Monitoraggio strutturale - UNI/TR 11634:2016

La durabilità delle strutture e la sicurezza nel tempo sono obiettivi imprescindibili per l’ingegneria civile. Le ispezioni visive, le prove…

La durabilità delle strutture e la sicurezza nel tempo sono obiettivi imprescindibili per l’ingegneria civile. Le ispezioni visive, le prove in situ e le campagne strumentali tradizionali forniscono informazioni periodiche, ma spesso non sono in grado di cogliere, con tempestività e continuità, fenomeni di degrado progressivo, variazioni ambientali o eventi meccanici imprevedibili.

In questo contesto, il monitoraggio strutturale (o Structural Health Monitoring, SHM) si configura come una metodologia complementare e progressiva: mediante reti di sensori, sistemi di acquisizione e procedure di analisi, consente di raccogliere dati da una struttura nel tempo, di individuare anomalie o trend, e di supportare decisioni manutentive, interventi di consolidamento o analisi di vita residua.

A livello normativo e tecnico, la pubblicazione della UNI/TR 11634:2016 – Linee Guida per il monitoraggio strutturale ha offerto un quadro organico entro cui progettare, realizzare e gestire sistemi di monitoraggio strutturale in Italia.

La norma, tuttavia, non prescrive un protocollo unico “taglia unica”, bensì enfatizza che un sistema di monitoraggio deve essere definito negli obiettivi, concepito, progettato e gestito in funzione delle specifiche problematiche della struttura e del suo contesto.

Nel seguito si analizzano gli aspetti essenziali che derivano da questa filosofia: definizione degli obiettivi, fasi progettuali, scelta dei sensori, strategie di acquisizione, elaborazione dei dati, criteri diagnostici e gestione operativa.

Fondamenti e principio guida della UNI/TR 11634:2016

La UNI/TR 11634:2016 è un Rapporto Tecnico (non una norma cogente) che fornisce linee guida – quindi indicazioni interpretative e metodologiche – per il monitoraggio strutturale.

Finalità e ambito

Il documento ha lo scopo di:

fornire criteri generali per la progettazione dei sistemi di monitoraggio strutturale;
proporre metodologie per la identificazione dello stato della struttura in funzione di classi e tipologie di struttura;
definire le caratteristiche e i requisiti dei componenti logici del sistema (sensori, acquisizione, comunicazione, elaborazione) e le procedure di analisi dati;
suggerire criteri per l’individuazione del danno e del degrado dei materiali nel tempo.

Pur non imponendo scelte univoche, la UNI/TR 11634:2016 sottolinea che un sistema di monitoraggio deve essere orientato a obiettivi precisi, che vanno definiti prima dell’implementazione, e che la sua progettazione deve adattarsi alle condizioni specifiche dell’opera, del contesto ambientale, delle sollecitazioni previste e delle criticità conosciute.

In altre parole, non si tratta di “strumentare tutto”, ma di strumentare in modo mirato, con un’occhio alla effettiva utilità del dato e alla sostenibilità del sistema nel tempo.

Definizione degli obiettivi e requisiti del sistema

Uno dei passaggi più decisivi in un progetto di monitoraggio è la definizione chiara degli obiettivi. Questi determinano:

Cosa si vuole misurare (es. spostamenti, deformazioni, vibrazioni, accelerazioni, temperature, umidità, pressione interstiziale, corrosione, ecc.).
Quando e con quale frequenza/temporalità (continuo, periodico, a eventi).
Con quale precisione, sensibilità o risoluzione (errori ammessi, sensibilità di misura).
Quali soglie di allarme o condizioni limite, ovvero in quali condizioni il sistema deve segnalare una criticità.
Quale modalità di analisi (diagnosi, prognosi, trend, correlazioni, modelli) e quale forma di supporto decisionale (allerta, report, cruscotti).
Durata operativa attesa e requisiti di affidabilità, ridondanza, manutenzione e sostenibilità.
Vincoli ambientali e contestuali: condizioni climatiche, accessibilità, alimentazione elettrica, connessioni di comunicazione, compatibilità con altri sistemi, interferenze elettromagnetiche.

La norma ribadisce che tali obiettivi vanno definiti prima della scelta dei sistemi, proprio per non “strumentare senza scopo”. Certifico+3Ingenio+3Strade & Autostrade Online+3

Una volta definiti gli obiettivi, il progetto del sistema di monitoraggio si articola in diverse fasi: dal posizionamento dei sensori e della rete di acquisizione, fino alla gestione operativa, manutenzione e revisione nel tempo.

Fasi progettuali, componenti e architettura del sistema

In questa sezione si descrivono le componenti principali (sensori, acquisizione, comunicazione, elaborazione) e i principali aspetti progettuali che devono essere considerati, attenendosi ai principi generali della UNI/TR 11634:2016.

Tipologie di monitoraggio: statico vs dinamico

Un sistema di monitoraggio strutturale può essere orientato a grandezze lente / statiche oppure a fenomeni dinamici / vibrazionali, oppure una combinazione dei due:

Monitoraggio statico: misura spostamenti lenti, deformazioni quasi stazionarie, aperture fessurative, variazioni termiche o climatiche, curve di carico. Mira a controllare le variazioni lente nel tempo.
Monitoraggio dinamico: misura accelerazioni, vibrazioni, risposte modali, smorzamento, frequenze proprie, forme modali. È utile per rilevare cambiamenti globali nel comportamento strutturale, inclusi danni, cambiamenti nella rigidezza, degradi del materiale.

La UNI/TR 11634:2016 contempla entrambe le modalità e sottolinea che molte strutture richiedono una combinazione di strumenti statici e dinamici. Strade & Autostrade Online+2Certifico+2

Per il monitoraggio dinamico continuo, in particolare, è importante valutare aspetti come la capacità di memorizzazione, la banda di acquisizione, la sincronizzazione dei canali e la gestione efficiente dei dati specie nelle situazioni sismiche. Strade & Autostrade Online+3Ingenio+3Certifico+3

Sensori e trasduttori: criteri di scelta

La scelta dei sensori è cruciale e deve essere coerente con gli obiettivi e le condizioni ambientali. Alcune tipologie frequentemente impiegate:

Estensimetri (analogici, ponti resistivi)
Trasduttori di spostamento (LVDT, potenziometrici, LVD)
Inclinometri
Accelerometri (analogici, MEMS, piezoelettrici)
Sensori di temperatura e umidità
Sensori a fibra ottica (reticolo di Bragg, interferometrici)
Sensori geotecnici: piezometri, celle di carico, suzione interstiziale, pressiometri

La UNI/TR 11634:2016 raccomanda che i sensori debbano soddisfare requisiti quali:

Adeguata sensibilità e risoluzione rispetto alla grandezza da misurare
Linearità, stabilità nel tempo e scarsa deriva
Robustezza ambientale (temperatura, umidità, condizioni atmosferiche)
Compatibilità di interoperabilità con i sistemi di acquisizione
Affidabilità e durata, facilità di calibrazione e manutenzione

Un criterio importante è anche la ridondanza sensoriale, specie nelle strutture critiche o nei punti strategici, per garantire continuità operativa anche in caso di guasti.

Rete di acquisizione dati, architettura, trasmissione

Una rete di monitoraggio strutturale tipica è composta da:

Centraline di acquisizione (datalogger / DAQ), ciascuna con un certo numero di canali (anche da 8 fino a decine)
Reti di comunicazione interna (cablata, in batteria, wireless, WSN)
Gateway, concentratori o nodi intermedi che aggregano dati da più centraline
Comunicazione verso un centro remoto / server / cloud / piattaforma centralizzata
Moduli di allarme / notifiche (SMS, e-mail) e interfaccia utente (dashboard, app)

I punti progettuali chiave sono:

Configurazione della rete: struttura a stella, distribuita, ad albero, wireless mesh, lineare, ecc. La topologia deve minimizzare latenza, perdita dati e complessità.
Sincronizzazione temporale: indispensabile per comparare dati acquisiti su punti diversi della struttura. L’errore di sincronizzazione deve essere trascurabile (tipicamente ordine di millisecondi o meno per sistemi dinamici). Ingenio+1
Robustezza della trasmissione e tolleranza a guasti: uso di ridondanze, backup locali, memorie tampone, protocolli resilienti.
Alimentazione: considerazione della disponibilità elettrica, batterie, pannelli solari, gestione del consumo energetico (importante in sistemi wireless).
Capacità di archiviazione e gestione dati: definizione di politiche di compressione, decimazione, salvataggio locale vs upload continuo, gestione ciclica dei dati (roll-over) e backup.
Sicurezza informatica, integrità dei dati e protezione contro accessi non autorizzati: è essenziale garantire la preservazione dell’informazione acquisita e prevenire alterazioni.

La progettazione della rete va fatta in stretta correlazione con la criticità dei dati, la distanza dei sensori, le condizioni ambientali e le condizioni di manutenzione accessibile.

Schema generale del sistema

In sintesi, un sistema di monitoraggio strutturale può essere schematizzato con i seguenti blocchi:

Sensori su elementi strutturali o geotecnici
Precondizionamento del segnale (amplificatori, filtri, conversione analogico-digitale)
Datalogger / centralina
Rete di comunicazione locale (wired / wireless)
Gateway / concentratore
Reticolato di trasmissione dati (Internet, mobile, fibra, satellite)
Server / piattaforma di archiviazione e visualizzazione
Moduli di elaborazione, diagnostica, analisi trend e modulo allarme

Una progettazione oculata deve bilanciare criteri di efficacia (qualità del dato) e sostenibilità (costi, manutenzione, usabilità nel tempo).

Analisi dei dati, diagnosi, prognosi e criteri di allarme

Una volta acquisiti i dati, il sistema deve dotarsi di procedure per convertirli in informazioni utili: diagnosi (stato corrente) e prognosi (evoluzione futura). La UNI/TR 11634:2016 fornisce indicazioni generali su tali metodologie.

Indicatori strutturali e “classi di attenzione”

La norma suggerisce l’adozione di indicatori numerici che sintetizzino lo stato degli elementi strutturali o della struttura nel suo insieme, e che siano correlabili a classi di attenzione. CNI+1

Questi indicatori non devono essere interpretati come “misure di sicurezza” dirette, ma come segnali sintetici di potenziale criticità o variazione progressiva. CNI

Le classi di attenzione possono essere definite (ad esempio) su soglie relative o assolute, e possono attivare procedure di allerta o approfondimento (ispezioni, verifiche). Tale approccio consente uno scalamento di intervento: non ogni segnale anomalo comporta automaticamente un intervento radicale, ma una valutazione progressiva. Ingenio+2CNI+2

Diagnosi dei danni e identificazione dei degradi

Alcune tecniche e approcci comunemente impiegati:

Confronto dei parametri modali (frequenze, smorzamento, forme modali) rispetto a valori nominali o a condizioni iniziali (baseline). Una variazione significativa può indicare una modifica della rigidezza o della massa.
Analisi delle deformazioni e spostamenti rispetto a modelli di riferimento o modelli numerici aggiornati.
Analisi spettrale dei segnali dinamici (densità spettrale di potenza, spettro di risposta)
Correlazioni incrociate tra dati ambientali (temperatura, umidità) e risposta strutturale per isolare l’effetto ambientale
Tecniche di “damage localization” basate su metodi statistici, tecniche di machine learning o metodi basati sui residui modali
Trend e regressioni temporali per stimare la velocità di deterioramento

È importante che tali analisi tengano conto dei fattori confondenti (temperatura, variazioni ambientali, rumore, condizioni operative) e che si adottino tecniche di filtraggio, compensazione o normalizzazione dei dati.

Prognosi e vita residua

L’aspetto più sfidante è stimare l’evoluzione futura del danno o del degrado e, in ultima istanza, la vita residua utile della struttura. Fondate su curve di durata, modelli probabilistici, analisi di fatica e modellazioni numeriche, le procedure di prognosi cercano di prevedere quando il comportamento strutturale potrà raggiungere condizioni critiche.

Tuttavia, è essenziale sottolineare che la prognosi è soggetta a incertezze: il monitoraggio non sostituisce un modello ingegneristico ben calibrato, ma lo integra e lo aggiorna. La norma ribadisce che non è lecito considerare il monitoraggio come “misura di sicurezza” autonoma, ma come supporto al processo decisionale. CNI+2Strade & Autostrade Online+2

Allarme, soglie e procedure operative

I sistemi di monitoraggio devono prevedere soglie di allarme, cioè limiti prefissati al superamento dei quali si attiva una segnalazione automatica. La definizione di tali soglie va fatta con cautela, considerando:

la variabilità naturale del dato
la probabilità di falsi allarmi
le conseguenze di un ritardo nell’intervento
la tolleranza al rischio

Spesso si adottano meccanismi a livelli (avviso, segnalazione, allarme critico) e procedure correlate (invio SMS/e-mail, attivazione di ispezioni, sospensione del servizio). Un sistema ben progettato esegue queste procedure automaticamente, senza coinvolgere l’operatore per le azioni iniziali. Ingenio+2Strade & Autostrade Online+2

La norma raccomanda che il superamento di soglie debba essere gestito mediante logica predeterminata e procedure documentate, e che le soglie vengano periodicamente riviste in funzione dell’esperienza operativa.

Applicazioni tipiche e scenari di impiego

L’approccio raccomandato dalla UNI/TR 11634:2016 può essere declinato in diversi scenari pratici:

Ponti, viadotti e infrastrutture viarie

Data la loro importanza strategica, i ponti sono soggetti a numerosi fenomeni: traffico, cicli termici, fatica, corrosione, eventuali eventi eccezionali (sismi, collisioni). In tali casi, il monitoraggio permanente è raccomandato, soprattutto per ponti con luce elevata, strutture complesse (travi a cassone, ponti strallati), opere difficilmente ispezionabili o con scarsa accessibilità. Strade & Autostrade Online+4CNI+4Strade & Autostrade Online+4

In molte linee guida nazionali per i ponti (es. Linee Guida Mit/ANSFISA) si rimanda esplicitamente al Rapporto UNI/TR 11634:2016 per il rilievo dinamico e le strategie di monitoraggio. Strade & Autostrade Online+3Strade & Autostrade Online+3Ministero dell’Interno+3

Il monitoraggio può essere usato:

per verificare la risposta sotto carico traffico, vibrazioni torsionali e flessione
per valutare la variazione delle frequenze modali nel tempo
per individuare cedimenti delle fondazioni o assestamenti differenziali
per attivare allarmi in caso di comportamento anomalo durante eventi eccezionali (es. sismi)

Edifici interessati da fenomeni strutturali

Per edifici esistenti, soprattutto in aree sismiche o con degrado noto, il monitoraggio può supportare:

il controllo di fessurazioni e spostamenti differenziali
la verifica del comportamento sotto azioni dinamiche (terremoti, vibrazioni)
la gestione preventiva della manutenzione e l’ottimizzazione degli interventi
il controllo della “salute strutturale” nel tempo

Opere geotecniche e ambientali

Il monitoraggio può essere esteso a opere come pendii, taluni muri di sostegno, versanti franosimali, gallerie, dighe minori:

misurazione di spostamenti, inclinazioni, deformazioni profonde
monitoraggio delle pressioni interstiziali del fluido (es. piezometri)
valutazione dell’effetto delle condizioni meteoclimatiche
attivazione di sistemi di allerta in caso di fenomeni idrogeologici

Anche qui, la progettazione deve coadiuvare le caratteristiche del fenomeno (meccanismo di frana, tempo di risposta, precipitazioni) con la temporalità del sistema di rilevazione.

Monitoraggio post-intervento e verifica dell’efficacia

Un uso strategico del monitoraggio è in corrispondenza di interventi di manutenzione o consolidamento: installare strumenti prima, durante e dopo l’intervento per verificare l’efficacia reale dell’intervento e individuare eventuali effetti imprevisti. Ingenio+2CNI+2

Questa modalità rientra nel concetto di monitoraggio occasionale o periodico (durata limitata da mesi a qualche anno), che la norma raccomanda per situazioni transitorie, fenomeni noti o investigazioni specifiche. CNI+2Certifico+2

Scenari combinati e ibridi

Spesso, nella pratica, si adottano approcci ibridi: un sistema permanente per captare eventi critici (ad es. sismi), integrato con campagne periodiche di misura fine (strumentazioni più sensibili o puntuali) per analisi di medio-lungo periodo.

Criticità, limiti e sfide operative

Nonostante i vantaggi, i progetti di monitoraggio strutturale devono confrontarsi con criticità tecniche, economiche e gestionali. Alcune delle principali:

Costi iniziali elevati: la scelta di numerosi sensori, rete complessa e infrastrutture di comunicazione può comportare costi significativi. Occorre fare un bilancio tra quantità di dati e utilità delle informazioni raccolte.
Manutenzione e affidabilità nel tempo: guasti, degrado dei sensori, deriva, errori di calibrazione, perdite di comunicazione sono rischi reali. È fondamentale prevedere politiche di manutenzione, calibrazione e sostituzione.
Gestione e sovraccarico dati: grandi volumi di dati possono saturare le reti e i sistemi di archiviazione, rendendo difficile l’analisi efficiente. È necessario implementare politiche di compressione, filtro, decimazione, rolling windows di dati.
Rumore, interferenze e confondenti ambientali: le misure sono spesso “inquinate” dai fattori ambientali (temperatura, vento, variazioni ambientali), che possono indurre variazioni nei dati. Servono tecniche di filtraggio, normalizzazione e modellazione “di compensazione”.
Soglie di allarme e falsi positivi/negativi: definire soglie che minimizzino sia falsi allarmi sia omissioni è complesso e spesso richiede calibrazione in campo e “adaptivity” nel tempo.
Incertezza nelle prognosi: stimare l’evoluzione futura del danno è soggetto a molte incertezze, e non può sostituire modelli strutturali ben parametrizzati.
Sincronizzazione e coerenza temporale: errori di sincronizzazione tra canali comprometterebbero l’interpretazione dei dati dinamici.
Accessibilità e vincoli ambientali: condizioni difficili (ambienti aggressivi, alta umidità, accessi limitati) possono complicare l’installazione, l’alimentazione e la manutenzione dei sistemi.
Interoperabilità e standardizzazione: la commistione di componenti diversi e protocolli vari può introdurre problemi di integrazione. La presenza di linee guida (come la UNI/TR 11634) aiuta, ma serve sensibilità progettuale.

Molti progetti di monitoraggio realizzati in Italia anche dopo la norma segnalano che, a distanza di anni, uno dei problemi più frequenti è la mancanza di manutenzione programmata, il deterioramento delle comunicazioni e la perdita di continuità operativa. Strade & Autostrade Online

Raccomandazioni pratiche e best practices (derivate dalla norma e dall’esperienza)

Alla luce di quanto sopra, e delle raccomandazioni esplicite o implicite della UNI/TR 11634:2016, si possono enucleare alcune “best practice” nella realizzazione di un sistema di monitoraggio strutturale:

Progettazione basata su obiettivi chiari: evitare dispersione sensoriale. Definire fin da subito che cosa si vuole ottenere, con quale precisione e temporalità.
Approccio modulare e scalabile: prevedere la possibilità di aggiungere sensori o moduli in futuro senza stravolgere l’architettura.
Ridondanza sensoriale e di comunicazione: nei punti critici, prevedere più sensori o percorsi alternativi di comunicazione.
Sincronizzazione rigorosa: utilizzare protocolli (es. GPS, PTP, NTP + correzioni) per minimizzare l’errore temporale tra i canali.
Calibrazione iniziale e controlli periodici: è fondamentale attuare procedure di calibrazione iniziale e revisioni periodiche, e prevedere modalità di auto-check del sistema.
Gestione dati efficiente: adottare politiche di filtro, compressione, riduzione del dato non utile e retention period controllata.
Allarmi graduati e logica di filtraggio: non basarsi su soglie fisse rigide, ma su logiche multi-livello che tengano conto del contesto e del rumore.
Documentazione e protocollo operativo: predisporre manuali operativi, procedure di intervento, criteri di aggiornamento delle soglie, registro dei guasti.
Verifica post-integrazione: dopo l’installazione, effettuare test di funzionamento, simulazioni di carico o vibrazioni, controlli incrociati per validare il sistema.
Revisione periodica del sistema: rivedere soglie, modelli, algoritmi, in base ai dati maturati e all’evoluzione della struttura.
Formazione degli operatori: è fondamentale che chi gestisce il sistema abbia competenze strutturali, sulla diagnostica e sull’analisi dei dati, per interpretare correttamente i risultati.
Monitoraggio integrato: combinare il monitoraggio strutturale con ispezioni tradizionali, prove non distruttive, campagne diagnostiche complementari.

Queste linee guida sono coerenti con l’impostazione “guidata dagli obiettivi” che caratterizza la UNI/TR 11634:2016. Ingenio+2Strade & Autostrade Online+2

Esempio schematico di workflow operativo

Per illustrare come un sistema di monitoraggio strutturale possa essere gestito nel tempo, si può delineare il seguente ciclo operativo:

Fase preliminare
a. Analisi strutturale preliminare, studio del contesto e criticità note
b. Definizione degli obiettivi (grandezze da misurare, soglie, durata)
c. Progetto preliminare della rete sensoriale e dell’architettura dati
d. Simulazioni (se possibili) per valutare la copertura sensoriale
Installazione e calibrazione iniziale
a. Montaggio dei sensori e delle centraline
b. Verifica della correttezza delle connessioni e della comunicazione
c. Calibrazione in sito e test di acquisizione
d. Validazione del sistema con scenari noti o test di carico
Fase operativa continua
a. Acquisizione e trasmissione dati
b. Controlli automatici: integrità dati, soglie, sincronizzazione
c. Software di analisi: diagnostica, trend, allarmi
d. Report periodici e cruscotti di monitoraggio
e. Allerte automatiche in caso di soglie superate
Manutenzione, verifica e revisione
a. Verifica periodica dei sensori (calibrazione, sostituzione)
b. Controlli sulla continuità delle comunicazioni
c. Revisione delle soglie e degli algoritmi, aggiornamento modelli
d. Valutazione della qualità dei dati e revisione del sistema
e. Eventuali interventi correttivi o integrazioni
Chiusura o ridefinizione del monitoraggio
a. Se il sistema era occasionale, rimozione al termine del periodo
b. Se permanente, continua operatività con aggiornamenti costanti
c. Archiviazione, storicizzazione dei dati e uso come base per futuri interventi

Questo ciclo è compatibile con quanto suggerito dalla norma: un sistema non è “statico”, ma deve evolvere nel tempo con la struttura e con l’esperienza maturata.

Considerazioni finali

Il monitoraggio strutturale rappresenta uno strumento potente per migliorare la conoscenza, la diagnosi e la gestione delle strutture nel tempo. Tuttavia, per essere efficace, deve essere ben progettato, ben gestito e strettamente orientato a obiettivi specifici.

La norma UNI/TR 11634:2016 svolge un ruolo fondamentale come “cornice metodologica” in Italia, offrendo linee guida condivise e promuovendo buone pratiche, pur senza imporre soluzioni univoche. Essa insiste sul fatto che non esiste un sistema “universale”: ogni struttura richiede un approccio su misura.

Chi progetta un sistema di monitoraggio deve porre grande attenzione alle fasi iniziali (definizione degli obiettivi), alla scelta sensata dei sensori e delle reti di comunicazione, all’architettura dati e alle procedure di analisi, ma anche a quell’“ecosistema operativo” che comprende manutenzione, aggiornamenti e formazione degli operatori.