Tecniche topografiche per il monitoraggio delle strutture e del territorio

Tra le tante tipologie di rilievo geodetico-topografico, una particolarmente importante è il monitoraggio, consistente nell’insieme di misure e tecniche di analisi, finalizzate alla determinazione dei cambiamenti di posizione e/o forma di oggetti.
Le misure utili in tal senso sono classificabili secondo due possibili tipologie:

• geometriche: angoli, distanze e dislivelli, dalle quali si cerca di desumere la variazione di posizione di un punto dell’oggetto.
• di natura fisica: variazioni di carico, pressione, carico piezometrico, pressione atmosferica, temperatura, umidità, ecc., finalizzate alla determinazione di cambiamento dello stato dell’oggetto.

Con riferimento al monitoraggio di tipo geometrico l’oggetto può essere identificato con il territorio (frane, subsidenza) o le strutture e le opere di ingegneria civile (ponti, dighe, edifici, ecc.).

Il monitoraggio geometrico è un insieme di operazioni di misura e calcolo finalizzate alla determinazione ed al controllo di movimenti e deformazioni delle strutture e del territorio, nel rispetto della sicurezza delle persone e delle cose e/o nell’ambito della conservazione dei Beni Culturali (monitoraggio preventivo).

La ripetizione nel tempo delle misure di grandezze geometriche (ritenute significative del comportamento dell’oggetto) con frequenza che dipende dal tipo di fenomeno, consente di evidenziare spostamenti e/o deformazioni. 
Sulla base di questa definizione di seguito riportiamo alcuni esempi di monitoraggio:

• cedimenti delle fondazioni di edifici e strutture;
• incremento di inclinazione di una torre campanaria;
• cedimenti di spalle e/o pile di un ponte;
• cedimenti di un muro di sostegno;
• spostamenti del paramento di una diga;
• spostamenti e/o deformazioni in gallerie;
• subsidenza;
• movimenti franosi.

Questi rappresentano situazioni di trasformazione nel tempo di un territorio, di un manufatto o di un complesso di manufatti.  
Il monitoraggio delle strutture può avvenire anche in fase di collaudo o verifica strutturale, in cui vengono applicati carichi alla struttura per verificare se le deformazioni rispettino i valori attesi stabiliti in fase di progetto. 
Alcuni esempi sono rappresentati dal collaudo di ponti e viadotti, prove di carico su solai ed elementi strutturali orizzontali diversi, nonché prove di carico su elementi strutturali verticali.

I movimenti di punti dell’oggetto nello spazio (suddivisi spesso per comodità lungo direzioni particolari, movimenti nel piano o lungo la verticale) sono rappresentabili con vettori descritti in un sistema di riferimento per mezzo di coordinate. I cambiamenti delle coordinate permettono di distinguere spostamenti:

• assoluti: i punti si muovono “rigidamente” rispetto ad un sistema di riferimento fisso esterno;
• relativi: i punti si muovono gli uni rispetto agli altri variando quindi la posizione relativa.

Le deformazioni sono invece entità geometriche nelle quali non esiste (o non è comodo) definire un sistema di riferimento assoluto ed unico; vi saranno piuttosto porzioni dell’oggetto per le quali esiste evidentemente un sistema di riferimento nel quale descrivere gli spostamenti che sarà però differente da quello utilizzato per un’altra porzione dell’oggetto. La deformazione è la relazione intercorrente tra questi sistemi, in moto relativo tra loro, e che permette di descrivere il comportamento relativo delle varie porzioni dell’oggetto, l’una rispetto all’altra.

Non esiste una metodologia univoca per eseguire un monitoraggio. Si possono però identificare delle fasi abbastanza standard. In generale occorre prima di tutto individuarne le cause, localizzare gli elementi che rendono manifesto il fenomeno (fessurazioni, stress del terreno o delle strutture), distinguere tra spostamento rigido e deformazione, ed infine fare una parametrizzazione degli spostamenti: 1-D? 2-D? o 3-D?

Dal punto di vista della sensoristica invece, occorre definire un sistema di riferimento, scegliere con cura i sensori da utilizzare, individuare eventuali accessori (reti e sistemi di telecomunicazione, ecc.) quindi realizzare un progetto del sistema di monitoraggio.

Una volta identificato il tipo di spostamento atteso, stabilita la sua potenziale grandezza e scelti di conseguenza i sensori, nel progetto si sviluppano i seguenti punti:

1. Progetto della rete di controllo: definizione della posizione dei punti di controllo e dei punti da monitorare;
2. Progetto del sistema di controllo: individuazione dei software da utilizzare per il controllo, definizione dei parametri e dei criteri del monitoraggio;
3. Progetto di eventuali opere accessorie: telecomunicazioni, sistemi di allarme, ecc;

Operativamente il monitoraggio richiederà la realizzazione di una campagna di “misure di zero”, l’individuazione della periodicità della ripetizione delle misure, la ripetizione stessa delle misure, la determinazione degli spostamenti, ed infine la valutazione della significatività (statistica) degli spostamenti.

Una volta eseguite le misure di almeno due ripetizioni successive si avrà finalmente la possibilità di misurare la variazione di posizione dei punti monitorati. Inevitabilmente la domanda a cui si dovrà trovare una risposta è, per esempio: la differenza di coordinate che è stata determinata per un punto è uno spostamento o un valore spurio dovuto alla aleatoria ripetibilità delle misure?

Ci lasciamo con questa domanda, sperando di avervi fornito un quadro sintetico ma esauriente, ed invitandovi ad approfondire l’argomento, vi diamo appuntamento alla prossima puntata nella quale andremo ad introdurre Delta Solutions, la soluzione Topcon per rispondere alle esigenze di monitoraggio delle strutture e del territorio.