Fabrizio Gara e ai ricercatori Vanni Nicoletti e Simone Quarchioni.
L’obiettivo dello studio è valutare se i sensori già presenti sugli stralli possano essere impiegati per realizzare sistemi integrati di monitoraggio statico e dinamico, riducendo la necessità di installare accelerometri o velocimetri aggiuntivi e contenendo i costi complessivi del sistema di acquisizione.
La prospettiva è particolarmente interessante dal punto di vista applicativo: sfruttare dispositivi già disponibili sull’infrastruttura significa infatti poter progettare strategie di controllo più efficienti, purché siano garantite un’adeguata qualità delle misurazioni e una corretta interpretazione dei dati raccolti.
Dalle misure di forza all’identificazione delle caratteristiche dinamiche
Uno degli aspetti centrali della ricerca riguarda la possibilità di utilizzare le misure delle forze negli stralli per identificare le caratteristiche dinamiche globali del ponte.
Le tecniche tradizionali di identificazione dinamica si basano generalmente sull’acquisizione di accelerazioni o velocità mediante sensori installati in punti opportunamente selezionati della struttura.
Attraverso l’analisi modale operazionale, i segnali registrati permettono di individuare le frequenze proprie di vibrazione e le corrispondenti forme modali, espresse in termini di grandezze proporzionali agli spostamenti.
Quando l’identificazione viene invece effettuata utilizzando le celle di carico, le informazioni disponibili sono rappresentate dalle variazioni delle forze misurate negli stralli.
Il problema consiste quindi nel comprendere se queste grandezze possano fornire indicazioni equivalenti a quelle ottenute attraverso gli accelerometri oppure se sia necessario ricostruire le forme modali in termini di spostamento.
La ricostruzione delle forme modali attraverso la matrice di deformabilità
Dal punto di vista teorico, il passaggio dalle misure di forza agli spostamenti richiede la conoscenza della matrice di deformabilità dinamica della struttura.
Considerando un modello lineare condensato sui gradi di libertà monitorati, il rapporto tra forze e spostamenti può essere espresso attraverso una relazione matriciale nella quale il vettore degli spostamenti è ottenuto moltiplicando la matrice di deformabilità per il vettore delle forze.
La matrice di deformabilità dinamica rappresenta l’inversa della matrice di rigidezza dinamica del sistema condensato. Ciascuna sua colonna descrive la risposta in termini di spostamento dei punti considerati a una forza unitaria applicata in uno specifico grado di libertà, alla frequenza di interesse.
Per determinare questa matrice è possibile ricorrere a un modello numerico della struttura, opportunamente calibrato sulla base dei risultati di campagne sperimentali.
Un’altra possibilità consiste nell’utilizzo di prove dinamiche con forzante nota, ricorrendo ad esempio a shaker o vibrodine, in modo da ricostruire sperimentalmente le relazioni tra le azioni applicate e la risposta strutturale.
Si tratta, tuttavia, di procedure che possono richiedere attività sperimentali e numeriche impegnative.
Da qui nasce una delle principali domande affrontate dalla ricerca: per valutare lo stato di salute di un ponte è sempre necessario ricostruire le forme modali in termini di spostamento oppure, in determinate condizioni, possono essere utilizzate direttamente quelle ottenute dalle misure di forza?
La questione assume particolare rilevanza nell’ambito dello Structural Health Monitoring, dove l’obiettivo principale non è necessariamente conoscere ogni dettaglio della risposta dinamica, ma riconoscere nel tempo eventuali variazioni delle proprietà strutturali.
XX Convegno ANIDIS: focus su sicurezza sismica e vulnerabilità del costruito
Ad Assisi si è svolto il XX Convegno ANIDIS, principale appuntamento per la comunità dell’ingegneria sismica. Al centro del dibattito: vulnerabilità del costruito, tecniche di rinforzo, monitoraggio strutturale, nuovi materiali, strategie multi-hazard e politiche di riduzione del rischio. INGENIO segue l’evento con video e interviste ai protagonisti.
LEGGI L’APPROFONDIMENTO
Analisi parametrica: quando le forme modali in forza possono sostituire quelle in spostamento
Per rispondere a questo interrogativo, il gruppo di ricerca ha sviluppato un’analisi parametrica considerando due differenti configurazioni dei sistemi di strallatura: lo schema ad arpa e quello a ventaglio.
Lo studio è stato impostato attraverso una formulazione adimensionale, introducendo alcuni parametri rappresentativi delle proprietà meccaniche e geometriche del sistema.
Particolare attenzione è stata dedicata al parametro Kr, definito attraverso il rapporto tra la rigidezza estensionale dello strallo più corto e una grandezza di riferimento associata alla rigidezza flessionale dell’impalcato, opportunamente adimensionalizzata.
L’analisi ha permesso di valutare la corrispondenza tra le forme modali espresse in termini di spostamento e quelle ricavate dalle misure di forza.
Per quantificare questa corrispondenza è stato utilizzato il Modal Assurance Criterion (MAC), un indicatore comunemente impiegato nell’analisi modale per confrontare due vettori modali.
Il MAC assume valori compresi tra zero e uno: valori prossimi all’unità indicano un’elevata correlazione tra le forme confrontate, mentre valori più bassi evidenziano differenze più significative.
I risultati hanno mostrato che, per lo schema ad arpa, quando il parametro Kr supera indicativamente il valore di 10⁵, le forme modali ottenute attraverso le misure di forza presentano una corrispondenza molto elevata con quelle espresse in termini di spostamento.
Nel caso dello schema a ventaglio, un comportamento analogo si osserva per valori di Kr superiori, indicativamente nell’ordine di 10⁷.
Le analisi hanno inoltre evidenziato valori del MAC generalmente elevati, nell’intervallo compreso approssimativamente tra 0,85 e 1 per le configurazioni considerate.
Questo risultato suggerisce che, in determinate condizioni, la ricostruzione delle forme modali in termini di spostamento potrebbe non essere indispensabile per le finalità del monitoraggio strutturale.
Se l’obiettivo consiste nell’individuare variazioni nel tempo delle caratteristiche modali, infatti, anche le informazioni direttamente ricavate dalle celle di carico possono rivelarsi sufficientemente rappresentative del comportamento dinamico dell’opera.
La validità di questa semplificazione dipende comunque dalle caratteristiche del sistema strutturale e deve essere valutata in relazione alla specifica configurazione del ponte.
L’ottimizzazione del numero e del posizionamento dei sensori
Un secondo aspetto affrontato dalla ricerca riguarda la definizione di una strategia per selezionare le celle di carico da includere nel sistema di monitoraggio.
Nei ponti strallati, il numero di stralli e dei relativi dispositivi di misura può essere elevato. Acquisire continuamente i segnali di tutte le celle, soprattutto ad alte frequenze di campionamento, può comportare costi significativi legati alla strumentazione, alla trasmissione e alla gestione dei dati.
Diventa quindi importante individuare un numero limitato di sensori, opportunamente distribuiti, che permetta di ottenere il maggior contenuto informativo possibile.
La scelta non può essere effettuata considerando soltanto la distribuzione geometrica delle celle, ma deve tenere conto della loro capacità di rilevare differenti tipologie di alterazioni del comportamento strutturale.
In particolare, la ricerca ha considerato due esigenze complementari: la sensibilità delle misurazioni nei confronti di danneggiamenti localizzati negli stralli e la possibilità di identificare efficacemente le caratteristiche dinamiche globali dell’impalcato.
Un algoritmo Particle Swarm Optimization per individuare la configurazione ottimale
Per affrontare il problema è stata sviluppata una procedura basata sul Particle Swarm Optimization (PSO), un algoritmo di ottimizzazione stocastico e metaeuristico ispirato ai comportamenti collettivi osservabili nei banchi di pesci e negli stormi di uccelli.
L’algoritmo esplora differenti combinazioni di sensori, cercando quella che minimizza una funzione obiettivo definita sulla base delle prestazioni richieste al sistema di monitoraggio.
La funzione proposta comprende tre contributi, opportunamente pesati mediante coefficienti compresi tra zero e uno.
Il primo contributo è finalizzato a massimizzare la sensibilità della selezione di sensori rispetto a un eventuale danneggiamento localizzato di uno strallo, valutabile attraverso le variazioni delle forze misurate.
Il secondo considera la capacità della configurazione selezionata di riconoscere modificazioni delle forme modali, attraverso il confronto con quelle della struttura in condizioni non danneggiate mediante il criterio MAC.
Il terzo contributo è invece legato all’ortogonalità dei modi identificabili con la particolare disposizione delle celle, con l’obiettivo di favorire una distinzione efficace tra le diverse forme modali.
La procedura richiede di definire preliminarmente il numero di modi che si intendono identificare e il numero di celle di carico che si desidera acquisire.
Quest’ultimo parametro può essere scelto anche in funzione delle risorse economiche disponibili.
Attraverso l’ottimizzazione della funzione obiettivo, l’algoritmo restituisce la configurazione dei sensori ritenuta più efficace rispetto ai criteri adottati.
L’approccio consente quindi di affrontare il dimensionamento del sistema di monitoraggio non soltanto come una questione di disponibilità strumentale, ma come un problema di ottimizzazione delle informazioni ricavabili dalle misurazioni.
Il ponte Filomena Delli Castelli: un caso studio per verificare la metodologia
La metodologia sviluppata è stata applicata al ponte Filomena Delli Castelli, infrastruttura strallata situata sul fiume Saline, nell’area di Pescara.
Il ponte presenta un impalcato a sezione composta acciaio-calcestruzzo, sostenuto da due travi longitudinali di altezza relativamente contenuta, nell’ordine di 1-1,2 metri.
La larghezza dell’impalcato è variabile e la configurazione strutturale comprende una porzione destinata alla mobilità ciclopedonale, con traversi aggettanti.
Particolarmente caratteristica è la geometria dei piloni, contraddistinti da una doppia inclinazione e da configurazioni differenti sui due lati dell’opera.
I piloni presentano sezioni circolari e sono parzialmente riempiti in calcestruzzo nella parte inferiore, per rispondere alle esigenze di stabilità strutturale.
I due elementi verticali sono collegati da un traverso sul quale è disposto un isolatore elastomerico con nucleo in piombo, concepito per contribuire al comportamento dell’infrastruttura in condizioni sismiche.
In corrispondenza delle spalle sono invece presenti appoggi bidirezionali bilateri, in grado di contrastare anche le azioni di trazione che possono svilupparsi in particolari configurazioni di carico.
La complessità dell’opera e la presenza di un sistema di misura delle forze negli stralli hanno reso il ponte un caso particolarmente interessante per verificare le potenzialità della metodologia proposta.
La campagna sperimentale: confronto tra celle di carico e accelerometri
L’attività sperimentale ha previsto l’acquisizione dei segnali provenienti da otto celle di carico, selezionate tra le 40 disponibili sul ponte. Parallelamente è stata condotta una campagna di identificazione dinamica tradizionale, utilizzando accelerometri e considerando complessivamente 61 punti di misura.
L’elevato numero di punti ha consentito di ricostruire con un buon livello di dettaglio le forme modali della struttura, limitando i problemi di aliasing spaziale.
I dati accelerometrici sono stati utilizzati come riferimento per valutare l’affidabilità delle informazioni ottenute attraverso le sole misure di forza negli stralli. Un primo confronto ha riguardato il contenuto in frequenza dei segnali, analizzato attraverso la densità spettrale di potenza (Power Spectral Density, PSD).
I risultati hanno evidenziato una sostanziale corrispondenza tra le informazioni contenute nei segnali accelerometrici e quelle ricavabili dalle celle di carico.
In entrambi i casi risultano infatti riconoscibili le principali componenti in frequenza associate alla risposta dinamica del ponte.
Sono emerse anche alcune differenze, legate alla presenza nei segnali di forza di specifiche componenti, tra cui una frequenza associata al comportamento di un pilone.
Queste osservazioni confermano che le celle di carico possono fornire informazioni significative non soltanto sulle variazioni statiche delle forze negli stralli, ma anche sulle vibrazioni della struttura.
I risultati del confronto modale e il ruolo del modello FEM
Per approfondire la verifica della metodologia, i ricercatori hanno sviluppato un modello numerico agli elementi finiti del ponte, successivamente calibrato sulla base dei risultati sperimentali.
Il modello FEM ha consentito di ricostruire le forme modali in termini di spostamento a partire dalle informazioni ottenute attraverso le celle di carico.
Le forme ricostruite sono state quindi confrontate con quelle individuate mediante la campagna accelerometrica.
Il confronto, effettuato utilizzando il criterio MAC, ha evidenziato valori molto prossimi all’unità per le forme modali ricostruite in termini di spostamento.
Questo risultato indica un’elevata corrispondenza con le forme modali ottenute attraverso la strumentazione accelerometrica tradizionale.
Anche utilizzando direttamente le forme modali espresse in termini di forza, senza effettuare la trasformazione in spostamenti, i livelli di correlazione sono risultati elevati.
Tale comportamento è coerente con le indicazioni precedentemente ricavate dall’analisi parametrica.
Per il valore del parametro Kr caratteristico del ponte esaminato, infatti, lo studio parametrico suggeriva un coefficiente di correlazione nell’ordine di 0,87, compatibile con la possibilità di utilizzare direttamente le informazioni in forza per il monitoraggio dinamico.
Il caso studio ha quindi fornito una prima conferma sperimentale della possibilità di ricavare informazioni modali affidabili dalle celle di carico, riducendo, nelle condizioni considerate, la necessità di ricorrere sistematicamente alla ricostruzione degli spostamenti.
Il risultato è particolarmente rilevante per lo sviluppo di sistemi di Structural Health Monitoring, nei quali l’identificazione ripetuta delle caratteristiche dinamiche può essere utilizzata per osservare l’evoluzione del comportamento dell’infrastruttura.
Quante celle di carico servono per un monitoraggio efficace?
Uno degli esiti più interessanti della ricerca riguarda il numero di celle necessario per ottenere un monitoraggio dinamico adeguato.
Applicando ripetutamente la procedura di ottimizzazione al ponte Filomena Delli Castelli, i ricercatori hanno analizzato l’evoluzione delle prestazioni del sistema al variare del numero di sensori selezionati.
L’obiettivo era comprendere se l’aumento del numero di celle acquisite producesse un miglioramento significativo delle informazioni disponibili oppure se esistesse una soglia oltre la quale i benefici diventassero marginali.
I risultati hanno evidenziato comportamenti differenti per i contributi della funzione obiettivo.
Gli indicatori associati alle prestazioni dinamiche hanno mostrato una progressiva tendenza alla stabilizzazione all’aumentare del numero di celle.
In particolare, per il caso studio considerato, una configurazione ottimizzata composta da otto celle di carico è risultata in grado di fornire informazioni dinamiche sostanzialmente equivalenti a quelle ottenibili monitorando tutte le 40 celle disponibili.
Il risultato non significa che otto sensori rappresentino una soluzione universalmente valida per qualsiasi ponte strallato. La configurazione ottimale dipende infatti dalla geometria dell’opera, dalle sue caratteristiche meccaniche, dal numero di modi da identificare e dagli obiettivi specifici del monitoraggio.
Lo studio mostra tuttavia che una selezione mirata dei punti di misura può consentire una significativa riduzione della strumentazione acquisita senza compromettere in modo sostanziale la qualità dell’identificazione dinamica.
Questo aspetto può avere conseguenze importanti sul piano economico e gestionale, soprattutto nei sistemi destinati a operare continuativamente per periodi prolungati.
Il monitoraggio in continuo e le prospettive per la gestione delle infrastrutture
La ricerca ha inoltre preso in esame i risultati del sistema di monitoraggio già attivo sul ponte Filomena Delli Castelli.
In questo caso, la disposizione delle celle acquisite era stata definita prima dello sviluppo della procedura di ottimizzazione e non rispondeva quindi ai criteri individuati attraverso l’algoritmo PSO.
Nonostante questo, il confronto tra le frequenze identificate mediante le celle di carico e quelle ottenute attraverso gli accelerometri ha confermato la possibilità di utilizzare entrambe le tipologie di misurazione per riconoscere le caratteristiche dinamiche della struttura.
Il numero di modi identificabili attraverso le celle è risultato leggermente inferiore rispetto a quanto potenzialmente ottenibile mediante una disposizione ottimizzata dei sensori.
Questa osservazione sottolinea l’importanza della scelta dei punti di acquisizione: non è sufficiente disporre di sensori capaci di rilevare la risposta dinamica, ma occorre anche distribuirli in modo da intercettare efficacemente i modi di vibrare di interesse.
In prospettiva, l’approccio proposto potrebbe contribuire allo sviluppo di sistemi di monitoraggio integrati, capaci di combinare il controllo delle forze negli stralli con l’identificazione delle frequenze e delle forme modali dell’intera infrastruttura.
L’utilizzo di una strumentazione già presente sull’opera potrebbe favorire una maggiore diffusione di queste tecnologie, limitando le necessità di installazione di nuovi dispositivi e ottimizzando i costi di acquisizione.
Resta comunque fondamentale distinguere tra la capacità di identificare una variazione del comportamento dinamico e quella di attribuirla con certezza a uno specifico danneggiamento. Le frequenze e le forme modali possono infatti risentire anche di condizioni ambientali e operative variabili, che devono essere considerate nell’interpretazione dei dati.
La ricerca presentata costituisce dunque un contributo metodologico alla progettazione dei sistemi di monitoraggio, mentre l’effettiva capacità diagnostica rispetto a differenti scenari di danno richiede verifiche coerenti con le caratteristiche di ciascuna infrastruttura.
Conclusioni: verso sistemi di monitoraggio più efficienti e sostenibili
Lo studio presentato da Sandro Carbonari ad ANIDIS 2025 evidenzia le potenzialità di un approccio al monitoraggio dei ponti strallati basato sulla valorizzazione della strumentazione già integrata negli elementi strutturali.
Le celle di carico, tradizionalmente utilizzate per controllare le forze negli stralli, possono infatti essere impiegate anche per acquisire informazioni sul comportamento dinamico dell’opera, a condizione di adottare frequenze di campionamento adeguate.
L’analisi parametrica ha permesso di individuare condizioni nelle quali le forme modali espresse in termini di forza possono rappresentare un’alternativa efficace a quelle ricostruite in termini di spostamento, semplificando le procedure di elaborazione e riducendo la dipendenza da modelli numerici complessi.
Parallelamente, lo sviluppo di una strategia di posizionamento ottimale basata sul Particle Swarm Optimization ha dimostrato la possibilità di selezionare un numero limitato di sensori, cercando il miglior compromesso tra sensibilità ai danneggiamenti locali e qualità dell’identificazione dinamica.
L’applicazione al ponte Filomena Delli Castelli ha fornito riscontri sperimentali incoraggianti, mostrando un’elevata corrispondenza tra le informazioni ricavate dalle celle di carico e quelle ottenute attraverso una campagna accelerometrica tradizionale.
Particolarmente significativo è il risultato relativo alla configurazione ottimizzata di otto celle, che nel caso analizzato ha consentito di ottenere informazioni dinamiche sostanzialmente comparabili a quelle derivanti dall’acquisizione di tutti i sensori disponibili.
Le evidenze raccolte aprono quindi prospettive interessanti per la progettazione di sistemi di Structural Health Monitoring economicamente più sostenibili e capaci di integrare, attraverso un’unica rete di misura, il controllo statico e quello dinamico delle infrastrutture.
Un approccio che, pur richiedendo ulteriori verifiche e adattamenti ai singoli casi applicativi, può contribuire a rendere il monitoraggio strutturale più efficiente e accessibile, valorizzando al massimo le informazioni ottenibili dai dispositivi già presenti sui ponti.
DI SEGUITO LA RELAZIONE INTEGRALE DI SANDRO CARBONARI.
Il testo è stato elaborato grazie alla videoregistrazione della relazione, grazie a strumenti di IA (ChatGpT).
IN SINTESI
– Le celle di carico integrate negli stralli possono essere utilizzate non solo per il monitoraggio statico dei ponti, ma anche per l’identificazione delle loro caratteristiche dinamiche.
– La ricerca presentata da Sandro Carbonari ad ANIDIS 2025 ha dimostrato che, in determinate condizioni, le forme modali ricavate dalle misure di forza possono fornire informazioni comparabili a quelle ottenute tramite accelerometri.
– È stata sviluppata una procedura di ottimizzazione basata sull’algoritmo Particle Swarm Optimization (PSO), per individuare il numero e il posizionamento più efficiente dei sensori.
– L’applicazione al ponte Filomena Delli Castelli, sul fiume Saline, ha evidenziato che otto celle di carico opportunamente selezionate possono fornire informazioni dinamiche sostanzialmente equivalenti a quelle ottenibili monitorando tutte le 40 celle disponibili.
– I risultati aprono nuove prospettive per sistemi di monitoraggio strutturale più efficienti ed economicamente sostenibili, capaci di integrare il controllo statico e dinamico delle infrastrutture riducendo la necessità di strumentazione aggiuntiva.