Monitoraggio infrastrutture, casi di studio dalla Sardegna alla Nasa | Ingegneri.info

Monitoraggio infrastrutture, casi di studio dalla Sardegna alla Nasa

Sulla prevenzione e monitoraggio delle infrastrutture in Italia l'attività di ricerca è attivissima: ecco la testimonianza al femmininile della docente di Dinamica delle strutture e ingegneria sismica Maria Cristina Porcu

La professoressa Porcu e i tre tesisti (in primo piano Christian Sarritzu, sul fondo Milena Scano e Matteo Arricca)
La professoressa Porcu e i tre tesisti (in primo piano Christian Sarritzu, sul fondo Milena Scano e Matteo Arricca)
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Alla luce di quanto accaduto a Genova, al ponte Morandi, è quanto mai attuale ed applicativo il lavoro svolto dagli specialisti cagliaritani Maria Cristina Porcu, Augusto Montisci e Fabio Soccodato, insieme ai professionisti del Jet Propulsion Laboratory, laboratorio NASA del California Institute of Technology.

Un’infrastruttura, come un ponte o una diga, in quanto opera strategica deve essere operativa ed utilizzabile in ogni momento a fronte di una metodica manutenzione. È in questo ambito che si colloca l’importanza del monitoraggio strutturale nonché la formazione universitaria sul campo.

Dati satellitari per un monitoraggio preciso

Queste, e molte altre, le ragioni che hanno portato al coinvolgimento di tre studenti della laurea magistrale in Ingegneria civile-indirizzo strutture, che hanno sviluppato le proprie tesi di laurea relativamente al monitoraggio di strutture ed infrastrutture sfruttando dati satellitari. In particolare, una di loro (Milena Scano) ha studiato un metodo basato sulle reti neurali per analizzare grosse moli di dati satellitari per il monitoraggio di vaste aree urbane, mentre gli altri due (Christian Sarritzu e Matteo Arricca) hanno modellato il comportamento della diga di Mosul, in Iraq, famosa per essere soggetta ad un pericoloso fenomeno di subsidenza a causa della presenza di strati di roccia molto solubile.

Lo scorso anno il NASA JPL ha ospitato per un periodo di tre mesi  i tre tesisti che hanno svolto la loro tesi di laurea su questi argomenti sotto la supervisione della professoressa Maria Cristina Porcu e che sono stati supportati in tale esperienza negli USA dall’Università di Cagliari come vincitori di borsa Globus Placement.

Durante il loro stage al JPL hanno appreso le tecniche di elaborazione dei dati satellitari, e la stessa prof. Porcu, come Visiting Professor al NASA JPL, a novembre 2017 ha potuto apprezzarne il lavoro, usufruendo della borsa MOSGLOB dell’Università di Cagliari per la mobilità dei docenti.

A questo proposito abbiamo intervistato la professoressa Maria Cristina Porcu, in merito sia all’esperienza ed allo scambio di competenze con la California, senza dimenticare la puntuale descrizione del metodo di monitoraggio strutturale elaborato, utile appunto per le grandi opere.

Maria Cristina Porcu e Pietro Milillo al NASA JPL, a Los Angeles nel novembre 2017.

Maria Cristina Porcu e Pietro Milillo al NASA JPL, a Los Angeles nel novembre 2017.

Quali sono stati i motivi che vi hanno portato allo sviluppo di sistemi di monitoraggio delle dighe e delle costruzioni civili? In particolare, quali sono le differenze alla base dei due diversi sistemi di monitoraggio e quali le costruzioni civili monitorate.
“Uno dei motivi principali che rendono particolarmente attraente per l’ingegnere civile il sistema di monitoraggio ‘remote sensing’ basato sulla tecnica radar ad apertura sintetica (SAR, Synthetic Aperture Radar), è la possibilità di avere a disposizione, a costi contenuti, grandi quantità di dati che permettono di seguire, con precisione millimetrica, fenomeni lenti (legati a movimenti del terreno di fondazione dovuti a varie cause) che possono interessare la vita operativa delle strutture.

Grazie alle numerose costellazioni satellitari in orbita è possibile esaminare una vasta mole di dati su tutto il globo a partire dal 1992, quando il primo satellite SAR European Remote Sensing (ERS) è stato lanciato permettendo così il monitoraggio sistematico del nostro pianeta.

Negli anni successivi diverse costellazioni si sono susseguite permettendo di dare continuità al monitoraggio e favorendo la diffusione e l’uso della tecnica interferometrica SAR (InSAR).

I grandi vantaggi di questa tecnica  sono principalmente:

  • la possibilità di monitorare strutture di grandi dimensioni come dighe, ponti di grande luce, infrastrutture stradali, edifici storico-monumentali, aeroporti;
  • la possibilità di avere dati retroattivi sul comportamento della struttura nel passato (nei mesi o anche negli anni precedenti ad un dato evento), cosa che non sarebbe possibile a posteriori con altre tecniche di monitoraggio in loco, se non si fossero già predisposti i sensori sulla struttura in passato;
  • la possibilità di avere centinaia di punti monitorati contemporaneamente (cosa che sarebbe  molto onerosa con altre tecniche in situ);
  • la possibilità di osservare da un punto di riferimento assoluto, esterno rispetto alla struttura, fenomeni come frane, apertura di faglie, subsidenza, che sono molto complicati da monitorare sul terreno;
  • la possibilità di operare anche in situazioni in cui si ha difficoltà di accesso come in aree di guerra, zone terremotate, fronti di frana, eccetera;
  • la possibilità di eseguire monitoraggi su ampia scala (aree urbane, reti ferroviarie e stradali, dighe, infrastrutture marittime ed aeroportuali).

I limiti della tecnica sono legati invece al tipo di informazioni che essa può fornire. Si tratta, infatti, di spostamenti (nella direzione di vista del satellite) di una serie di punti target, che vengono rilevati dal radar ad intervalli temporali dell’ordine della settimana. Questa tecnica non può perciò essere utile per rilevare fenomeni di deformazione localizzata dovuti a danneggiamenti dei materiali, né essere utilizzata per fenomeni che hanno tempi di evoluzione molto veloci. Essa può però rivelarsi molto valida in affiancamento ad altre tecniche di monitoraggio in-situ che prevedono il posizionamento di sensori sulla struttura (estensimetri, accelerometri, multisensori, fibre ottiche, collegati a sistemi di acquisizione ed elaborazione dati)”.
Quale sinergia e scambio di esperienze avete avuto con la Nasa, dal punto di vista operativo?
Grazie alla collaborazione con il Dr. Pietro Milillo del NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL)di Los Angeles (Laboratorio gestito dal California Institute of Technology per conto della NASA) sono stati messi a disposizione del nostro gruppo di ricerca una serie di dati temporali di deformazione relativi a diversi siti, che stanno consentendo di testare e calibrare i metodi di utilizzo delle rilevazioni SAR nell’ambito dell’Ingegneria Civile.

A consolidamento della collaborazione instaurata con il NASA JPL, il Dr. Milillo a sua volta è stato Visiting Professor presso la Facoltà di Ingegneria di Cagliari per un periodo di dieci giorni a metà luglio di quest’anno, nell’ambito del programma finanziato dalla Regione Sardegna. Durante la visita del Dr. Milillo abbiamo tenuto, presso la Facoltà di Ingegneria di  Cagliari, un Workshop Internazionale dal titolo ‘Civil Structures health monitoring using advanced satellite remote sensing techniques’ che ho organizzato con la collaborazione del prof. Augusto Montisci del Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica della nostra università, che collabora al progetto.

Al Workshop hanno partecipato circa ottanta persone, tra ingegneri liberi professionisti, ricercatori e studenti. Oltre a me, al prof. Montisci ed al Dr. Milillo, è  intervenuto come relatore al Workshop anche il prof. Pedro Calderón della Università di Valencia, esperto in tecniche di monitoraggio strutturale in situ. Durante la sua permanenza a Cagliari, il Dr. Milillo ha anche tenuto per gli studenti della facoltà di ingegneria di Cagliari un corso sui metodi di elaborazione dei dati satellitari.

Alcuni degli aspetti più interessanti della sinergia con il NASA JPL sono sicuramente lo scambio di competenze in diversi settori (i ricercatori del JPL con cui collaboriamo non sono ingegneri, ma esperti di geofisica e scienza della terra) e l’interdisciplinarietà di questa ricerca, che richiede, tra le altre, competenze di geofisica, ingegneria strutturale, ingegneria geotecnica, elaborazione dati e reti neurali.

In merito alla diga di Mosul, quali aspetti sono stati studiati e come quei risultati possono essere acquisiti e plasmati sulle infrastrutture italiane, in particolare in Sardegna?
“La diga di Mosul presenta delle criticità molto specifiche legate alla forte solubilità degli strati di terreno di fondazione su cui insiste (gesso, calcare, marna). La verità è che non si sarebbe dovuta costruire una diga in quella location ed infatti, per più di trent’anni, le diverse società di ingegneria provenienti da tutto il mondo, che ne hanno studiato la progettazione hanno affrontato enormi problemi tecnici, sconsigliando fortemente il governo iracheno dal costruire la diga in quella posizione. Nonostante l’assoluta inadeguatezza del sito dal punto di vista geotecnico, sotto il regime di Saddam Hussein la diga fu costruita proprio in quel sito, a nord della città di Mosul, e nel 1986 fu inaugurata, prevedendo fin dall’inizio un programma di manutenzione con iniezioni di cemento (jet grouting) per compensare la dissoluzione degli strati di gesso causata dalla filtrazione dell’acqua dal bacino della diga.

Il Dr. Milillo, anche in collaborazione con la Difesa italiana, ha eseguito un’analisi preliminare della diga i cui risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Scientific Reports . In particolar modo, oltre a localizzare spazialmente la zona della diga caratterizzata da subsidenza, tramite l’utilizzo di un modello elastico semplificato e di differenti geometrie di acquisizione satellitare, ha stimato la  profondità del fenomeno di dissoluzione e la quantità di volume dissolta a seguito dell’interruzione del sistema di jet grouting, avvenuta quando, nell’agosto del 2014, l’ISIS ha conquistato la zona.

La collaborazione con l’Università di Cagliari ed in particolare con me ed il prof. Fabio Soccodato, prevede la modellazione numerica della diga con un modello semplificato 2D, che sulla base delle serie temporali rilevate da satellite possa essere calibrato per fornire indicazioni sulla evoluzione del fenomeno di carsificazione del gesso e sulla conseguente subsidenza della diga. Questo studio è stato portato avanti anche con la collaborazione di due tesisti della laurea magistrale in Ingegneria Civile-Strutture, Christian Sarritzu, che si è laureato a febbraio con 110 e lode e Matteo Arricca, che si laureerà a settembre. Naturalmente i problemi che affliggono la diga di Mosul sono piuttosto particolari e (per fortuna!) poco comuni, perché terreni di fondazione soggetti a fenomeni di dissoluzione in presenza di filtrazione d’acqua vengono tipicamente esclusi in fase di progettazione preliminare  quando si progettano le dighe.

Nonostante la sua atipicità, tuttavia, lo studio della diga di Mosul è un esempio della possibilità di calibrare alcuni parametri del modello numerico di una diga esistente attraverso un processo di identificazione basato sui dati satellitari, con l’obiettivo di studiare fenomeni di cedimenti del terreno e di subsidenza.

Tale metodo quindi può essere applicato ad altre tipologie di dighe soggette a differenti fenomeni, e potrebbe essere usato per monitorare le dighe italiane, comprese quelle sarde. Studi di fattibilità sono già stati effettuati in Italia mirati all’implementazione di un sistema operativo satellitare per il monitoraggio e la salvaguardia delle dighe sul nostro territorio.

Il metodo però può essere applicato anche ad altri tipi di infrastrutture come viadotti e ponti stradali o ferroviari”.

Quali sono le attività in programma nell’immediato futuro?
Proseguiremo con lo studio di casi di grandi strutture civili soggette a fenomeni di abbassamento/cedimento  del terreno di fondazione con modelli numerici calibrati utilizzando i dati rilevati dal satellite. I risultati di queste ricerche possono avere applicazioni molto potenti per esempio nell’ambito dell’ingegneria forense. Abbiamo già analizzato casi in cui grazie alle rilevazioni fatte dal satellite è possibile stabilire la causa di lesioni, fessure e persino crolli di edifici (si pensi all’effetto di scavi per linee di metropolitane oppure grossi sbancamenti per la costruzione di complessi edilizi).

Una linea di ricerca di notevole interesse pratico riguarda anche la possibilità di effettuare monitoraggi su larga scala in aree urbane attraverso l’elaborazione di grosse moli di dati con metodi basati sulle reti neurali artificiali. Questo lavoro viene svolto in collaborazione con il prof. Montisci, esperto di analisi di big data e reti neurali artificiali ed ha coinvolto una tesista della laurea magistrale in Ingegneria Civile-Strutture, Milena Scano, che si è laureata a luglio”.

È prevista un’attività di collaborazione con le Amministrazioni locali?
“Abbiamo già ipotizzato diverse possibilità di applicazione delle tecniche di elaborazione dei dati SAR sul territorio, che vanno dal monitoraggio di cedimenti in fondazione di edifici dovuto per esempio a fenomeni carsici (tipici dell’area urbana di Cagliari), al monitoraggio di dighe e infrastrutture, fino al monitoraggio dell’abusivismo edilizio su scala regionale”.

Sarà molto utile interfacciarsi con le amministrazioni locali su questi temi”.

Chi è Maria Cristina Porcu?

dav Maria Cristina Porcu si è laureata in Ingegneria Civile-Strutturale con 110 e lode discutendo una tesi sul comportamento sismico di statue e monumenti lapidei. Ha poi conseguito il titolo di Dottore di Ricerca con una tesi sul comportamento dinamico di ponti di grande luce sotto l’azione dei veicoli stradali, sviluppata presso il Politecnico di Milano nell’ambito degli studi per la progettazione del ponte sullo stretto di Messina. Nel 2001 è diventata ricercatore di ruolo presso l’Università di Cagliari. Dal 2004 è docente di Dinamica delle Strutture ed Ingegneria Sismica per la laurea magistrale in Ingegneria Civile. E’ autore di cinquanta articoli scientifici su riviste e congressi nazionali ed internazionali. I principali temi di ricerca sono il comportamento post-elastico delle strutture sotto azioni sismiche, le tecniche di identificazione del danno strutturale attraverso metodi dinamici, l’utilizzo di schiume metalliche per dispositivi antisismici, l’analisi dinamica non-lineare nello studio dell’adeguamento sismico degli edifici. Ha diverse collaborazioni internazionali tra le quali quelle con le Università di Valparaiso (Cile), di Timisoara (Romania), di Valencia (Spagna), di Cracovia (Polonia) e di Alicante (Spagna).

Da due anni collabora con il Dr. Pietro Milillo del NASA Jet Propulsion Laboratory, CALTECH, Los Angeles, USA, sull’applicazione alle strutture civili di tecniche di monitoraggio da remoto basate su dati satellitari. Del gruppo di ricerca che lavora su tale progetto fanno parte anche il prof. Augusto Montisci del Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica (DIEE) dell’Università di Cagliari, esperto in elaborazione di big data e in reti neurali artificiali, ed il prof. Fabio Soccodato del Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e di Architettura (DICAAR) dell’Università di Cagliari, esperto in problemi di ingegneria geotecnica.

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