Zezelj Bridge, Novi Sad.
Il nuovo Ponte Zezelj Bridge a Novi Sad (in costruzione). Fonte: Shutterstock.com

Monitoraggio dei ponti tramite la tecnologia di misura HBM

Una soluzione di monitoraggio con 472 sensori consente un controllo a lungo termine delle prestazioni del ponte

Il ponte Žeželj Bridge era un ponte ad arco sul Danubio destinato al traffico su ruote e rotaie a Novi Sad, in Serbia. Fu costruito nel 1961 da un famoso ingegnere civile, Branko Žeželj. A quell’epoca, si trattava della prima costruzione realizzata in cemento pretensionato, quindi in molti nutrivano  dubbi riguardo alla durata della stessa. Per dare delle rassicurazioni, Branko passò su una barca a remi sotto il ponte durante le prove di carico. 

Tuttavia, durante i bombardamenti NATO del 1999, il ponte fu7 bombardato 12 volte e alla fine, dopo diversi attacchi diretti, fu distrutto il 23 aprile 1999. Fu l’ultimo ponte di Novi Sadi a crollare durante la spedizione NATO “Operazione Forza Alleata”.

Un nuovo ponte che collega persone, paesi ed economie

Attualmente, è in fase di ricostruzione un nuovo Ponte Žeželj; il termine dei lavori è previsto per la fine del 2017. Il design sarà molto simile a quello del ponte precedente, mentre ci saranno delle differenze per quanto riguarda il materiale, che sarà costituito da archi in acciaio. Sarà lungo 474 m e avrà due binari ferroviari per il traffico internazionale oltre a due corsie per il traffico su strada e due piste ciclabili e pedonali.

L’Unione Europea finanzia questo progetto in quando si tratta di una linea di trasporto fondamentale per gli Stati dei Balcani e l’UE.


Mechanical structure of a bridge
Struttura meccanica del nuovo ponte (grafica TRC)

Le moderne progettazioni richiedono soluzioni di monitoraggio efficienti

Il comportamento dei ponti stradali e ferroviari richiede un sistema di monitoraggio estremamente complesso, a causa del tipo e dell’intensità dei carichi (parametri variabili) e anche perché la sicurezza strutturale di un ponte è importante per la vita quotidiana.

Il Dipartimento di Ingegneria Civile e Geodesia (FTN – Facoltà di Scienze Tecniche, Novi Sad) in collaborazione con TRC PRO (Centro di Ricerca Tecnica) sta utilizzando la tecnologia di misura di HBM per la costruzione in sicurezza del nuovo ponte stradale e ferroviario.

Il monitoraggio strutturale avviene tramite una serie di attività che comprendono l’osservazione, l’acquisizione dei dati, il trasferimento e l’analisi dei dati acquisiti tramite misurazioni a lungo termine durante l’utilizzo del ponte. Il monitoraggio strutturale del ponte è finalizzato alla creazione di un database da utilizzare per tenere traccia del comportamento della struttura del ponte al fine di evitare possibili deterioramenti della sicurezza e delle prestazioni (capacità portante, rigidezza, funzionalità e durata) del ponte stesso.


PMX Data Acquisition System
Sistema di acquisizione dati PMX

Tecnologia dei sensori affidabile

Gli strumenti di base utilizzati per le misurazioni sono gli estensimetri, che vengono fissati direttamente alla struttura del ponte oppure vengono applicati come elemento di rilevazione nei sensori di forza. I sensori basati su estensimetri hanno il vantaggio di offrire una maggiore stabilità a lungo termine. Questo aspetto è molto importante per questo progetto perché sono operativi per tutta la durata di vita del nuovo ponte e non è possibile interrompere il monitoraggio per effettuare nuove tarature.

Inoltre, gli estensimetri HBM serie LY41-series, utilizzati in questa applicazione, offrono una buona compensazione di temperatura, indispensabile in quanto la struttura è soggetta a condizioni climatiche e di temperatura molto variabili.

Per l’acquisizione dati, viene utilizzato il sistema PMX di HBM. 

Dopo l’installazione, il punto di misura viene coperto per prevenire danni e interferenze elettromagnetiche (EMI).

Sezioni critiche del ponte

Questo progetto è costituito da una configurazione multicanale distribuita per l’osservazione permanente delle sezioni critiche del ponte:

  • Analisi sperimentale delle sollecitazioni (prove di durata): 4 zone a metà campata, 8 zone di supporto e 2 zone in fase di varo;
  • Misurazione della forza negli stralli: 12 stralli;
  • Dislocamenti verticali: 12 zone a metà campata e 8 zone di supporto;
  • Dislocamenti longitudinali: 4 zone di supporto;
  • Inclinazioni: 12 zone a metà campata e 9 zone di supporto;
  • Parametri di smorzamento, accelerazione e frequenza: 12 zone a metà campata e 9 zone di supporto e
  • Misurazione della temperatura nella struttura del ponte: 12 zone a metà campata e 9 zone di supporto.
Installed strain gauge on a bridge
Sensore basato su estensimetri con compensazione della temperatura fissato direttamente alla struttura del ponte (fotografia TRC)
Protected strain gauge
Punto di misurazione dell’estensimetro con rivestimento di protezione (fotografia TRC)
PMX Data Acquisition System on the bridge
Posizione del sistema di misurazione e controllo PMX sul nuovo ponte
Bridge structure with PMX
Struttura del ponte con posizione dei sistemi di monitoraggio PMX (indicati in rosso)
Construction and monitoring detail
Dettaglio di costruzione e monitoraggio in una zona di supporto

472 sensori installati

Il numero totale di sensori e trasduttori installati è pari a 472:

  • 328 estensimetri HBM (LY41-series) in 14 sezioni (analisi sperimentale delle sollecitazioni),
  • 80 trasduttori di forza (monitoraggio delle forze negli stralli)
  • 12 trasduttori di dislocamento in 4 sezioni di supporto mobili (per dislocamenti verticali),
  • 32 inclinometri biassiali (per la misurazione di inclinazione biassiale e dislocamento verticale da accelerazione) con accelerometri triassiali integrati
  • e sensori di temperatura in 20 sezioni strutturali e una sezione della zona del pilone centrale.

Le regolazioni del sistema possono essere realizzate direttamente in corrispondenza del punto di misura

Il sistema di misurazione, acquisizione dati e controllo deve svolgere molteplici compiti (misurazioni rapide e affidabili, impostazioni semplici, calcoli in tempo reale, informazioni diagnostiche), non deve richiedere l’installazione di software aggiuntivo e deve avere un ottimo rapporto qualità-prezzo. Il sistema di misurazione e controllo PMX risponde a tutte queste esigenze.

Per una maggiore protezione da polvere ed emissioni elettromagnetiche, l’unità di acquisizione dati PMX è stata montata in un armadietto, che costituisce una soluzione economica e consente anche l’alimentazione elettrica.

Nella prima fase, tutti i segnali vengono campionati con 19,2 kHz per garantire una larghezza della banda di misurazione ampia e una buona valutazione dei segnali di misura. Tutte le regolazioni del sistema PMX vengono gestire tramite l’interfaccia Ethernet standard e il server web PMX interno.

Questa soluzione offre un grande vantaggio: Le regolazioni possono essere effettuate direttamente presso il punto di installazione oppure tramite la rete Ethernet nella sala controllo o addirittura in remoto nel caso in cui sia disponibile un ulteriore collegamento WiFi. In questo modo, tutti i tecnici possono avere una visione in tempo reale dell’applicazione e dello stato della prova. Un dispositivo di controllo operatore impedisce che vengano eseguite operazioni non sicure.

PMX mounted in a cabinet
Sistema di monitoraggio PMX montato in un armadietto nella struttura del ponte (fotografia TRC)
Screenshot of the PMX webserver
Visione d’insieme del server web PMX con segnali di misura, segnali calcolati e segnali di I/O (HBM)

Sistema di archiviazione dati

I requisiti indicati richiedevano lo svolgimento di molti compiti. Per il monitoraggio a lungo termine, tutti i dati acquisiti dai sistemi PMX vengono trasmessi tramite la rete Ethernet situata nel ponte a un server di dati dove vengono analizzati e controllati. Ogni PMX dispone però di un registratore di dati interno, utilizzato come strumento di backup e archivia i dati nella memoria interna con indicazione di data e ora. In questo modo, i dati di misura non vanno persi in caso di guasto della rete Ethernet. Una volta che la rete riprende a funzionare, i dati possono essere trasferiti da ogni singola stazione PMX al server di dati.

Costruzione di una rete di monitoraggio delle condizioni

I sistemi di monitoraggio PMX sono disposti lungo tutto il ponte, ossia per una distanza di circa 500 m. Per ottenere risultati di misura validi, la frequenza di campionamento di ogni sistema PMX e di ogni canale di misura devono essere sincronizzate. Per questo, ogni sistema PMX offre un’opzione di sincronizzazione.

Le funzioni Smart di PMX consentono di ottenere calcoli potenti in tempo reale

Nella seconda fase, le informazioni richieste e rilevanti devono essere calcolate in tempo reale. Per farlo, è possibile utilizzare le funzioni Smart di PMX, facili da usare per l’operatore anche senza competenze software avanzate. Le funzioni Smart comprendono molte funzioni matematiche come una calcolatrice tascabile, funzioni logiche, valutazioni di processo oltre che funzioni di controllo come il controllo PID.

Diagnostica in tempo reale con il sistema di monitoraggio PMX

Il file di log, che contiene dati di diagnostica più dettagliati, viene archiviato nella memoria interna del PMX. Contiene dati relativi a tutti gli errori che possono verificarsi nel dispositivo e nelle operazioni di misurazione, oltre a tutte le modifiche di parametrizzazione effettuate dagli operatori. Ciò consente una copertura totale dell’intero processo di prova e misura.

Raccolta e analisi dei dati

Il team di tecnici ha indicato nei requisiti un software di acquisizione e analisi dati potente, robusto e facile da usare. “Il sottosistema per l’elaborazione dei dati (sistema di computer multiuso per l’acquisizione, il trasferimento e l’elaborazione dei dati) acquisito dai PMX di HBM utilizza un software HBM personalizzato e facile da usare per la presentazione dei dati su catman di HBM”, afferma Hotimir Licen di TRC PRO.

Con catman, è possibile archiviare e visualizzare tutti i dati in maniera completa. È possibile impostare pannelli utente grafici e registratori dati diversi per i diversi compiti di monitoraggio. È inoltre possibile ottenere un sistema di monitoraggio eventi con invio combinato di e-mail o notifiche push a un telefono mobile. Ciò permette di ottenere un feedback immediato del compito di monitoraggio e il dispositivo di controllo del ponte può reagire e impostare il segnale stradale corretto per regolare il traffico sul ponte e ridurre le sollecitazioni sullo stesso.

Data logging with PMX
Registrazione dati con PMX

“PMX WebServer è uno strumento molto utile per la parametrizzazione, l’impostazione e il controllo. Non c’è stato bisogno di utilizzare un software aggiuntivo per usare la versione standard di WebBrowser sui nostri PC, smartphone e tablet. Inoltre, è sempre disponibile in tempo reale su tutta l’area del ponte”

Hotimir Licen di TRC PRO

Buoni risultati anche con budget limitati

Il budget per il monitoraggio delle condizioni strutturali era limitato: per questo, la scelta è ricaduta sulla piattaforma PMX, una soluzione con un ottimo rapporto qualità-prezzo. Secondo Hotimir Licen di TRC PRO, PMX offriva i seguenti vantaggi:

  • Ottima precisione e alta risoluzione
  • Capacità di misurare eventi sia statici che dinamici
  • Un sistema universale per sensori per il ponte basati su estensimetri e induttivi
  • Analisi delle sollecitazioni con compensazione della temperatura dell’hardware di ogni canale con configurazione half bridge.
  • Un sistema distribuito con interfaccia Ethernet
  • Misure sincronizzate di tutti i canali tramite sincronizzazione temporale NTP
  • Funzionamento stand-alone con archiviazione dati su disco USB locale nel sistema PMX e accesso remoto a un PC con software catman HBM