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Applicazione di un sistema di monitoraggio innovativo in una galleria stradale danneggiata da un terremoto

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Gallerie e opere sotterranee sono tra gli elementi più rilevanti nelle reti stradali e ferroviarie, in particolare nei pressi di aree urbane. Per questo motivo, è particolarmente importante identificare potenziali condizioni di pericolosità per garantire la stabilità della struttura e permetterne l'utilizzo in sicurezza. In questo articolo è presentato il caso di studio di una galleria danneggiata dal terremoto che ha interessato il Centro Italia nel 2016. Tra i vari interventi di indagine e ripristino che hanno fatto seguito a tale evento è stata prevista l'installazione di uno strumento di monitoraggio, chiamato Cir Array, progettato appositamente per il monitoraggio automatico in near-real time dei fenomeni di convergenza e deformazioni in opere sotterranee. I dati raccolti hanno fornito utili informazioni riguardo le condizioni della struttura durante i lavori di ripristino. Inoltre, la possibilità di eseguire misure in automatico e ad alta frequenza permetterà la futura implementazione di soglie di allarme e sistemi di allertamento.
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APPLICAZIONE DI UN SISTEMA DI MONITORAGGIO INNOVATIVO IN
UNA GALLERIA STRADALE DANNEGGIATA DA UN TERREMOTO
Roberto Savi (roberto.savi1@studenti.unipr.it)
DIA, Università di Parma
Andrea Carri (andrea.carri@aseltd.eu)
ASE Advanced Slope Engineering s.r.l.
Edoardo Cavalca (edoardo.cavalca@studenti.unipr.it)
DIA, Università di Parma
Alessandro Valletta (alessandro.valletta@unipr.it)
DIA, Università di Parma
ABSTRACT. Gallerie e opere sotterranee sono tra gli elementi più rilevanti nelle reti stradali e ferroviarie, in
particolare nei pressi di aree urbane. Per questo motivo, è particolarmente importante identificare potenziali
condizioni di pericolosità per garantire la stabilità della struttura e permetterne l’utilizzo in sicurezza. In questo
articolo è presentato il caso di studio di una galleria danneggiata dal terremoto che ha interessato il Centro
Italia nel 2016. Tra i vari interventi di indagine e ripristino che hanno fatto seguito a tale evento è stata prevista
l’installazione di uno strumento di monitoraggio, chiamato Cir Array, progettato appositamente per il
monitoraggio automatico in near-real time dei fenomeni di convergenza e deformazioni in opere sotterranee. I
dati raccolti hanno fornito utili informazioni riguardo le condizioni della struttura durante i lavori di ripristino.
Inoltre, la possibilità di eseguire misure in automatico e ad alta frequenza permetterà la futura implementazione
di soglie di allarme e sistemi di allertamento.
1. INTRODUZIONE
Il 30 ottobre 2016 alle ore 7.40 il Centro Italia è stato colpito da un forte sisma di Magnitudo Mw=6.5, il
secondo in termini di intensità dopo il terremoto dell’Irpinia del 1980 (INGV, 2016). Durante tale scossa la
Strada Statale SS685, detta anche delle Tre Valli Umbre”, realizzata con la funzione di collegare Spoleto,
Norcia ed Arquata del Tronto ha subito numerosi danni che hanno interessato sia il manto stradale sia le diverse
opere costruite lungo il tracciato, tra le quali è presente la galleria San Benedetto. Il tunnel presenta uno
sviluppo di 4400 metri ed ha subito danneggiamenti in prossimità della progressiva 920 m dall’imbocco lato
Norcia. In particolare, le rotture hanno riguardato la macro-fessurazione del rivestimento definitivo in
calcestruzzo e il sollevamento del manto stradale di 24 cm (Galli et al., 2017; Micheli et al., 2017).
Figura 1 - Sezione della galleria danneggiata dal sisma del 30 ottobre 2016 (Galli et al, 2017)
Dai rilievi geologici successivi al sisma, si è notato che la scossa del 30 ottobre ha generato un vero e
proprio fenomeno di fagliazione superficiale, evento assai raro poiché riconducibile solamente a terremoti di
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magnitudo superiore a 6.0 Mw (Galli e Galadini, 2001; Galli et al., 2017). Lo stato deformativo evidenziato
nell’opera dopo i primi sopralluoghi lascia presupporre che la causa possa essere riconducibile a una faglia in
movimento che ha intercettato l’asse della galleria, generando deformazioni di taglio (Galli et al., 2017).
Visti gli ingenti danni all’opera che hanno reso necessaria l’interruzione della viabilità per questioni di
sicurezza, si è deciso di procedere con il ripristino della struttura. In un primo tempo sono state effettuate
diverse indagini per meglio comprendere il fenomeno di dissesto, lo stato tensionale sul rivestimento e le
caratteristiche geometriche degli elementi strutturali. I lavori hanno previsto in tale zona una centinatura
realizzata con conci di calcestruzzo (Micheli et al., 2017), oltre a un sistema di monitoraggio automatico (Cir
Array) progettato per lo studio della convergenza e delle deformazioni puntuali in scavi in sotterraneo.
2. MATERIALI E METODI
Il sistema installato può essere descritto come integrazione di quattro componenti:
Strumento Cir Array;
Unità di lettura, acquisizione e invio del dato;
Sistema di Back up e gestione del dato;
Piattaforma dinamica di rappresentazione.
Il dispositivo Cir Array è prodotto da ASE s.r.l. e si basa sulla tecnologia MUMS (Modular Underground
Monitoring System) (Segalini e Carini, 2013; Carri et al., 2017). Lo strumento si presenta come una catena di
nodi in resina epossidica a distanza definita collegati tra loro mediante un’asta in fibra di vetro, oppure
mediante cavo in kevlar. All’interno di ogni nodo, denominato Tunnel Link, è presente un sensore MEMS in
grado di misurare le tre componenti del campo accelerometrico e magnetometrico terrestre. Attraverso lo stesso
dispositivo inoltre si è in grado di monitorare la temperatura, dato fondamentale per una corretta
trasformazione dei dati grezzi in unità fisiche. Nel caso della galleria San Benedetto, lo strumento installato ha
un’estensione di 37 metri ed è composto da 37 nodi Tunnel Link rispettivamente ad una distanza di 1 metro. I
primi 24 nodi sono disposti lungo la parte sommitale dell’opera (piedritti e calotta) e sono collegati tra loro
mediante un’asta in fibra di vetro, i restanti 13 sono disposti lungo l’arco rovescio e sono uniti mediante cavo
in fibra aramidica.
Dopo aver effettuato i lavori di demolizione del vecchio rivestimento, nell’aprile 2018 è avvenuta
l’installazione dello strumento direttamente a contatto con l’ammasso roccioso, attraverso l’utilizzo di appositi
dispositivi metallici. Successivamente, lo stesso è stato inglobato nel rivestimento definitivo. La posizione
dello strumento e la collocazione dei singoli nodi e dei punti di calcolo sono rappresentati rispettivamente in
Figura 2 e Figura 3.
Figura 2 - Posizione del Cir Array e posizione delle fratture nell'area di interesse (modificata da Micheli et al., 2017)
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Figura 3 - Posizione spaziale dei Tunnel Link e dei punti di calcolo lungo la sezione studiata
Il Datalogger di acquisizione ASE801 permette la lettura dello strumento Cir Array con una frequenza
definibile dall’utente. Durante il primo periodo di monitoraggio (12 aprile 2018 – 05 luglio 2018) si è scelto
di mantenere una frequenza di 15 minuti, mentre dal 05 luglio si è deciso di estendere l’intervallo temporale a
1 ora. Lo stesso dispositivo è in grado di registrare i dati grezzi su un’apposita SD-Card e successivamente
inviarli tramite tecnologia UMTS al centro di calcolo, dove dati grezzi provenienti dal sito di monitoraggio
vengono registrati in un’apposita sezione di un database MySQL. Successivamente viene eseguita la
conversione in unità fisiche attraverso un software apposito. La rappresentazione dei dati avviene su
piattaforma web dinamica ad accesso privato appositamente realizzata (Carri et al., 2017). L’applicazione
permette di rappresentare i risultati di monitoraggio inerenti ad un determinato periodo selezionabile
dall’utente. All’interno della stessa sono presenti differenti tools che permettono di identificare
immediatamente possibili spostamenti, anche di piccola entità, e visualizzare il trend degli stessi nel tempo.
3. RISULTATI
I dati di monitoraggio a disposizione sono riferiti a tre intervalli temporali, riportati in Tabella 1. Le
interruzioni presenti durante il campionamento sono dovute principalmente a problemi di rete legati al sito. Il
termine delle registrazioni invece coincide con il 15.09.2018 poiché, vista la presenza di più Datalogger
all’interno dell’opera e, visto il segnale telefonico debole, si è deciso procedere all’installazione di una rete di
trasmissione in fibra ottica che potesse integrare tutti i dispositivi.
Tabella 1 - Intervalli temporali durante i quali è stata svolta l'attività di monitoraggio
Intervallo temporale
Data iniziale
Data finale
1
12.04.2018
26.04.2018
2
07.06.2018
11.06.2018
3
05.07.2018
15.09.2018
Per quanto riguarda i risultati di monitoraggio disponibili, si è deciso di effettuare le valutazioni prendendo
in considerazione il modulo della risultante ..degli spostamenti locali massimi ..e
..rilevati dallo strumento nei singoli punti di calcolo:
..=..+..
(1)
Lo strumento ha rilevato spostamenti superiori al millimetro in 5 punti di calcolo. I risultati sono
rappresentati in Tabella 2. In particolare, si può osservare come il nodo 30 localizzato nell’arco rovescio abbia
rilevato uno spostamento complessivo di 2.3 millimetri, mentre per quanto riguarda la calotta della galleria lo
spostamento massimo rilevato è di 2.0 millimetri in corrispondenza del nodo 18.
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Tabella 2 - Valori di risultante degli spostamenti maggiori di 1 millimetro rilevati dal Cir Array
Xmax [mm]
Zmax [mm]
Smax [mm]
-0.9
1.5
1.7
-2.0
0.6
2.0
1.0
1.0
1.4
-2.3
0.4
2.3
1.2
-0.5
1.3
I dati rilevati nei punti di calcolo restanti sono serviti per meglio comprendere la ripetibilità dello strumento
installato ed individuare eventuali effetti del traffico sulla misura degli spostamenti. Infatti, in un primo
periodo, la galleria è stata riaperta al traffico per sole 4 ore al giorno consentendo quindi di analizzare se le
vibrazioni indotte dai mezzi avessero degli effetti sui sensori accelerometrici.
Il comportamento del sensore è risultato stabile, e l’effetto indotto dal traffico si è rivelato trascurabile ai
fini dei risultati. In particolare, il test di ripetibilità effettuato su 3432 dati ha evidenziato un valore medio di
0.27 mg (risultante delle tre componenti del sensore MEMS), risultato migliore rispetto a quello
precedentemente individuato durante i test in laboratorio, pari a 0.36 mg (Carri et al., 2017). Tale risultato può
essere ricondotto al fatto che, durante i test originari di laboratorio, lo strumento fosse installato su materiali
più sensibili alla temperatura rispetto al calcestruzzo della centina che ospita lo strumento nel caso di studio
presentato.
4. CONCLUSIONI
Il centro Italia il 30 ottobre 2016 è stato colpito da un sisma che ha causato ingenti danni alle infrastrutture
viarie esistenti. Tra le opere danneggiate è presente la galleria San Benedetto che ha subito una vera e propria
dislocazione del piano viario. Non essendo chiare le cause geologiche del dissesto si è deciso di installare un
sistema di monitoraggio automatico denominato Cir Array che permettesse di monitorare in near-real time lo
stato deformativo dell’opera senza essere di ingombro alla viabilità. Lo strumento è stato installato nell’aprile
2016 e sono stati raccolti 3432 misure durante il periodo di funzionamento. Durante il periodo di monitoraggio,
in 5 punti di misura sono stati registrati spostamenti superiori al millimetro. In particolare, il Nodo 30 nell’arco
rovescio e il Nodo 18 in calotta hanno registrato rispettivamente 2.3 mm e 2.0 mm di spostamento.
Il periodo di campionamento è stato inoltre utile per individuare i possibili disturbi causati dal traffico
stradale sul funzionamento del dispositivo. Dai risultati ottenuti il sistema si è dimostrato, in termini di stabilità
del dato, più performante rispetto ai test di laboratorio. In futuro, si prevede di proseguire il monitoraggio per
la valutazione della sicurezza in fase di esercizio dell’opera e di inserire soglie per scopi di allertamento,
eventualmente prevedendo l’attivazione automatica di sistemi semaforici posti negli imbocchi della galleria.
5. BIBLIOGRAFIA
Carri A., Chiapponi L., Savi R., Segalini A. (2017). Innovative technologies for monitoring underground excavations
during construction and usage. ISRM AfriRock - Rock Mechanics for Africa, Volume 2017-October 2017, Pages 579-592
Galli P., Galadini F. (2001). Surface faulting on archaeological relics. A review of case histories from Dead Sea to
Alps. Tectonophysics, 335, 291-312
Galli P., Galderisi A., Martino M., Scarascia Mugnozza G. (2017). L’eccezionale caso della fagliazione della galleria
San Benedetto il 30 ottobre 2016. 36° Convegno GNGTS Gruppo Nazionale di Geofisica della Terra Solida, 2017,
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INGV - Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (2016). Rapporto di sintesi sul terremoto in centro Italia Mw
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Micheli A., Cedrone L., Martino M., Marzi V. (2017). Il progetto di ripristino della galleria San Benedetto. Strade &
Autsostrade n° 123 Maggio/Giugno 2017
Segalini A., Carini C. (2013). Underground landslide displacement monitoring: a new MMES based device. In:
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2_11
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Article
This paper describes the analysis of the effectiveness and reliability of a new type of inclinometric chain, which is still under development by the authors, and is intended to be applied in the underground slope monitoring field. In the first part, the paper describes the new instrumentation which should allow for a deeper and detailed understanding of the type, location and origin of slope movements that should, in turn, help in understanding the triggering causes and the evolution mechanisms of landslides, and provide an innovative and substantial contribution to their stability analysis and control. The second portion of the paper is dedicated to a comparison between the classic instruments and the new MUMS device, demonstrating the advantages of measurement automation and economy in the use of the proposed device, which could also be equipped with other electronic instruments that would allow the measurement of other interesting physical quantities (such as pore pressure, temperature, stresses, etc.) together with displacement components.
Article
We report several cases of surface faulting on archaeological relics along the Dead Sea Valley, in Crete, and in central and northern Italy. With the exception of the Fucino normal faults (central Italy), all the faulting is related to strike-slip or oblique motions. We describe only those sites for which paleoseismological or specific geological analyses had confirmed the existence of an active fault, thus omitting any ambiguous interpretation of effects attributable to other natural or anthropic phenomena. All the cases reviewed allowed us to assume the age of the faulting event and the amount of slip, thus characterising unknown or poorly known destructive earthquakes. The use of archaeoseismological analyses, and particularly of the faulting of archaeological relics, always improves our knowledge of the seismicity and seismotectonics of regions for which the information about the historical seismicity and/or the geological evidence are scarce or uncertain.
Innovative technologies for monitoring underground excavations during construction and usage
  • Carri A Chiapponi
  • L Savi
  • R Segalini
Carri A., Chiapponi L., Savi R., Segalini A. (2017). Innovative technologies for monitoring underground excavations during construction and usage. ISRM AfriRock -Rock Mechanics for Africa, Volume 2017-October 2017, Pages 579-592
Rapporto di sintesi sul terremoto in centro Italia Mw 6.5 del 30 ottobre 2016. Gruppo di Lavoro INGV sul terremoto in centro Italia
  • Ingv -Istituto Nazionale Di Geofisica E Vulcanologia
INGV -Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (2016). Rapporto di sintesi sul terremoto in centro Italia Mw 6.5 del 30 ottobre 2016. Gruppo di Lavoro INGV sul terremoto in centro Italia (2016). DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.166019
Il progetto di ripristino della galleria San Benedetto. Strade & Autsostrade n° 123 Maggio
  • A Micheli
  • L Cedrone
  • M Martino
  • V Marzi
Micheli A., Cedrone L., Martino M., Marzi V. (2017). Il progetto di ripristino della galleria San Benedetto. Strade & Autsostrade n° 123 Maggio/Giugno 2017
  • C Margottini
  • P Canuti
  • K Sassa
Margottini, C., Canuti, P., Sassa, K. (eds) Springer, Berlin/Heidelberg, Germany, 213, pp. 87-93. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-31445-2_11