Monitoraggio strutturale con i sensori a fibre ottiche per la sicurezza delle opere di ingegneria

Diego Dell'Erba - Ingegneria Integrata 16/10/2018 2958

La sicurezza delle opere di Ingegneria richiede un controllo senza soluzione di continuità delle infrastrutture. I metodi attualmente utilizzati, quali le ispezioni visive o le misure per triangolazione sono spesso complicati nella messa in opera e richiedono la presenza di uno o più operatori specializzati. La complessità ed i costi che ne risultano sono tali da limitare la frequenza delle misure. Esiste dunque la reale necessità, un bisogno reale, su scala internazionale, di strumenti che permettano la sorveglianza automatica e permanente all'interno delle strutture stesse, fornendo risultati di grande precisione e buona risoluzione spaziale.

Le smart structure i sensori

In quest'ottica, il concetto di struttura intelligente (dall'inglese smart structure) ha già provato la sua efficacia nel monitoraggio strutturale di importanti opere di ingegneria. Queste “strutture edilizie“ sono provviste di una rete interna di sensori a fibre ottiche che permettono la sorveglianza di diversi parametri, critici per la sicurezza ed utili per una pianificazione efficace degli interventi di manutenzione. Si pensi in particolare alle deformazioni degli elementi strutturali causate, da temperature, pressioni, penetrazioni di agenti chimici nocivi, inizio di prime fessurazioni, variazione degli stati tensionali, “fluage” dell’acciaio delle armature, qualità dei materiali.. e quant’altro Il monitoraggio strutturale ha assunto negli ultimi anni una sempre maggiore importanza anche in virtù delle sopravvenute disposizioni normative (Norme tecniche per le Costruzioni 2018 - D.M. 17 gennaio 2018). 

I vantaggi del monitoraggio strutturale

Il monitoraggio ha una azione di controllo e di sorveglianza in tempo reale di un fenomeno attraverso la misura di parametri fisico-meccanici che descrivono l’interazione tra l’ambiente e le variabili di stato dell’oggetto che si intende studiare. L’innesco di un quadro fessurativo in una struttura da origine, indubbiamente, ad una possibile diminuzione nel tempo dei margini di sicurezza previsti in fase di progettazione

Il monitoraggio strutturale rappresenta la forma più avanzata che il tecnico ha per conoscere l’evoluzione dei materiali che formano il componente edilizio. Il continuo deterioramento, rilevato nelle strutture in c.a. e in c.a.p. negli ultimi anni, ha favorito lo sviluppo di tecniche di controllo di tipo NDT. Il controllo è, oggi, inteso come un mezzo con cui è possibile valutare l’affidabilità dei materiali ed inoltre verificarne l’evoluzione in tempo reale al fine di prevedere eventi catastrofici. In particolare, le esigenze emerse in campo ingegneristico riguardano strutture esistenti sulle quali è necessario identificare i reali coefficienti di sicurezza attraverso la conoscenza dei materiali e la variazione dei parametri di progetto o mediante il controllo degli spostamenti in opera, ma anche le strutture di nuova realizzazione dove è opportuno predisporre quanto necessario per verificare periodicamente lo stato di efficienza sia strutturale che del materiale.

La tecnica di monitoraggio mediante i sensori a fibre ottiche

Oggi si dispone di tecniche che permettono di controllare le membrature simultaneamente dall’interno e dall’esterno, ossia, di tecniche che è possibile pensare di utilizzare come sistema residente in una struttura e che possa rappresentare un ottimo sistema a supporto, per l’intera durata della vita utile dell’opera. Sicuramente una delle metodologie di controllo più vicine a quanto su esposto è l’applicazione dei sensori a fibre ottiche.

Con i sensori a fibra ottica si può eseguire sia un monitoraggio strutturale, inteso come controllo di spostamenti e deformazioni di membrature portanti, sia eseguire un controllo sul deterioramento dei materiali seguendone in tempo reale gli sviluppi fisico – chimici.

Esiste una grande varietà di sensori a fibra ottica adatti al monitoraggio strutturale. Il sistema di monitoraggio a fibre ottiche, presenta dei vantaggi importanti rispetto ai metodi di misura più convenzionali. Tra questi citiamo il loro basso costo, la vasta gamma di parametri misurabili, l'insensibilità ai campi elettromagnetici (linee ad alta tensione, treni, temporali) ed alla corrosione, le loro dimensioni ridotte, la loro flessibilità d'impiego e la grande densità d'informazione che possono fornire. Questa straordinaria tecnologia applicata sulla struttura edilizia, consiste in una serie di sensori, che vengono saldamente fissati alle barre delle armature all’interno degli elementi strutturali (fig. 1-a e fig. 1-b). 

 fibre-ottiche-posizionamento-1.JPGfibre-ottiche-posizionamento-2.JPG

 

 

 

 

 

 

In una struttura, la misura delle variazioni nel tempo delle caratteristiche, sia della risposta statica, sia della risposta dinamica, può altrettanto validamente essere utilizzata in sistemi di monitoraggio per il rilevamento di stati di danno. 

Il sensore a fibre ottica controlla senza soluzione di continuità lo stato fisico-chimico del materiale e ne evidenzia in tempo reale l’innesco di crisi statiche come l’innesco di fessurazioni in parte delle membrature, inizio della corrosione degli acciai, deformazioni nella geometria nelle sezioni del costruito ecc. 

I sensori in fibra ottica, impiegati da vari anni dal nostro studio di “INGEGNERIA INTEGRATA di ing. Diego dell’Erba" per il monitoraggio strutturale, hanno dimostrato ottime caratteristiche di sensibilità e stabilità delle misure nel tempo, come pure di durata di vita. Questa tipologia di sensori installati sulle costruzioni da noi progettate danno sicurezza e certezza per una corretta manutenzione dell’opera evitando così crisi statiche e crolli improvvisi delle membrature edilizie con danni a persone e cose. Riportiamo di seguito una breve informazione su alcune costruzioni dove sono installati i sensori a fibre ottiche.

...continua la lettura dell'articolo nel pdf