Monitoraggio strutturale della salute delle pavimentazioni in conglomerato bituminoso con reti di sensori intelligenti: Una rassegna completa

Alessandro Di Graziano, Vincenzo Marchetta, Salvatore Cafiso

Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura, Università di Catania, Catania 95125, Italia

 

La rete stradale europea è costituita da 5,5 milioni di km gestiti principalmente sotto la responsabilità locale e regionale. La spesa annua per la manutenzione delle infrastrutture stradali nell’Unione Europea (UE 25) ammonta a circa 30 miliardi di euro (FER, 2014). Negli ultimi decenni, e ne sono previsti altri in futuro, circa il 90% dei lavori ha riguardato la manutenzione e la riqualificazione delle strade esistenti con solo il 10% degli investimenti per la costruzione di nuove strade. Nonostante questa enorme quantità di spesa, la mancanza di informazioni e di consapevolezza politica sull’importanza di investimenti sufficienti e di opere adeguate per la manutenzione dell’infrastruttura stradale, porta a un sottofinanziamento e a un deterioramento cronico della stessa. La mancanza di una manutenzione adeguata e tempestiva, che comporta il degrado della rete stradale e la perdita di valore dei beni, produce un aumento del costo dei trattamenti futuri e dei costi di gestione dei veicoli con un impatto negativo sull’ambiente in termini di utilizzo delle risorse naturali, di emissioni di gas serra (GHG) e di consumo energetico.

Pertanto, al fine di identificare tempestivamente le esigenze di manutenzione, è necessario un monitoraggio tempestivo, efficace e continuo per ridurre i costi totali e prolungare la vita utile delle pavimentazioni. Per questo motivo, nel corso degli anni, sono stati fatti sempre più sforzi per implementare sistemi di monitoraggio più avanzati ed efficaci a costi sempre più contenuti, passando da metodi manuali e distruttivi poco pratici, attraverso l’automazione delle apparecchiature del veicolo, fino alla più recente rete di sensori wireless (WSN) integrata nella pavimentazione.

Una rete di sensori intelligenti è un WSN incorporato costituito da un insieme di sensori, detti nodi, integrati nella struttura di interesse in posizioni predeterminate, per monitorare un particolare evento (ad esempio, l’aspetto e la propagazione di crepe nascoste) o per misurare un parametro (temperatura, pressione, ecc.) in modo continuo e in tempo reale, comunicando senza fili con almeno un Nodo Lavello, con funzioni di calcolo e/o di memorizzazione (Akyildiz et al., 2002). I nodi sink sono integrati con antenne per la trasmissione dei dati, permettendo il monitoraggio remoto. Le reti intelligenti sono progettate per essere autoalimentate e per ottimizzare l’efficienza energetica e le capacità di rilevamento.

I WNS per il sistema di monitoraggio strutturale delle infrastrutture civili sono già stati ampiamente descritti (Alavi et al., 2016b; Lynch, 2006; Noel et al., 2017; Yun e Min, 2011) ma la loro applicazione per il monitoraggio delle pavimentazioni è un argomento ancora nuovo e la letteratura manca di un’indagine approfondita che faccia il punto della situazione per comprendere i vantaggi e i limiti di questa nuova tecnologia.

Pertanto, lo scopo di questo documento è quello di fornire una rassegna critica completa e aggiornata della letteratura sull’applicazione e la disponibilità di sensori wireless per il monitoraggio della salute delle pavimentazioni, considerando, inoltre, l’esperienza acquisita per i sensori cablati come punto di riferimento fondamentale.

Questo lavoro si propone di presentare e commentare le caratteristiche fondamentali per la comprensione del WSN per il monitoraggio della pavimentazione. L’introduzione è seguita da una breve descrizione dell’approccio di revisione, che elenca le fasi del lavoro di ricerca e catalogazione, le parole chiave più ricorrenti e lo sviluppo dell’argomento nel tempo. La terza sezione fornisce una sintesi dello sviluppo delle tecniche di monitoraggio delle pavimentazioni, dai sistemi distruttivi esterni fino al WSN. La quarta sezione si occupa dell’approvvigionamento energetico di questi sensori come uno dei principali limiti alla loro diffusione. La quinta e la sesta sezione permettono di comprendere rispettivamente le metodologie utilizzate per identificare i danni della pavimentazione e la struttura del sensore e della rete in cui è inserito. La settima sezione fornisce una panoramica della validazione delle prestazioni di questi sistemi attraverso simulazioni numeriche, prove sperimentali e applicazioni in scala reale. L’ottava sezione, infine, mira a descrivere altri usi dei sensori wireless incorporati nella pavimentazione, oltre allo scopo di monitoraggio strutturale della salute.

Le conclusioni si concentrano principalmente sulle lacune e sulle possibili direzioni che la ricerca futura potrebbe seguire per consentire l’uso estensivo dei sensori wireless per il monitoraggio delle condizioni di salute della pavimentazione.

 

L’approccio seguito nella revisione della letteratura si articola nelle seguenti fasi: (a) individuazione di nuovi articoli su riviste e banche dati accademiche; (b) analisi delle parole chiave e della bibliografia; (c) filtraggio e catalogazione degli articoli; (d) selezione e organizzazione delle informazioni.

Monitoraggio strutturale della salute delle pavimentazioni in conglomerato bituminoso mediante reti di sensori intelligenti: Una revisione completa.
Un monitoraggio tempestivo, efficace e continuo permette di ridurre i costi e di prolungare la vita delle infrastrutture stradali. Per questo motivo, nel corso degli anni, sono stati fatti sempre più sforzi per implementare sistemi di monitoraggio più avanzati ed efficaci a costi sempre più contenuti, passando da metodi manuali e distruttivi poco pratici, attraverso l’automazione delle apparecchiature dei veicoli, fino alla più recente rete di sensori wireless (WSN) integrata nella pavimentazione. Lo scopo di questo documento è quello di fornire una rassegna completa e aggiornata della letteratura critica sulle reti di sensori wireless per il monitoraggio della salute della pavimentazione, considerando, inoltre, l’esperienza acquisita per i sensori cablati come punto di riferimento fondamentale. Il presente lavoro presenta sia la metodologia utilizzata per la raccolta e l’analisi della bibliografia attuale, sia la descrizione e i commenti delle caratteristiche fondamentali delle reti di sensori wireless per il monitoraggio della pavimentazione per il rilevamento dei danni, tra cui l’alimentazione di energia, il metodo di rilevamento, l’architettura hardware e di rete e le procedure di validazione delle prestazioni. Viene fornita una breve analisi di altre possibili applicazioni complementari delle reti di sensori intelligenti, come il monitoraggio del traffico e delle condizioni delle superfici. Infine, viene fornito un commento sulle lacune e le possibili direzioni che la ricerca futura potrebbe seguire per consentire l’uso estensivo delle reti di sensori wireless per il monitoraggio delle condizioni di salute delle pavimentazioni.

 

a cura di Leonardo Annese

Fonte: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095756420301227?via%3Dihub 

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