Ponte di Genova, tutta la sua nuova tecnologia

La nuova struttura smart è dotata di oltre 240 sensori per monitorare la sicurezza, un sistema robotico per ispezione e pulizia e in futuro anche un gemello digitale. Ecco cosa ci si può aspettare del sostituto del ponte Morandi

Una travata continua di 1.067 metri, costituita da 19 campate sorrette da 18 pile in cemento armato, due corsie più una d’emergenza per senso di marcia, 17mila tonnellate di carpenteria metallica in acciaio e 67mila metri cubi di calcestruzzo armato. Sono solo alcuni numeri che descrivono ciò che gli automobilisti vedranno percorrendo il nuovo ponte di Genova San Giorgio, inaugurato il 3 agosto dal presidente della Repubblica Sergio Mattarella. Sotto le ruote dei loro veicoli, una rete quasi invisibile ma capillare di oltre 240 sensori, ancora da completare, tasterà silenziosamente il polso dell’opera, trasformando in tempo reale ogni sussulto o vibrazione, torsione o dilatazione in cifre e algoritmi, grafici e misure per monitorare la sicurezza dell’infrastruttura.

Un ponte smart, che sarà dotato di un sistema di automazione robotica per l’ispezione e la pulizia, pannelli fotovoltaici, impianti di deumidificazione e illuminazione, scandagliati 24 ore su 24. Una mole di dati che, grazie a uno studio di ricerca e sviluppo ancora esterno all’attuale progetto, tra pochi anni potrebbe dare al San Giorgio anche un gemello digitale, con tanto di sistemi Iot e applicativi per la manutenzione in realtà aumentata.

Il respiro del ponte

A occuparsi in queste settimane della collocazione degli apparati di misurazione e controllo per il monitoraggio strutturale è Cetena Spa, società del gruppo Fincantieri, a partire dalla progettazione esecutiva predisposta da Italferr, incaricata dal consorzio Pergenova (Salini Impregilo e Fincantieri), che ha identificato punti critici e misure nominali che i sensori dovranno riportare. Cetena ha deciso tipologie, posizioni, modalità di installazione e verifica, quantità da misurare e valori-soglia, sulla base degli indicatori di performance attesa. Le informazioni saranno raccolte da un sistema di supervisione e acquisizione dati (Scada) elaborato da Seastema e basato sul software proprietario Marine portal evolution. La sala di controllo, collocata in un fabbricato tecnologico vicino alla galleria Coronata, avrà due postazioni computer e server per gestire in tempo reale gli impianti tecnologici. Il pannello sinottico e la grafica multifinestra permetteranno di visualizzare eventuali cali di prestazione, guasti e malfunzionamenti sia degli apparati infrastrutturali che di servizio connessi.

Qui arriveranno dunque i dati di 70 inclinometri, 50 accelerometri e altrettanti estensimetri che verranno collocati per monitorare le sollecitazioni strutturali sull’impalcato metallico e sulle parti in calcestruzzo: “L’unità di acquisizione e interrogazione del sistema invia dal fabbricato tecnologico un segnale a luce laser lungo la dorsale in fibra ottica che percorre tutta la ‘carena’ del ponte – spiega Giovanni Cusano, project manager di Cetena –. Il sensore riflette l’impulso quando lo riceve, modificandone la lunghezza d’onda in base alla sua posizione. Dal confronto con il valore atteso si può capire se c’è stata una trazione o una compressione (estensimetri), una vibrazione o un movimento (accelerometro) oppure un’inclinazione (inclinometro) della struttura. Osservando lo storico di questi parametri misurati in microepsilon, metri al secondo quadro e millesimi di grado , registrati e visualizzati sullo Scada, sarà possibile capire se qualcosa non va, per intervenire con una manutenzione mirata”.

Il collaudo statico e dinamico

Le immagini dei 54 tir da 44 tonnellate che hanno effettuato tra il 19 e 22 luglio il collaudo statico e dinamico del ponte sono ancora fresche, ma in quel momento “la risposta è stata misurata da Cetena con una rete di estensimetri elettrici dedicati allo scopo, per le travi metalliche – spiega Cusano –, mentre Sofotec si è occupata di rilevare le deformazioni del calcestruzzo nella soletta, la freccia dell’impalcato (quanto si abbassava) e gli spostamenti degli appoggi metallici sulle pile”. Questi sensori grandi quanto un francobollo che, al variare di una resistenza elettrica al loro interno, misurano le deformazioni della struttura su cui sono posizionati quando viene trazionata, estesa o compressa.

“L’installazione della rete definitiva a fibra ottica è iniziata a fine giugno ed è a buon punto, ma non c’erano i tempi tecnici per completarla per il collaudo, anche perché avrebbe interagito con il montaggio di altri impianti a cui è stata data priorità per l’apertura al traffico“, osserva Cusano. “Per effettuare il collaudo propedeutico, abbiamo usato quelli elettrici per il loro pronto impiego, parità di precisione e misura. Una parte dei sensori a fibra ottica sarà quindi attiva all’apertura del ponte ma il sistema nella sua interezza, che avrà maggiore durata e responsabilità nel tempo, sarà concluso dopo, entro l’estate, quando il 100% dei sensori saranno attivi”.

Variabili e algoritmi

Anche per questo motivo le otto piastre di pesatura dinamica dei veicoli annegate nell’asfalto collocate su ciascuna corsia il 31 luglio, hanno avuto la precedenza. Larghe 1,5 metri, sono dotate di celle di carico a fibra ottica Weight in motion che misurano i chilogrammi caricati sull’asse di ogni veicolo in transito. Sarà così possibile conoscere in ogni momento il peso totale presente sul ponte: “Questo dato consente di analizzare a ragion veduta le informazioni provenienti dagli altri sensori: non per niente il collaudo è stato effettuato a fronte di carichi noti e maggiori del normale, per capire come la struttura si comporta in situazioni estreme e fare in modo che resista anche alle peggiori code liguri”, spiega Cusano. Abbinate alle immagini riprese da quattro telecamere, le informazioni consentiranno di individuare i veicoli in transito con un carico superiore al consentito.

Di altra tipologia i 30 sensori di spostamento a tecnologia radar, senza parti in movimento usurabili “più precisi e duraturi di quelli meccanici”, osserva l’esperto. “Situati nei punti di congiunzione fra impalcato e piloni, misurano in tempo reale lo spostamento relativo di ciascun piede metallico rispetto al proprio target, collocato sulla pila in cemento. Questo serve a tenere sotto controllo lo scivolamento dell’impalcato causato dalle variazioni di temperatura”. Il San Giorgio infatti non avrà quei giunti di dilatazione che fanno sussultare i veicoli sui viadotti, essendo le 19 campate saldate in una travata unica. “Gli unici giunti sono all’inizio e alla fine del ponte, per questo gli appoggi sulle pile, studiati allo stato dell’arte, dovranno permettere un leggero scivolamento dell’impalcato per assecondare la deformazione termica con uno scorrimento, misurato dai sensori a tecnologia radar”.

Pile che a loro volta saranno dotate di accelerometri e inclinometri alla testa, alla base e sul plinto sotto terra “per controllare che restino verticali e non si deformino sotto l’azione del vento, monitorando quanto succede nelle fondazioni in calcestruzzo, anche in caso di scosse sismiche”.

E, proprio per misurare l’incidenza del vento, tre anemometri a ultrasuoni saranno collocati a inizio, fine e metà ponte, abbinati a una centralina meteo e a 25 sensori di temperatura, sfruttando la competenza in ambito navale di Cetena. “La val Polcevera è battuta da correnti di tramontana e scirocco, variabili che bisogna conoscere per capire il comportamento della struttura. Gli anemometri sono cilindri di 15 centimetri per 15, che emettono e ricevono ultrasuoni: dal ritardo e dalla deviazione del segnale si ottiene il valore dei nodi e la direzione della raffica”.

La trasmissione dei dati allo Scada ne permetterà la visualizzazione, ma per avere una visione d’insieme entrano in gioco gli algoritmi. L’identificazione dei cicli di carico (che non riguardano solo le piastre) avviene tramite l’algoritmo Rainflow, che valuta il fenomeno della “fatica” a cui sono sottoposte le strutture metalliche dal cumulo di sollecitazioni varianti sin dal primo giorno.

“Gli algoritmi Operational modal analysis (Oma) permetteranno invece di ricostruire il comportamento dinamico della struttura correlando i dati provenienti dagli accelerometri con i carichi dei veicoli e quelli ambientali (vento, temperatura). Otterremo così lo stesso output che ha ottenuto il progettista con modelli numerici, ma a partire dai dati reali”, spiega Cusano. Un modo insomma per ricostruire cosa succede sul ponte, solo guardando i dati. “Per fare una metafora, se ogni tifoso allo stadio fosse un accelerometro, si potrebbe capire quale squadra ha fatto gol senza guardare la partita, ma solo misurando le variazioni della frequenza cardiaca di tutti, contemporaneamente e a seconda della zona dove sono seduti”.

Un ponte di svolta?

“Quello di Genova è il primo ponte di nuova costruzione che in Italia si è deciso di strumentare fin dall’inizio con un ampio sistema di sensoristica di questo tipo”, afferma Cusano. “Un cedimento è sempre istantaneo ma un monitoraggio simile sul ponte Morandi avrebbe sicuramente potuto fornire informazioni utili a identificare non il giorno e l’ora del crollo, ma le variazioni del comportamento della struttura nel tempo. Lo scopo del monitoraggio è esattamente questo: tenere sotto controllo, confrontare con il comportamento atteso, verificare la conformità e fornire al gestore dell’infrastruttura dati su cui poter basare adeguate logiche di manutenzione”.

I ponti crollati a San Rocco al Porto (Piacenza, 2009), Annone Brianza (Como, 2016), Camerano (Ancona, 2017), sull’A6 Torino-Savona (2019), Albiano Magra (La Spezia, 2020) e il cedimento nella galleria Berté (Genova, 2019), disegnano una mappa del degrado delle infrastrutture stradali italiane, sollecitate da anni di usura, dissesto ideogeologico, eventi metereologici estremi e un traffico sempre più pesante rispetto all’epoca in cui le opere furono progettate.

Tanto che Anas si è lanciata nel mondo dei sensori, aprendo a fine 2019 quattro bandi di gara di tre milioni ciascuno per il monitoraggio di un centinaio di ponti e viadotti. Anche qui, accelerometri e software dovrebbero aiutare a comprendere meglio le proprietà dinamiche delle strutture. “La tecnologia dei sensori, unitamente alla consolidata attività di sorveglianza ispettiva, consentirà di migliorare ulteriormente il monitoraggio continuo dei ponti e dei viadotti”, si legge.

I robot del ponte di Genova

Oltre ai sensori, la sorveglianza visiva resta necessaria anche per il ponte di Genova, dove i tecnici saranno coadiuvati da due coppie di robot che si muoveranno sulle parti esterne e inferiori per l’ispezione del viadotto nelle zone meno raggiungibili (Robot Inspection) e per la pulizia delle barriere antivento e dei pannelli solari (Robot Wash). Il progetto è nato da una proposta dello studio di Renzo Piano, l’Istituto Italiano di Tecnologia lo ha ideato e brevettato in quanto primo sistema robotico di ispezione automatico al mondo. Il gruppo bresciano Camozzi, specializzato in automazione industriale, lo ha sviluppato costruendone le componenti in fibra di carbonio. Il tutto, su commissione dell’Ati Cetena-Seastema e con l’intervento di Sda engineering per la progettazione strutturale e Ubisive per il software.

“Come un sensore mobile dotato di 82 ruote e largo 7 metri, il robot Inspection farà parte a tutti gli effetti del sistema di monitoraggio – spiega Ferdinando Cannella, direttore di Robotica industriale dell’Iit -. Scorrendo sulla rotaia lungo il ponte muoverà un braccio retrattile di 17 metri per arrivare trasversalmente al centro della carreggiata, scattando 170mila fotografie sui 20mila metri quadri di superficie”. Le immagini in 2D e 3D trasmesse in tempo reale al centro di controllo finiranno in un database che, grazie ad algoritmi di analisi e predizione, darà modo al gestore di intervenire con azioni di manutenzione. In caso servisse un’osservazione più approfondita per una macchia sospetta, una corrosione o vernici deteriorate, sarà possibile montare un terzo braccio verticale dotato di telecamera multispettrale per l’analisi chimica.

“Fotografando la struttura sin dal primo giorno, avremo una specie di timelapse che mostrerà l’evoluzione dei fenomeni di degrado –osserva Cannella –. Questo sistema permette di portare la telecamera in luoghi prima non raggiungibili e garantisce l’oggettivazione della misurazione che quindi non dipenderà più dall’interpretazione dei singoli addetti che effettuano ispezioni a distanza di anni l’uno dall’altro, correndo peraltro diversi rischi fisici”.

Un esempio di meccatronica cognitiva alla base anche del funzionamento del robot Wash, dotato di 56 ruote e sensori per monitorare la trasparenza dei vetri delle barriere antivento. Dotati di anemometri e accelerometri i robot avranno nozione dell’ambiente circostante e potranno decidere autonomamente quando entrare in azione, riutilizzando l’acqua piovana, quella di condensazione raccolta sull’infrastruttura oppure un soffio d’aria, nei periodi secchi. “Oltre a mantenere una leggerezza estetica del ponte lavando vetri alti tre metri, il robot Wash manterrà la funzionalità dei pannelli fotovoltaici che alimentano gli impianti tecnologici, eliminando polvere e detriti dalla loro superficie – spiega Cannella -. Sapranno in quale direzione muoversi in base al vento, per consumare meno energia, dove si trova l’altro robot e dove sono le stazioni di ricarica più vicine, posizionate ogni 200 metri”. I quattro robot entreranno in funzione in autunno, quando gli impianti di servizio saranno completati e potranno essere comandati anche dalla control room tramite wi-fi.

Ricerca e sviluppo per un gemello digitale

Il progetto robotico è stato donato dall’Iit alla città di Genova e sarà possibile integrarlo nei successivi sviluppi che il sistema di monitoraggio e controllo nel complesso potrà avere, a partire dal Building information modeling e dal sistema Scada. Uno di questi è la possibilità che il “ponte smart” possa un giorno essere dotato di gemello digitale, con sensoristica IoT e realtà aumentata. Il ponte di Genova è infatti uno dei casi d’uso presi in considerazione da Cymon, progetto di ricerca e sviluppo condotto da Cetena e Fos Spa per realizzare il digital twin di un’infrastruttura stradale, finanziato con 132mila euro da un bando del Competence center genovese Start 4.0.

“L’obiettivo è conseguire un know-how nel settore della realtà virtuale e aumentata, realizzando un prototipo ad alto Trl (Technology readiness level) applicabile a qualsiasi infrastruttura – precisa Luca Fengone, responsabile produzione dell’unità Simulation solution di Cetena –. Cymon è un ecosistema integrato di applicativi che dovrebbero soddisfare le esigenze di manutenzione su tutto il ciclo di vita di molti progetti di ingegneria. Useremo il ponte come ‘use case’ ma per ora senza usare dati reali”. Se il destino di Cymon non è legato a doppio filo a quello del viadotto genovese, ne è quanto meno ispirato, soprattutto per tenere il passo “su un tema caldo in grande fermento, non solo nel settore consumer ed eventi ma anche nell’ingegneria”.

La decisione eventuale di adottare o meno Cymon spetterà infatti al futuro gestore del ponte quindi, al termine del progetto, il prototipo dovrà essere di per sé uno standard di prodotto in grado di stare sul mercato. “La prima fase finanziata da Start 4.0 si concluderà tra un anno, quando sarà pronta una demo per la realtà aumentata”, spiega Giorgio Allasia, responsabile Engineering and technology transfer di Fos. “Il dimostrativo sarà basato su una tipologia di dati simile a quelli trasmessi dai sensori presenti sul ponte che in una fase successiva dovremo rendere compatibile in chiave IoT. Al momento stiamo preparando il data lake, e il primo obiettivo sarà dimostrare che un operatore dotato di Hololens potrà muoversi e interagire in un contesto grazie a una serie di informazioni trasmesse da una banca dati (simulati) dell’infrastruttura”.

Una delle funzioni principali di Cymon sarà guidare un tecnico attraverso la User journey map per raggiungere in sicurezza posizioni remote o rischiose, dove svolgere operazioni di qualsiasi tipo, in caso anomalia segnalata dal sistema di monitoraggio o per il mantenimento ordinario in efficienza di impianti e infrastruttura. Una parte delle informazioni come le coordinate Gps, il protocollo di manutenzione o il macro oggetto, viene precaricata nel visore prima dell’intervento. Una volta sul posto, l’operatore può ricevere dal supervisore desktop o dalla rete IoT le informazioni e i parametri utili in realtà aumentata sul visore per svolgere il lavoro.

“È una tecnologia antropocentrica che impone un aspetto di psicologia cognitiva fondamentale per presentare nel modo e al momento giusto le informazioni – spiega Fengone –. Il digital twin è in sostanza la trasposizione verso il dominio cyber del Building imaging model che già da tempo permette ad architetti, ingegneri e altri tecnici di operare su una rappresentazione digitale coerente in fase di progetto e sviluppo. Al di là della visualizzazione virtuale nella control room, un modo per accedere al digital twin è proprio la realtà aumentata, che si basa su sottoinsiemi di informazioni estratte da esso: il punto è saper restringere il sovraccarico cognitivo, presente nel gemello digitale come in qualsiasi cantiere reale, e garantire una corretta ‘situational awareness’ agli utenti”.

A livello di sicurezza, se lo Scada si basa per ora su un sistema perimetrale di firewall e controllo dei log, anche Cymon è stato pensato anche a prova di intrusioni: “I dati che inseriamo nei visori sono la rappresentazione dei modelli e non i modelli stessi, in modo che non sia possibile fare reverse engineering“, assicura Fengone. “Inoltre c’è un sistema di crittografia e compartimentazione del dato segmentato in sottoinsiemi di informazioni utili a raggiungere un obiettivo specifico, ma che perdono valore scalando il sistema. Questa è una delle ragioni per cui alcune informazioni vengono precaricate nel casco, in modo da non avere tutto in un unico paniere“.

Così, mentre il ponte di Genova va in esercizio con i sistemi di monitoraggio oggetto del contratto “Cymon è un progetto di ricerca che parte da lì e cerca di realizzare qualcosa di nuovo”, conclude Allasia. “Pergenova e Italferr sono a conoscenza del progetto e una volta che sarà testato con successo in tempo reale e in modo interattivo con i sensori alla fine del percorso è assolutamente corretto dire che potranno ricevere dati dal ponte di Genova e sarà possibile proporne quindi l’utilizzo“.