Laboratorio di Sensori

MONITORAGGIO STRUTTURALE

Si presenta spesso la necessità di monitorare strutture di varia tipologia,che per loro natura non

devono variare nello spazio e nel tempo la loro posizione ,le dimensioni,o la forma;

A tal proposito nasce allora il Monitoraggio strutturale SHM “Structural health monitoring” (che

vuol dire monitoraggio in tempo reale della salute di una struttura) ,una disciplina sempre più

impiegata per:

 controllo di strutture edili come ponti o edifici realizzati in acciaio o cemento

 prevenzione di guasti sulle strutture provocate da carichi eccessivi (aumenta la sicurezza)

 per ridurre la frequenza delle ispezioni e intervento del personale, e quindi dei costi, di

manufatti e opere pubbliche perché di norma le realizzazione delle strutture e la loro

manutenzione richiedono investimenti sempre più onerosi;In particolare, gli alti costi per la

manutenzione sono dovuti al fatto che i tradizionali sistemi di monitoraggio rilevano il

degrado della struttura quando è troppo tardi

 per conoscere in tempo reale l’evoluzione di una frattura

 l’intervento dell’operatore così è sempre meno ricorrente, sia in termini di utilizzo della

strumentazione che di risoluzione di eventuali problemi “in campo”

 raccogliere dati temporali a costi relativamente bassi e con frequenza di misura variabile e

programmabile in funzione della specifica applicazione e con una precisione adeguata allo

scopo

 il monitoraggio può segnalare rapidamente e in tempo utile un malfunzionamento

strutturale fornendo informazioni affidabili

esempi di applicazione del progetto COBRA (conservazione dei Beni culturali attraverso

Figura:

Radiazioni e tecnologie Abilitanti), un piano finanziato dalla Regione Lazio con 860.000 euro

finalizzata al restauro e la valorizzazione dei Beni culturali

Il monitoraggio strutturale rappresenta il più moderno e indicato approccio per

evitare i numerosi incidenti e disastri conseguenti perchè offre l’opportunità di

valutare con continuità ed in tempo reale le caratteristiche strutturali e la loro

degradazione durante il tempo di vita della struttura stessa;

Strutture intelligenti

Grazie all’utilizzo di sensori in fibra ottica, permanentemente connessi alle strutture da

monitorare,la struttura stessa potrebbe diventare un sensore , cioè è la struttura che monitora

autonomamente la propria integrità, lo stato delle proprie caratteristiche meccaniche e che è in

grado di comunicarle ad un sistema di gestione centrale dei dati che si attiva per intervenire in

caso di necessità. Prendiamo ad esempio un ponte che ha subito gli effetti di un terremoto ed in

apparenza è rimasto intatto, un sistema integrato sarebbe in grado di verificare lo stato della

struttura e comunicarlo alla manutenzione. Ciò è solo il punto di partenza di quelle che oggi

vengono definite strutture intelligenti (smart structures), strutture capaci in pratica di fornire

informazioni sul loro stato e sulla loro integrità,analizzarle e

quindi intervenire, reagendo a quelle che possono essere

variazioni dei parametri ambientali con cui interagiscono nella

loro vita operativa,è quasi come se assumessero un

comportamento pseudo biologico (bio- behavior),cioè un

comportamento reattivo. Per assolvere questi compiti la

struttura deve essere dotata di un sistema di sensori, di un

sistema di acquisizione ed elaborazione dati e di un sistema di

attuazione. Osservando la Figura appare evidente l’analogia

con le strutture biologiche capaci di adattarsi in modo efficace

alle mutevoli condizioni ambientali del loro habitat grazie alla

presenza di sensori incorporati (i nervi), attuatori

interconnessi tra loro (i muscoli) ed un processore o centro

decisionale (il cervello). Esse sono in grado di sentire o

percepire, attuare, adattarsi ed inoltre autoripararsi e

replicarsi da sole. Nonostante sia chiaramente impossibile replicare artificialmente organismi così

complessi le Smart Structures provano ugualmente ad emularne il comportamento. Storicamente

fu l’industria aerospaziale, spinta dall’esigenza di contenere sempre di più i costi mantenendo nel

contempo alti livelli di sicurezza operativi, a dare un forte impulso ad una soluzione progettuale

così innovativa. I candidati ideali a costituire una struttura intelligente sono i materiali

compositi nei quali è possibile integrare i sensori e gli attuatori.

Infatti consentono di implementare funzionalità avanzate come:

 data sheet elettronico,

 autoidentificazione,

 calibrazione intelligente,

 preelaborazione dei dati,

 funzioni di comunicazione per il monitoraggio remoto,

 configurazione da remoto.

Con queste riesco a emulare i sistemi biologici inglobando al proprio interno opportune tipologie

di sensori e attuatori (meccanismi attraverso cui un agente agisce su un ambiente,cioè sono la

parte elettro-meccanica-idraulica). Per assolvere questi compiti le Smart Structures devono essere

dotate di un sistema di sensori e di attuatori integrando al loro interno dei cosiddetti materiali

smart (materiali intelligenti),cioè quei materiale che associano ad un input un ben determinato

output, ovvero che reagiscono ad uno stimolo(temperatura, campo elettrico,strain,PH, etc.)

manifestando una specifica risposta,e quindi sono materiali che dispongono di proprietà che

possono essere cambiate o controllate tramite stimoli esterni.

Ci sono molti tipi di materiali intelligenti, alcuni dei quali sono già diffusi:

 I materiali piezoelettrici producono tensione elettrica

quando subiscono una forza, tipicamente un urto.

Poiché questo effetto agisce anche al contrario, ossia

generano degli urti se sottoposti a corrente, sono usati

per produrre delle componenti meccaniche che si

espandano o contraggano se sottoposte a una tensione.

sottoposto a una forza

 Le leghe e i polimeri a memoria di forma sono materiali

che possono essere deformati in maniera controllata dal

calore. In particolare, se sottoposti a una deformazione

per espansione termica,tornano a una forma

memorizzata. Le leghe a memoria di forma magnetiche

ritornano alla loro forma originale se magnetizzate

 I materiali magnetostrittivi possono cambiare la forma se sottoposti a un

campo magnetico e, viceversa, possono generare campi magnetici se

sottoposti a uno strain

 I materiali halocromici cambiano colore in base all'acidità. Un utilizzo

frequente è la produzione di vernici che cambiano colore quando il

materiale che ricoprono si sta corrodendo.

 I polimeri sensibili al pH si allungano,accorciano o cmq aumentano di volume al variare del

pH del liquido in cui sono immersi

 I materiali cromici cambiano colore se

sottoposti a cambiamenti termici, ottici o

elettrici. Esempi comuni sono lo schermo a

cristalli liquidi e gli occhiali che si scuriscono se

esposti alla luce solare

è possibile effettuare una suddivisione in due soli grandi gruppi che, pur con qualche eccezione,

identificano i due elementi essenziali di una struttura intelligente: i sensori e gli attuatori:

 Materiali with sensing capabilities:tutti i materiali che se hanno uno stimolo in input(

variazione parametri al contorno indotte naturalmente dall’ambiente o da una fonte

energetica),sono in grado in output di modificare una o più delle loro proprietà (chimiche,

termiche, meccaniche, magnetiche, ottiche, elettriche).

 Materiali with actuation capabilities:tutti i materiali che sono in grado di assorbire e

trasformare l’energia (ad esempio materiali fotovoltaici che, come è noto, trasformano

l’energia solare in energia elettrica).

Le fibre ottiche consentono, pertanto, di verificare l’affidabilità di una struttura durante la sua vita

operativa, rappresentando un sistema di monitoraggio permanente, in grado anche di generare

allarmi nel caso si verifichino condizioni critiche. Quindi Sono alla base della parte dei

sensori(nervi) delle strutture intelligenti,e quindi del monitoraggio strutturale.

Ho due possibilità per fare il monitoraggio:

 Uso i reticoli di Bragg FBG,che sono sensori puntuali,cioè sono in grado di fare la misura

solo in una regione limitata dello spazio,e quindi solo una porzione della fibra è sensibile

all’ambiente esterno. L’Uso di questi richiede però la conoscenza a priori del punto critico

che voglio misurare,cioè quei punti che hanno maggiori probabilità di subire

danneggiamenti (giunti,connettori,rotture,pieghe).Al più infilando più FBG in una struttura

posso creare un sistema innervato,cioè dare a molti punti della struttura la capacità di

“sensing”.

 Uso sensori distribuiti,cioè dei

sensori spazialmente continui in grado di sentire variazioni di grandezze per grandi

distanze,trasformando l’intera fibra in un sensore,quindi ogni punto della struttura avrà

capacità di “sensing”,e non è necessaria la conoscenza a priori dei punti critici in cui si

possono verificare eventi che si vogliono monitorare. A differenza dei sensori in fibra

puntuali, non esiste l’equivalente elettrico dei sensori distribuiti in fibra ottica.