Monitoraggio dinamico dei ponti in acciaio: estensimetri low cost per l’identificazione modale | Articoli

L’impiego di estensimetri tradizionali, abbinati a sistemi elettronici a basso costo e ad algoritmi di posizionamento ottimale, può rappresentare un’alternativa ai sistemi convenzionali di monitoraggio dinamico basati sugli accelerometri. È quanto emerge da uno studio sperimentale condotto su una passerella pedonale in acciaio a Granada, in Spagna, e presentato da Antonio Sanchez durante FABRE 2026. La ricerca ha dimostrato la possibilità di identificare i principali parametri modali della struttura attraverso misure dinamiche di deformazione, ottenendo risultati confrontabili con quelli di un sistema di monitoraggio accelerometrico.

Monitoraggio dinamico dei ponti: limiti delle tecnologie tradizionali e potenzialità dei sensori di deformazione

La valutazione delle condizioni di conservazione e del comportamento strutturale dei ponti rappresenta una delle principali sfide per la gestione delle infrastrutture esistenti. L’invecchiamento delle opere, l’esposizione agli agenti ambientali e l’evoluzione delle condizioni di esercizio rendono sempre più importante l’adozione di sistemi capaci di osservare nel tempo la risposta delle strutture e individuare eventuali variazioni significative.

In questo contesto si inserisce il lavoro presentato da Antonio Sanchez durante FABRE 2026, sviluppato in collaborazione con Daniel Triana Camacho, Filippo Ubertini, Juan Chiachio Ruano, Enrique Garcia-Macias.

La ricerca affronta il tema dell’identificazione dinamica delle strutture attraverso misure di deformazione, con particolare attenzione alla possibilità di utilizzare sensori convenzionali e componenti elettronici a basso costo.

Il punto di partenza è rappresentato dai limiti delle tecniche tradizionali di monitoraggio dinamico. Una delle strategie maggiormente diffuse consiste nell’analizzare la risposta vibrazionale delle strutture attraverso accelerometri, ricavando parametri modali come frequenze proprie e forme modali.

L’osservazione delle variazioni di questi parametri può fornire indicazioni sull’evoluzione del comportamento strutturale e contribuire all’individuazione di possibili fenomeni di danneggiamento.

Tuttavia, come sottolineato nella relazione, l’identificazione di danni localizzati attraverso le sole frequenze naturali e forme modali può risultare complessa. Le grandezze modali globali, infatti, possono manifestare una sensibilità limitata rispetto ad alterazioni che interessano porzioni circoscritte della struttura.

Da qui nasce l’interesse per il monitoraggio dinamico basato sulle deformazioni, che permette di osservare una grandezza maggiormente legata alla risposta locale degli elementi strutturali.

In questo ambito, diverse attività di ricerca hanno già esplorato l’impiego di sensori in fibra ottica, caratterizzati da elevate prestazioni ma anche da costi che possono incidere significativamente sull’estensione e sulla diffusione dei sistemi di monitoraggio.

La domanda alla base dello studio è quindi precisa: è possibile effettuare un’identificazione dinamica affidabile utilizzando estensimetri tradizionali, riducendo sensibilmente i costi della strumentazione?

Per rispondere a questo interrogativo, i ricercatori hanno sviluppato e sperimentato un sistema di acquisizione dedicato, integrando tecniche di posizionamento ottimale dei sensori e confrontando i risultati con quelli ottenuti mediante un sistema accelerometrico convenzionale e un modello numerico.

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Il caso studio: una passerella pedonale in acciaio a Granada

La sperimentazione è stata condotta su una passerella pedonale in acciaio situata a Granada, nel sud della Spagna, caratterizzata dalla presenza di una campata principale con struttura reticolare e da elementi secondari di accesso.

La configurazione geometrica dell’opera, articolata tra campata principale, rampe e scale, ha rappresentato un caso studio particolarmente interessante per verificare la capacità delle diverse tecnologie di acquisizione di identificare sia i modi di vibrare globali sia quelli associati alle singole parti strutturali.

La disponibilità della documentazione progettuale originale ha consentito ai ricercatori di realizzare un modello numerico agli elementi finiti attraverso il software SAP2000.

Il modello ha costituito la base per la pianificazione della campagna sperimentale, consentendo di stimare preliminarmente le caratteristiche dinamiche della struttura e di individuare le posizioni più significative per l’installazione dei sensori.

La prima fase della ricerca ha previsto un monitoraggio dinamico convenzionale attraverso accelerometri ad alta sensibilità.

Considerata la complessità dell’opera, il sistema di misura è stato organizzato secondo una configurazione multi-setup, articolata in otto differenti configurazioni di acquisizione.

Questa strategia ha permesso di estendere progressivamente la copertura delle misure e ricostruire il comportamento dinamico della struttura attraverso un numero limitato di strumenti, opportunamente distribuiti nelle diverse posizioni.

La scelta dei punti di misura è stata effettuata utilizzando l’algoritmo EFI (Effective Independence), una metodologia di posizionamento ottimale che consente di selezionare configurazioni di sensori particolarmente informative rispetto ai modi di vibrare considerati.

L’obiettivo è individuare un insieme di posizioni capace di massimizzare l’indipendenza delle informazioni modali raccolte, migliorando l’efficacia dell’identificazione dinamica.

Per le acquisizioni accelerometriche è stata utilizzata una strumentazione di riferimento costituita da accelerometri ad alta sensibilità e da un sistema di acquisizione dati National Instruments.

Le misure ottenute hanno rappresentato il riferimento sperimentale per la successiva valutazione delle prestazioni del sistema basato sugli estensimetri.

Estensimetri e sistema di acquisizione low cost: metodologia e sviluppo sperimentale

La seconda fase della sperimentazione ha riguardato l’installazione di sensori di deformazione e la realizzazione di un sistema elettronico di acquisizione a basso costo.

A differenza degli accelerometri, che misurano le accelerazioni della struttura, gli estensimetri rilevano le variazioni di deformazione negli elementi sui quali vengono applicati.

Questo aspetto assume particolare rilevanza nell’analisi dinamica delle strutture, poiché le deformazioni risultano direttamente collegate alla risposta locale degli elementi e possono fornire informazioni complementari rispetto a quelle ricavate dalle misure accelerometriche.

La localizzazione degli estensimetri è stata definita ancora una volta attraverso l’algoritmo EFI, introducendo però una modifica nella procedura di selezione.

In particolare, i ricercatori hanno privilegiato, tra le possibili posizioni candidate, quelle caratterizzate da livelli di deformazione attesa più elevati.

La modifica risponde a una precisa esigenza sperimentale: migliorare il rapporto tra segnale utile e rumore di misura, particolarmente importante quando si utilizzano sistemi elettronici economici e si devono rilevare deformazioni dinamiche di piccola entità.

L’ottimizzazione del posizionamento ha quindi perseguito due obiettivi complementari: garantire una buona indipendenza delle forme modali identificate e aumentare la robustezza delle misure rispetto al rumore.

Dall’estensimetro al segnale digitale: il ruolo dell’elettronica di acquisizione

Uno degli aspetti più significativi della ricerca riguarda lo sviluppo di un sistema elettronico dedicato alla lettura dei segnali estensimetrici, realizzato utilizzando componenti a basso costo.

La configurazione comprende un ponte di Wheatstone, necessario per convertire le piccole variazioni di resistenza elettrica degli estensimetri in segnali misurabili, un convertitore analogico-digitale e una piattaforma elettronica basata su Arduino.

L’integrazione di questi componenti ha consentito di sviluppare un dispositivo destinato all’acquisizione delle deformazioni dinamiche della passerella.

La scelta di una soluzione economica costituisce uno degli elementi centrali dello studio. I sistemi di monitoraggio strutturale, infatti, possono richiedere investimenti rilevanti non soltanto per l’acquisto dei sensori, ma anche per l’elettronica di condizionamento e acquisizione dei segnali.

La possibilità di utilizzare componenti commerciali a costi contenuti potrebbe quindi favorire una maggiore diffusione delle tecnologie di monitoraggio dinamico, soprattutto in applicazioni nelle quali l’impiego di strumentazione tradizionale risulti economicamente impegnativo.

Naturalmente, il contenimento dei costi deve essere accompagnato dalla verifica delle prestazioni metrologiche e della qualità delle misure.

Proprio per questo motivo, la sperimentazione ha dedicato particolare attenzione alla valutazione del rumore acquisito e alla capacità del sistema di identificare correttamente i parametri modali della struttura.

Identificazione modale: il confronto tra accelerometri ed estensimetri

L’elaborazione dei dati acquisiti attraverso gli accelerometri è stata condotta mediante tecniche di identificazione modale operazionale, utilizzando l’algoritmo SSI-COV (Covariance-driven Stochastic Subspace Identification).

Questa metodologia permette di ricavare le caratteristiche dinamiche di una struttura analizzando le risposte vibrazionali misurate, senza la necessità di conoscere direttamente le forze che hanno generato le oscillazioni.

Le otto configurazioni accelerometriche hanno prodotto altrettante identificazioni, successivamente elaborate attraverso una procedura di clustering dei parametri modali.

L’analisi complessiva ha consentito di individuare 18 forme modali, delle quali sei associate principalmente al comportamento dinamico della campata principale.

Le restanti forme risultano invece maggiormente legate al comportamento locale delle rampe e delle scale.

Una volta definito questo quadro di riferimento, i ricercatori hanno analizzato i segnali registrati mediante gli estensimetri.

Il primo risultato significativo riguarda la qualità delle acquisizioni. Nonostante l’impiego di elettronica a basso costo, il sistema ha mostrato un livello di rumore dell’ordine di 0,25 microstrain, un valore particolarmente interessante in relazione alla tipologia della strumentazione utilizzata.

L’applicazione dell’algoritmo SSI-COV ai segnali di deformazione ha quindi consentito di identificare i parametri modali della passerella.

Il confronto con i risultati accelerometrici ha evidenziato un elemento fondamentale: tutti e sei i modi globali della campata principale identificati attraverso gli accelerometri sono stati riconosciuti anche mediante gli estensimetri.

Si tratta del principale risultato sperimentale della ricerca, perché dimostra la fattibilità dell’identificazione dinamica di una struttura reale attraverso misure di deformazione acquisite con un sistema economico.

L’analisi delle frequenze ha evidenziato valori leggermente inferiori nel caso delle acquisizioni estensimetriche.

Questa differenza non è stata interpretata come una criticità del sistema, ma è stata ricondotta anche alle differenti condizioni ambientali delle campagne sperimentali.

Durante le misurazioni con gli estensimetri, infatti, la temperatura risultava superiore di circa 15 °C rispetto a quella registrata durante il monitoraggio accelerometrico.

La variazione termica può influenzare le condizioni strutturali e i parametri dinamici identificati, rendendo necessario considerare il contesto ambientale quando si confrontano misure effettuate in momenti differenti.

Il caso studio conferma quindi un principio importante per il monitoraggio strutturale: le variazioni dei parametri modali non possono essere automaticamente associate alla presenza di danni, ma devono essere interpretate tenendo conto anche degli effetti ambientali e delle condizioni operative.

Validazione dei risultati attraverso MAC e AutoMAC: l’importanza del modello numerico

Un ulteriore passaggio dell’analisi ha riguardato il confronto delle forme modali identificate attraverso le diverse tecniche di misura e il modello numerico della passerella.

A questo scopo è stato utilizzato il MAC (Modal Assurance Criterion), un indicatore che consente di quantificare il grado di correlazione tra due forme modali.

Il MAC assume valori compresi tra zero e uno: valori prossimi all’unità indicano una forte correlazione tra le forme confrontate, mentre valori più bassi evidenziano differenze maggiori.

Nel caso analizzato, il confronto tra le forme modali sperimentali e quelle numeriche ha mostrato generalmente una buona corrispondenza, pur in presenza di un modello agli elementi finiti non ancora calibrato.

Una criticità è emersa in particolare per il terzo modo di vibrare, per il quale il livello di correlazione con il modello risultava inferiore rispetto agli altri modi.

L’approfondimento dei risultati ha tuttavia permesso di attribuire questa differenza principalmente alla rappresentazione numerica della struttura, piuttosto che a un problema di identificazione sperimentale.

Infatti, il confronto tra le forme modali ottenute attraverso estensimetri e accelerometri ha restituito, per questo modo, un valore MAC pari a circa 0,75.

L’analisi delle sole misure accelerometriche relative alla campata principale ha inoltre evidenziato che il modello numerico non riusciva a riprodurre adeguatamente la corrispondente forma modale sperimentale.

Questo risultato mostra come la validazione di un sistema di monitoraggio non possa prescindere dalla qualità del modello utilizzato come riferimento.

Un disallineamento tra risultati numerici e sperimentali, infatti, non costituisce necessariamente un’indicazione di scarsa affidabilità delle misure, ma può mettere in evidenza la necessità di aggiornare o calibrare il modello strutturale.

I ricercatori hanno inoltre esaminato la matrice AutoMAC, utilizzata per valutare l’indipendenza reciproca delle forme modali identificate.

Poiché il posizionamento dei sensori era stato definito mediante l’algoritmo EFI, ci si attendeva una matrice caratterizzata da valori elevati sulla diagonale principale e correlazioni contenute tra modi differenti.

Questo comportamento è stato riscontrato per la maggior parte delle forme identificate, mentre le principali differenze hanno interessato il primo e il secondo modo, con un valore di correlazione fuori diagonale pari a circa 0,22.

Anche in questo caso, le caratteristiche del modello numerico hanno contribuito a spiegare le differenze osservate.

Nel complesso, l’analisi ha confermato l’efficacia della strategia di posizionamento ottimale nell’ottenere informazioni modali sufficientemente indipendenti e robuste rispetto al rumore.

Prospettive applicative: verso sistemi di monitoraggio dinamico più accessibili

I risultati presentati da Antonio Sanchez a FABRE 2026 evidenziano le potenzialità dei sistemi di monitoraggio dinamico basati su misure di deformazione e strumentazione elettronica a basso costo.

La sperimentazione su una passerella pedonale reale ha consentito di verificare tre aspetti fondamentali: la possibilità di acquisire segnali estensimetrici con livelli di rumore contenuti, l’identificazione affidabile dei principali modi globali della struttura e l’efficacia degli algoritmi di posizionamento ottimale dei sensori.

L’elemento di maggiore interesse riguarda la capacità del sistema di riprodurre i risultati dell’identificazione dinamica convenzionale, pur utilizzando una tecnologia di acquisizione più economica.

Il lavoro suggerisce quindi una possibile evoluzione delle strategie di monitoraggio strutturale, nella quale le misure accelerometriche e quelle estensimetriche possono essere considerate strumenti complementari.

Mentre le prime offrono una rappresentazione consolidata del comportamento vibrazionale globale, le seconde presentano caratteristiche potenzialmente utili per approfondire la risposta locale degli elementi strutturali.

Occorre tuttavia distinguere i risultati già dimostrati dalle prospettive di sviluppo. Lo studio ha validato la capacità del sistema di identificare i parametri modali di una struttura reale, ma non ha dimostrato direttamente la capacità di individuare e localizzare danni strutturali in condizioni di esercizio.

Per arrivare a questo obiettivo saranno necessari ulteriori approfondimenti, con particolare riferimento alla stabilità delle misure nel lungo periodo, all’influenza delle condizioni ambientali e all’effettiva sensibilità dei parametri identificati rispetto a differenti scenari di danneggiamento.

Un altro tema riguarda la possibilità di trasferire la metodologia a infrastrutture di maggiore complessità, valutandone l’applicabilità in sistemi di monitoraggio continuo.

L’impiego di componenti elettronici economici, unito a procedure avanzate di elaborazione dei segnali e ottimizzazione della rete sensoriale, potrebbe contribuire a rendere più accessibili tecnologie che oggi richiedono investimenti significativi.

In questa prospettiva, il contributo della ricerca non consiste soltanto nella realizzazione di un dispositivo low cost, ma soprattutto nella dimostrazione di come la qualità dell’identificazione dinamica dipenda dall’integrazione tra tecnologia di misura, progettazione della rete di sensori e interpretazione del comportamento strutturale.

Un approccio che può offrire nuovi spunti per lo sviluppo di sistemi di Structural Health Monitoring più diffusi, flessibili e sostenibili dal punto di vista economico.

DI SEGUITO LA RELAZIONE INTEGRALE DI ANTONIO SANCHEZ.

Il testo è stato elaborato grazie alla videoregistrazione dell’intervento, con l’ausilio di strumenti di IA (ChatGpT).

IN SINTESI
– Il monitoraggio dinamico dei ponti è fondamentale per valutare il comportamento strutturale, ma i sistemi tradizionali basati su accelerometri possono presentare limiti nell’individuazione dei danni localizzati.
– La ricerca presentata da Antonio Sanchez a FABRE 2026 ha sperimentato l’impiego di estensimetri tradizionali e di un sistema elettronico low cost per il monitoraggio dinamico di una passerella pedonale in acciaio a Granada.
– L’utilizzo dell’algoritmo EFI per il posizionamento ottimale dei sensori ha consentito di migliorare la qualità delle misure, ridurre l’influenza del rumore e favorire l’indipendenza delle forme modali identificate.
– Il sistema basato sugli estensimetri ha registrato un livello di rumore di circa 0,25 microstrain, identificando tutti e sei i modi globali della struttura precedentemente individuati attraverso gli accelerometri.
– I risultati dimostrano il potenziale dei sistemi di monitoraggio dinamico a basso costo, aprendo nuove prospettive per lo Structural Health Monitoring, pur richiedendo ulteriori verifiche sulla capacità di individuare danni e sull’affidabilità nel lungo periodo.