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

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. 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).

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. 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.

Fig. 1-a

Fig. 2-a

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 edilize con danni a persone e cose. Riportiamo di seguito una breve informazione su alcune costruzioni dove sono installati i sensori a fibre ottiche.

Chiesa di Santa Maria delle Grazie “ Dimostratore “ nella frazione di Colleposta Comune di Accumoli (RI) di come si progetta e si fa monitoraggio strutturale su fabbricati in muratura.

Gli interventi in emergenza di messa in sicurezza degli edifici (sebbene presupposti di valenza temporanea) devono spesso restare in esercizio a lungo prima che si effettuino gli interventi definitivi di recupero strutturale. Trattandosi solitamente di strutture il cui stato tensionale è fortemente influenzato dalla statica dell'edificio, risulta possibile strumentarle per effettuarne monitoraggi strutturali, sia al fine della sicurezza contingente sia al fine di ottimizzare il progetto di recupero definitivo. Inoltre, in caso di terremoti con importante attività secondaria, il monitoraggio può fornire riscontro dell'adeguatezza dell'intervento.

I sensori FBG (Fiber Bragg Gratings) consentono lo sviluppo di sistemi di monitoraggio strutturale che hanno caratteristiche ottimali per le opere provvisionali, come ad esempio: facilità di installazione su legno, metallo e muratura; facilità di cablaggio in serie di molti sensori; alta affidabilità in regime statico e dinamico; eccellente resistenza a condizioni ambientali e climatiche avverse.

La tecnologia FBG è stata applicata con successo per monitorare presidi per la messa in sicurezza in emergenza della chiesa di S. Maria delle Grazie in Colleposta, danneggiata dal terremoto occorso nel centro Italia nell'agosto del 2016. Nell'ambito del Progetto COBRA finanziato dalla Regione Lazio, l'intervento è stato effettuato in collaborazione da “INGEGNERIA INTEGRATA“, Ufficio Tecnico della Diocesi di Rieti ed ENEA.

Le mura perimetrali della chiesetta sono state confinate con cavi metallici e palanche in legno. Sensori FBG con funzione di strain gauges sono stati installati sui cavi tesi orizzontalmente e su dime placcate verticalmente in superficie sulle mura; sensori FBG per lamisura della temperatura consentono la esecuzione delle misure di strain in modalità di compensazione termica. La figura mostra il presidio realizzato, con schematica rappresentazione della disposizione dei sensori di un set dei sensori di temperatura (T) strain ai cavi (c) e linea d'asse delle mura (w).

Sensore al muro w1. Esempio (5 giorni) di monitoraggio continuativo in regime statico e compensazione termica. La traccia evidenzia il ciclo circadiano ma non si ha evidenza di discontinuità o variazioni improvvise dell'andamento, tipiche segnature che denunciano la possibilità di alterazioni importanti delle condizioni statiche.

Sensore c2 al cavo: correlazione fra le variazioni di strain e di temperatura. I dati afferenti a diverse campagne di misura sono mostrati con segno diverso. La correlazione evidenzia ampia dispersione, oltre a trend temporale con drift da Settembre a Dicembre. Tale drift non può essere attribuito alla variazione della temperatura media stagionale, non ricorrendo con simile ampiezza per alcun altro sensore (qui non mostrati). Ulteriore analisi dei dati mostra che il trend presenta chiara correlazione con gli eventi sismici occorsi nel periodo di osservazione.

Progetto CO.B.RA: sviluppo e diffusione di metodi, tecnologie e strumenti avanzati per la Conservazione dei Beni culturali, basati sull'applicazione di Radiazioni e di tecnologie Abilitanti. Finanziamento Regione Lazio - Progetti di Ricerca Presentati da Università e Centri di Ricerca.

Link Video Chiesa - https://www.youtube.com/watch?v=9NvLMumdU8k

Al centro storico di l’Aquila palazzo Mannetti un impianto edilizio importante è monitorato strut- turalmente con un sistema di sensori a fibre ottiche che controllano lo stato dei materiali e le sollecitazioni a cui sono sottoposti senza soluzione di continuità. Un sistema combinato di sensori in fibra ottica e accelerometri, in grado di inviare in tempo reale informazioni sul comportamento dell’edificio in caso di sollecitazione sismica o altri eventi catastrofici. Questa la novità nella ricostruzione di Palazzo Mannetti, nel cuore del centro storico dell'Aquila, tra il corso stretto e piazza Regina Margherita La rete di monitoraggio invia segnali di allerta o di allarme tramite un sms o messaggi su tablet o siti WEB dedicati e consentirà di individuare l’azione più urgente da applicare: ricorrere a indagini visive in caso di allerta o limitarsi a studiare i dati registrati dai sensori in caso di semplice allarme. Un progetto dell’Ing. Diego Dell’Erba con la collaborazione della Sismlab - spin-off della Università della Calabria .

link video Palazzo Mannetti - https://www.youtube.com/watch?v=n9gr-hX-FLw

A Villalba di Guidonia la Chiesa di Santa Maria Goretti è monitorata senza soluzione di continuità con sensori a fibre ottiche L’edificio è costituito da due corpi di fabbrica contigui, realizzati con tecniche e materiali differenti. Il primo, in muratura portante ed oggetto di consolidamento, è sede della Chiesa. Il secondo, di nuova edificazione è in c.a., ospita i locali parrocchiali. Il sistema di

monitoraggio a fibra ottica ha interessato l’edificio di nuovo impianto. Tale scelta consentirà di eseguire controlli specifici in fase di realizzazione, di collaudo, ed inoltre, di programmare, quando l’opera entrerà in servizio, gli interventi di manutenzione. Infatti, la possibilità di disporre di dato oggettivi sul funzionamento strutturale, permetterà di classificare gli interventi, in interventi di manutenzione ordinaria e/o straordinaria, permettendo una razionalizzazione ed una ottimizzazione dei costi e la sicurezza certa del complesso edilizio per le persone e le cose.Un progetto dell’Ing. Diego Dell’Erba e della Sismlab spin-off dell’Università della Calabria.

Nel Comune di Roccadarce (FR) lungo la S.P. Accesso a Roccadarce – Km 0,00 sono installati una rete di sensori a fibre ottiche che controllano i parametri di sicurezza fisico – meccanici di alcuni muraglioni di contenimento stradale e di un fronte di frana. molto esteso. Il controllo senza soluzione di continuità permette di programmare una manutenzione certa e sicura nel tempo. Un progetto dell’Ing. Diego Dell’Erba e della Sismlab spin-off dell’Università della Calabria.

Conclusioni: il monitoraggio delle strutture edilizie in c.a. e c.a.p. di vecchia o nuova realizzazione oltreché delle  strutture in muratura è uno degli strumenti essenziali per una gestione intelligente, moderna ed efficace delle infrastrutture. Il controllo senza soluzione di continuità di un impianto edilizio incrementa la conoscenza dei suoi comportamenti,fisico-meccanici determinando i parametri utili alla progettazione, aiutare a garantire la sicurezza e a pianificare gli interventi di manutenzione e ripristino, permettendo così di stabilire e pianificare i costi effettivi dell’opera nell’arco della sua vita. Tra i diversi comportamenti di un sistema di monitoraggio, i sensori sono il primo elemento della catena di controllo e sono responsabili dell’esattezza e affidabilità dei dati. I dispositivi a fibre ottica, in particolare, offrono benefici durante le prove di carico, la costruzione, il collaudo e il controllo a lungo termine. Tali dispositivi si rivelano di utilità soprattutto in presenza di eventi eccezionali. Infatti l’esistenza di un sistema di controllo residente nella struttura, aiuta i tecnici ad effettuare importanti valutazione in merito alla staticità strutturale della costruzione colpita ad esempio da un evento calamitoso, sisma e quant’altro. Questi sistemi di monitoraggio hanno dimostrato grossi vantaggi economici a medio e lungo termine visto che permettono una manutenzione certa dell’opera e la sicurezza per le persone e cose. Alla luce di si quanto esposto, si può auspicare che il monitoraggio strutturale, basato su dispositivi tecnologicamente avanzati come i sensori a fibre ottiche diventi una pratica consolidata e fondamentale nel recupero di vecchie strutture in c.a. e c.a.p  ed in muratura in dissesto statico, oltreché nella realizzazione delle nuove strutture.

A cura di Ing. Diego Dell’Erba