Structural Health Monitoring di edifici e infrastrutture

Lo SHM segue il comportamento dinamico della struttura in esercizio ordinario, intercetta le variazioni legate al degrado quando sono ancora piccole e le restituisce in una relazione periodica firmata da un ingegnere strutturale.

Che cos'è lo Structural Health Monitoring

Lo Structural Health Monitoring (SHM) è il processo con cui si identifica il danno in una struttura attraverso misure ripetute nel tempo. Nella definizione di riferimento della letteratura tecnica, il danno è una variazione delle proprietà dei materiali o della geometria, comprese le condizioni di vincolo e le connessioni tra gli elementi, che incide sulle prestazioni della struttura.

Per edifici e infrastrutture civili significa osservare come la struttura vibra in esercizio ordinario e confrontare quel comportamento con la sua storia. Ogni valutazione del danno è un confronto tra due stati, e nello SHM il termine di paragone è la struttura stessa, misurata all'inizio del monitoraggio: la sua baseline.

La relazione periodica SHM

Analisi modale operazionale: come si leggono le vibrazioni

Ogni struttura vibra di continuo sotto azioni ordinarie: vento, traffico, macchinari, microtremori del terreno. L'analisi modale operazionale (OMA) usa queste vibrazioni ambientali come eccitazione e ricava i parametri dinamici dai soli segnali degli accelerometri, con la struttura in esercizio.

In uno studio su nove edifici in muratura della rete dell'Osservatorio Sismico delle Strutture, le frequenze flessionali e torsionali si collocano in genere tra 2 e 6 Hz: il campionamento di BBOX 2.0 copre questa banda con ampio margine.

Separare l'effetto della temperatura dal segnale del degrado

La temperatura modifica la rigidezza dei materiali e le condizioni di vincolo, e con esse i parametri dinamici. Sugli stessi nove edifici è risultata il fattore principale di variazione delle frequenze, con escursioni giornaliere massime tra l'1,5% e circa il 6%.

Per questo la compensazione termica è la condizione per leggere correttamente una serie SHM. Ogni sensore BBOX 2.0 integra un sensore di temperatura, e il legame tra parametri dinamici e temperatura si ricava dai dati della baseline: le variazioni che quel legame spiega sono termiche, quelle che escono dal campo atteso sono il segnale da interpretare.

Una misura che acquista valore ogni anno

La baseline si costruisce nel primo periodo di monitoraggio e copre l'escursione climatica a cui l'opera è esposta, così da includere gli effetti stagionali.

Da quel momento ogni anno rende il confronto più preciso: la serie si allunga, il campo delle variazioni termiche è descritto meglio e una variazione anomala diventa più riconoscibile. MOSI custodisce la serie storica per l'intera durata del servizio. L'insieme delle relazioni costituisce un registro verificabile del comportamento della struttura, utilizzabile in una compravendita, in una due diligence, in un rifinanziamento o nel rapporto con l'assicuratore.

Quando il degrado è un movimento lento

Rotazioni di torri e pareti, cedimenti, apertura progressiva di lesioni: sono processi che avanzano per anni. Il sensore BBOX 2.0 misura anche l'inclinazione statica, con risoluzione di 0,001° e ripetibilità di 0,01°, e segue le rotazioni nel tempo negli stessi punti in cui acquisisce le vibrazioni.

Quando il quadro richiede altre grandezze, il datalogger integra tramite le unità ESA fino a 36 sensori aggiuntivi con uscita 4-20 mA: fessurimetri e trasduttori di spostamento sulle lesioni, estensimetri sugli elementi, inclinometri avanzati, sensori di temperatura e umidità. Registrare l'apertura delle lesioni insieme ai parametri ambientali è la prassi indicata in letteratura per distinguere il movimento reale dai cicli termici.

Tra le installazioni rappresentative, il campanile della chiesa di San Nicola di Bari a Camposanto (MO), restaurata nel 2016 dopo il terremoto del 2012, con il controllo dell'inclinazione nel tempo.

SHM e normativa: ponti esistenti e standard ISO

Sui ponti esistenti, le Linee Guida adottate con il D.M. 578/2020 e aggiornate con il D.M. 204/2022 prevedono, per le classi di attenzione alta e medio-alta, l'installazione di sistemi di monitoraggio periodico o continuo (§1.3), descritti nel capitolo sul monitoraggio strumentale (§7.6). Sul piano internazionale la ISO 16587:2004 definisce i parametri di prestazione per il monitoraggio delle condizioni di edifici, ponti, torri e dighe in esercizio.

Dove seguire la struttura nel tempo

• Ponti e viadotti

  L'evoluzione del comportamento dell'opera per le classi di attenzione che richiedono il monitoraggio.

• Patrimonio storico

  Inclinazioni e parametri dinamici di torri, campanili e murature, con l'effetto della temperatura compensato.

• Siti industriali e logistici

  Il capannone seguito negli anni, con la zona interessata dal degrado indicata sulla pianta.

• Edilizia residenziale

  Un registro della condizione di condomini e patrimonio immobiliare gestito.

• Edifici direzionali e commerciali

  Lo stato documentato della sede, per gestione, due diligence e valorizzazione.

• Infrastrutture strategiche

  Il comportamento nel tempo di opere che devono restare operative, compresi i sistemi di isolamento.

Gli stessi sensori registrano la risposta durante un evento

Nella configurazione base di BBOX 2.0 lo Structural Health Monitoring convive con il monitoraggio sismico: quando un'accelerazione supera la soglia, la stessa rete registra l'evento. La baseline costruita negli anni ordinari diventa il riferimento per leggere la struttura dopo il sisma.

Riferimenti tecnici e normativi

• Farrar C.R., Worden K., An introduction to structural health monitoring, Philosophical Transactions of the Royal Society A 365, 2007.
• Worden K., Farrar C.R., Manson G., Park G., The fundamental axioms of structural health monitoring, Proceedings of the Royal Society A 463, 2007.
• Brincker R., Ventura C., Introduction to Operational Modal Analysis, Wiley, 2015.
• Sivori D., Merani M.G.B., Bocchi F., Spina D., Cattari S., Environmental effects on the experimental modal parameters of masonry buildings: experiences from the Italian Seismic Observatory of Structures (OSS) network, Journal of Civil Structural Health Monitoring 15, 2025.
• Linee Guida per la classificazione e gestione del rischio, la valutazione della sicurezza ed il monitoraggio dei ponti esistenti, D.M. 578/2020 e D.M. 204/2022.
• ISO 16587:2004, Mechanical vibration and shock, Performance parameters for condition monitoring of structures.

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