L’analisi delle forme modali nei ponti con più campate rappresenta una sfida complessa a causa dell’effetto distorsivo dello smorzamento strutturale, che attenua le ampiezze delle componenti vibrazionali e rende meno accurata l’estrazione delle forme modali stesse. Il metodo proposto, basato sull’analisi del sistema veicolo-ponte mediante tecniche di Trasformata di Hilbert (HT) e Trasformata Wavelet (WT), consente di calcolare le accelerazioni di contatto anteriore e posteriore del veicolo e, successivamente, di ricostruire le prime forme modali per ponti a una, due e tre campate. I valori di MAC (Modal Assurance Criterion) ottenuti dimostrano che le formule basate su WT mostrano una maggiore efficacia rispetto a quelle basate su HT, specialmente per ponti multi-trave, in quanto riducono significativamente la distorsione dovuta allo smorzamento.

La presenza della rugosità della pavimentazione, di natura casuale e intrinseca alle superfici dei ponti, costituisce un fattore perturbante per il metodo di misurazione delle forme modali basato su veicoli in movimento (VSM). Questa rugosità introduce vibrazioni aggiuntive che “inquinano” i segnali trasmessi dal ponte al veicolo di misura, rendendo meno precise le identificazioni delle proprietà strutturali. È importante sottolineare come la rugosità sia spesso modellata secondo la funzione PSD (Power Spectral Density) definita nella norma ISO 8608, tuttavia il profilo originale contiene molteplici angoli acuti non fisicamente compatibili con le dimensioni reali della ruota, che occupa una porzione di superficie e non un punto. Per questo motivo, il profilo è stato modificato per includere l’effetto della dimensione della ruota, ottenendo una rappresentazione più realistica delle condizioni di rugosità.

L’introduzione di un veicolo ausiliario, come un camion da 10 tonnellate che viaggia a velocità costante e mantiene una distanza prefissata dal veicolo di prova, si rivela particolarmente utile nel compensare le vibrazioni casuali causate dalla rugosità della pavimentazione. Questo “eccitatore” continuo e stabile amplifica le vibrazioni del ponte, facilitando così l’estrazione accurata delle forme modali anche in presenza di disturbi significativi. Gli studi numerici indicano che, sebbene la rugosità diminuisca i valori di MAC per i ponti multi-trave, la presenza di traffico concomitante permette comunque di recuperare con buona precisione le forme modali delle prime campate.

Il vantaggio principale del metodo risiede nel fatto che la formula ricorsiva per la rimozione dell’effetto smorzante non richiede una conoscenza preventiva del rapporto di smorzamento del ponte, rendendola quindi versatile e applicabile in diversi contesti strutturali. Questa caratteristica è cruciale, soprattutto per ponti multi-trave, dove la complessità dinamica aumenta notevolmente. Inoltre, i risultati evidenziano la superiorità della WT rispetto alla HT nell’affrontare le complessità dovute a più fattori, quali smorzamento del ponte, smorzamento del veicolo e numero di campate. Si sottolinea altresì l’importanza di selezionare veicoli di prova con coefficienti di smorzamento contenuti, specialmente quando si utilizza la HT, per garantire l’accuratezza dell’identificazione.

La metodologia presentata rimane efficace anche in condizioni realistiche di campo, con la presenza di rugosità superficiale e traffico in movimento, aprendo nuove prospettive per il monitoraggio strutturale non distruttivo e la diagnostica in tempo reale dei ponti.

È fondamentale comprendere che la precisione nella determinazione delle forme modali è influenzata non solo dai modelli matematici adottati, ma anche dalla qualità e dalla natura del segnale acquisito. La presenza di disturbi meccanici come la rugosità richiede strategie di mitigazione e condizioni di prova controllate, come l’uso di veicoli di eccitazione paralleli. Inoltre, la scelta tra diverse tecniche di analisi (HT vs WT) deve considerare la natura del sistema in esame e le condizioni operative per massimizzare l’affidabilità delle misurazioni. L’approccio proposto, integrando modelli realistici della superficie stradale e condizioni dinamiche di traffico, rappresenta un passo avanti significativo verso una diagnosi strutturale più precisa e meno invasiva.

Qual è l’effetto della rugosità del manto stradale nell’identificazione delle forme modali dei ponti mediante veicoli a due assi?

L’identificazione delle forme modali di un ponte attraverso la risposta dinamica indotta da un veicolo in transito rappresenta una tecnica di monitoraggio strutturale non invasiva di crescente interesse. Tuttavia, l’efficacia di tale metodo è significativamente influenzata da fattori ambientali e, in particolare, dalla rugosità del manto stradale. La rugosità agisce come disturbo che maschera le componenti dinamiche del ponte, rendendo difficile isolare le frequenze strutturali caratteristiche della sovrastruttura.

Il profilo di rugosità considerato è stato modellato attraverso la funzione di densità spettrale di potenza (PSD) secondo la normativa ISO 8608, classe A. Tuttavia, poiché il contatto ruota-ponte non è puntuale ma avviene su una superficie circolare, la rugosità originale è stata successivamente smussata tramite il filtro MAF, che fornisce una rappresentazione più realistica dell’interazione dinamica tra il veicolo e il ponte.

L’analisi spettrale condotta sui ponti a una, due e tre campate in presenza di rugosità mostra un risultato inequivocabile: nel dominio delle frequenze ottenuto dalla risposta del veicolo, solo la prima frequenza del ponte a campata singola risulta debolmente distinguibile. Le restanti frequenze modali, in particolare nei ponti a più campate, sono completamente coperte dalle frequenze naturali del veicolo stesso, sia verticali che rotazionali.

La sovrapposizione spettrale tra le frequenze proprie del veicolo e quelle del ponte è accentuata proprio dalla rugosità, la quale introduce segnali parassiti di natura aleatoria ma strutturata, che non possono essere completamente eliminati con un’analisi tradizionale. Ne consegue che le frequenze strutturali del ponte risultano non identificabili, compromettendo l’accuratezza dell’estrazione modale.

Una soluzione efficace per attenuare questo effetto consiste nell’utilizzo di un veicolo a due assi, sfruttando la distanza fissa tra gli assi e il fatto che entrambi percorrono lo stesso tracciato sul ponte. Calcolando la differenza tra le risposte dinamiche registrate al contatto anteriore e posteriore, si ottiene una risposta residua in cui la componente dovuta alla rugosità viene in larga parte eliminata. Questo procedimento è concettualmente analogo a quello di due veicoli a un solo asse connessi in modo solidale, secondo l’interpretazione data in letteratura.

I risultati spettrali ottenuti da tali risposte residue mostrano due elementi fondamentali: in primo luogo, le frequenze proprie del veicolo vengono efficacemente soppresse; in secondo luogo, l’effetto perturbativo della rugosità viene significativamente ridotto. Questo permette di recuperare con maggiore chiarezza le frequenze del ponte, comprese quelle associate a modi superiori di vibrazione.

La comparazione delle forme modali estratte in presenza di rugosità, rispetto a quelle ottenute in condizi

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