Monitoraggio del comportamento strutturale e dell’integrità di un ponte durante un complesso processo di recupero

Progettato nel 1922 e aperto al traffico quattro anni dopo, nel 1926, il ponte brasiliano Hercílio Luz è stato il primo collegamento su strada tra l’isola di Florianópolis, parte dello stato di Santa Catarina, e il continente. Installato in un’area costiera, per oltre 90 anni ha subito aggressioni non sempre visibili, tra cui l’azione corrosiva del mare, l’usura naturale della struttura e l’aumento del carico, oltre al numero di veicoli, che ha raggiunto valori di gran lunga superiori a quelli noti nell’epoca in cui fu costruito.

Sono stati delineati in dettaglio i programmi e gli interventi per la manutenzione preventiva del ponte, il che ha consentito di mantenerne la struttura originale anche dopo quasi 90 anni. Ma è proprio per l’età, oltre che per le condizioni precarie in cui si trovava, che è stato chiuso al traffico dal 1991. Inoltre è stato rimosso lo strato di asfalto del segmento centrale per ridurne i carichi permanenti, alleggerendo così la struttura di 400 tonnellate.

Problema

Fin dall’inaugurazione, il ponte Hercílio Luz ha dovuto affrontare diversi problemi. L’azione corrosiva del mare, l’usura naturale della struttura e, infine, l’aumento del carico e del numero di veicoli, decisamente superiore a quello per cui era stato progettato nel 1926. Eppure, grazie agli interventi di manutenzione preventiva, la struttura originale è stata mantenuta fino ai nostri giorni, per quasi 90 anni. Ora più che mai urge recuperarla, con la sfida aggiuntiva di mantenerne l’originalità, dalla geometria ai dettagli dei componenti di collegamento.

Soluzione

Per il recupero completo del ponte Hercílio Luz è stata incaricata la società Teixeira Duarte, con un progetto che potrebbe durare circa 3 anni. L’intervento comprende la sostituzione dei sostegni nelle torri principali, il rinforzo e il recupero della struttura metallica, la sostituzione degli oculari, delle selle e dei cavi principali, oltre al trasferimento carichi e  applicazione di un nuovo impalcato per la circolazione di auto, pedoni e motocicli. Per questo progetto, l'azienda Teixeira Duarte ha scelto la tecnologia HBM, tra cui sensori e interrogatori ottici con reticolo in fibra di Bragg (FBG) per monitorare le sollecitazioni su punti critici della struttura, e sensori elettrici per leggere diversi segnali, tra cui inclinazione, temperatura, vento e corrente marina. Tutto questo si aggiunge ai servizi di ingegneria per l’installazione dei sensori, alla creazione di script di software per il monitoraggio, alla registrazione dei dati e alla generazione degli allarmi, oltre all'assistenza remota in caso di guasti.

Risultati

La parte più critica del progetto che comprende il trasferimento di carichi dal tratto centrale del ponte a strutture ausiliarie è stata portata a termine con successo, quindi è possibile che la struttura sia monitorata in modo continuo alla fine del recupero.

L’architettura del sistema

Per gli strumenti da applicare sulla struttura del ponte è stata scelta un'architettura ibrida, che impiega sia sensori basati su reticolo in fibra di Bragg (FBG) che sensori elettrici tradizionali per misurare diverse grandezze. La misurazione di deformazioni, temperature, velocità del vento e correnti marine è compresanel sistema di monitoraggio globale. In tutto sono stati acquisiti 284 sensori ottici dai 3 interrogatori HBM FiberSensing.  Approfittando della rete ottica che è stato necessario installare per la trasmissione dei segnali dai sensori ottici, è stata inserita la comunicazione PMX di HBM per leggere i sensori elettrici nei due cavi multifibra a 24 vie, sistemati lungo gli 800m del ponte.

In alcuni punti strategici per il collegamento dei sensori, è stato sguainato il cavo multifibra per collegare individualmente ogni fibra ai sensori. Tutti i collegamenti sono stati protetti da scatole dedicate lungo la struttura.

Per semplificare e velocizzare il processo d’installazione, un requisito fondamentale per l’esecuzione del progetto, i sensori ottici sono stati consegnati come catene di sensori preassemblate. Per l’installazione del sensore sono stati scelti due diversi metodi in base a dove sarebbero stati posizionati i componenti strutturali. Dato che il ponte ha una struttura metallica, sono stati scelti sensori a saldatura spot. Per le travate centrali e i supporti ausiliari - componenti che rimangono nella struttura durante l’intero progetto - è stata questa la forma di installazione. Per gli oculari - componenti da sostituire - sono stati scelti sensori incollati. Le catene di sensori comprendevano sensori di sollecitazione e temperatura. È necessario abbinarli per compensare gli effetti della temperatura sulla misurazione delle sollecitazioni.

L’attività tecnicamente più complessa è il trasferimento del carico, che consiste nell’allentare la tensione sugli oculari per consentirne la sostituzione sequenziale. L’esecuzione di questa procedura ha reso necessario l’uso di diversi strumenti in diversi punti della struttura originale e di quella metallica provvisoria: sensori di deformazione e altri sensori, come inclinometri e sensori climatici, per un totale di 312 sensori. HBM ha presentato la migliore offerta per la fornitura e l’installazione, riuscendo a escogitare un metodo di installazione puntuale e consono alla scadenza delle operazioni, grazie a un uso ottimizzato di tecnologie combinate, ovvero tecnologia ottica per le misurazioni con estensimetro e la trasmissione dati al centro di controllo ed elettrica per altre misurazioni. Ricardo Martins, Project Engineer, Teixeira Duarte

Sistema di acquisizione dati

Gli strumenti di acquisizione sono tutti collegati alla sala di controllo. Sia le piattaforme ottiche che quelle elettriche comunicano tramite Ethernet e sono collegate attraverso switch ottici Ethernet, una configurazione normale per questo tipo di reti.

Per il sistema globale sono stati usati due computer: uno per il monitoraggio e la registrazione continua dei dati 24 ore su 24, 7 giorni su 7 e un altro che lavora sul post processing dei dati già registrati; è stato usato il software catman per l’acquisizione dati, la registrazione e l'analisi. Sono stati creati diversi script per automatizzare alcune operazioni, come la generazione periodica di report e allarmi per gli operatori sul posto e per gli ingegneri da remoto, tra cui HBM, cui è stato richiesto l'accesso da remoto ogni qualvolta fosse stato necessario.

L’importanza della misura della deformazione durante il ripristino del ponte

Durante il ripristino del ponte Hercílio Luz, alcune delle fasi sopra indicate sono state molto difficili. Ad esempio i trasferimenti di carico all’inizio e alla fine dei lavori. Questi trasferimenti di carico sono i momenti in cui vengono attivati martinetti idraulici per sollevare l’impalcato del ponte e trasferire il carico sostenuto dagli oculari verso la struttura inferiore provvisoria, ovvero le quattro "torrette di supporto" o "TA", costruite per questo progetto. In una struttura di queste dimensioni e con diversi danni come in questo caso, un trasferimento di carico di questo tipo avrebbe potuto provocare un cedimento strutturale del ponte o della struttura temporanea, ed è a questo punto che gli strumenti diventano fondamentali. Per garantire l’esecuzione della procedura nella massima sicurezza, sono stati misurati segnali multipli dell'estensimetro nella struttura temporanea per valutare se il carico veniva trasferito in modo omogeneo dalla struttura e alla struttura del ponte per valutare se l’alleviamento del carico era eseguito come previsto.

Il processo di trasferimento del carico è stato eseguito a fasi e dopo ogni fase sono stati confrontati i risultati con simulazioni numeriche da parte degli ingegneri responsabili del progetto, in modo da confermare che il comportamento della struttura fosse nei limiti della previsione.

Sono anche state eseguite misurazioni dell’inclinazione sulle torri della struttura temporanea e sul ponte stesso.

Un altro nodo fondamentale erano i carichi generati da vento e marea. Essendo un ponte in una regione costiera, situato in un punto stretto tra isola e continente, i venti possono raggiungere alte velocità, con il rischio di compromettere i lavori di ripristino. Per questo motivo sono stati misurati la corrente marina e il vento insieme a tutti i sensori di sollecitazione e temperatura installati lungo il ponte.


La scelta della tecnologia di misura con estensimetri ottici

Quando si usano estensimetri ottici in grandi strutture in cui è necessario un gran numero di sensori, la quantità di cavi elettrici diventa un problema importante, in quanto i cavi degli strumenti sono costosi e ingombranti. Non solo, infatti le misurazioni con questo tipo di sensori non possono essere effettuate a centinaia di metri di distanza, in quanto sono alterate dai disturbi elettromagnetici nei cavi lunghi delle installazioni. In questi casi, è necessario distribuire i sistemi di acquisizione dati lungo la struttura, il che costituisce uno svantaggio per via del rischio di danneggiare i dispositivi, senza contare i problemi di connessione tra questi dispositivi e il sistema di archiviazione dati.

I sensori in fibra ottica presentano vantaggi enormi, come elevati limiti di fatica, multiplexing e immunità alle interferenze elettromagnetiche. La gamma di estensimetri HBM FiberSensing e altri sensori ottici basati su FBG sono la scelta perfetta per le applicazioni di test e misura più complesse. Scoprite l’intera gamma di sensori ottici proposti da HBM qui.


HBM ha dimostrato una grande competenza durante l’installazione dell’intero sistema di monitoraggio ed è stata in grado di rispettare la scadenza per l’ultimazione del sistema nonostante le condizioni meteo avverse per gran parte del periodo di installazione. Una volta completata l’installazione, HBM ha fornito supporto diretto nei primi mesi dell’operazione, seguiti da un accordo di assistenza tecnica con durata fino al completamento del trasferimento del carico. La manutenzione del sistema è eseguita da un tecnico di Teixeira Duarte incaricato da HBM, sempre presente sul posto, e dal team di assistenza remota di HBM. Questa collaborazione ha consentito di mantenere il sistema di monitoraggio correttamente in funzione, afferma Ricardo Martins.

Teixeira Duarte

Attiva dal 1921, Teixeira Duarte è attualmente leader di uno dei gruppi economici portoghesi più grandi.

Sulla base dei suoi valori fondanti: genuinità, fedeltà e impegno, Teixeira Duarte ha raggiunto la sua missione: fare e contribuire alla costruzione di un mondo migliore.

Teixeira Duarte Group attualmente ha 10.500 dipendenti in 18 Paesi su quattro continenti ed è attiva in sei diversi settori, come Costruzioni, Concessioni e servizi, Immobili, Alberghiero, Distribuzione e Automotive.

Oggi Teixeira Duarte è responsabile dell’immagine societaria, una società di grande valore e iniziative pionieristiche nella costruzione, dove il suo team e le strutture si intrecciano ottenendo competenza nella progettazione, innovazione, costruzione e gestione di grandi progetti e imprese.

Dalle grandi infrastrutture, come ponti, dighe, ospedali, strade e altre opere pubbliche, fino ai grandi edifici che sono pietre miliari nella nostra storia, Teixeira Duarte è sinonimo di eccellente know-how e una presenza costante nel nostro lavoro quotidiano.

HBM FiberSensing

HBM FiberSensing, SA appartiene ad HBM Group, gruppo tedesco, leader al mondo nel settore test e misura, e si dedica allo sviluppo e alla produzione di sistemi ottici basati su reticolo in fibra di Bragg (FBG) per applicazioni di monitoraggio avanzate.

Supportato da un'esperienza che spazia dalla tecnologia in fibra ottica all’optoelettronica, elettronica digitale e strumenti, la società presenta un’ampia gamma di sensori ottici, interrogatori, applicazioni software e soluzioni di monitoraggio complete.

HBM FiberSensing ha sede in Portogallo, agisce a livello internazionale attraverso la rete globale di HBM Group, presente in oltre 80 Paesi.

Prodotti e contenuti correlati

newLight | Sensori fibra ottica
Sensori ottici per applicazioni di test e monitoraggio esigenti. Uniteli agli interrogatori ottici HBM, per una catena di misura completa.
QuantumX: DAQ universale e distribuibile
Sistema di acquisizione dati QuantumX (DAQ): è perfetto per ogni esigenza di prova e misura. È HBM il fornitore di questo sistema.
Contatti Prego, contattateci se desiderate conoscere cosa può offrirvi la HBM.