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Monitoraggio Infrastrutture: la Tecnologia FGB

La tecnologia FBG per il monitoraggio infrastrutturale

Studi, sperimentazioni e prime applicazioni

Pubblicato lunedì 12 gennaio 2015

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Strumentare con un sistema di monitoraggio una sovrastruttura aeroportuale, ferroviaria o stradale in genere è utile ed interessante per fini scientifici, in quanto si può disporre di dati con i quali progredire nelle conoscenze e nella modellazione razionale della pavimentazione, oggi ancora basata prevalentemente su nozioni di provenienza “empirica”.

Il monitoraggio delle pavimentazioni per l’acquisizione dati non è un’attività di immediata e facile esecuzione in quanto lo strato in conglomerato bituminoso presenta alcune criticità per i sensori: alte temperature ed un elevato stato tensionale raggiunto durante le fasi di stesa e compattazione.

Lo stato dell’arte dei sistemi tradizionali di acquisizione dati è caratterizzato principalmente dai seguenti dispositivi: trasduttori LVDT, estensimetri, celle di pressione, termocoppie e misuratori di giunto.

La mortalità dei sensori sopracitati è generalmente alta e il rischio di perdita raggiunge in alcuni casi circa il 50%.

In questo articolo si presenta un innovativo sistema di monitoraggio basato sulla tecnologia delle fibre ottiche, sviluppato e testato per la misurazione dello stato tenso-deformativo e delle temperature all’interno di pavimentazioni in conglomerato bituminoso. Questa tecnologia combina l’abilità della fibra ottica di veicolare la luce con la capacità dei reticoli di Bragg di leggere la variazione della lunghezza d’onda indotta dalle deformazioni e dalla variazione della temperatura.

Il sistema di monitoraggio basato sulle fibre ottiche

La tecnologia qui descritta si basa sul reticolo di Bragg (Fiber Bragg Grating - FBG) ed è utilizzata per misurare deformazioni, temperatura, pressione, campi magnetici e altre grandezze fisiche.

I sensori FBG sono in grado di mostrare significativi vantaggi rispetto alle altre tecnologie sul mercato in tutti i campi caratterizzati da grandezze in scala microscopica o da temperature estremamente proibitive.

La tecnologia FBG è caratterizzata da un’elevata accuratezza di misurazione (deformazioni dell’ordine del nanometro o addirittura del picometro), alta stabilità del segnale, ridotte dimensioni, insensibilità alle interferenze con i campi magnetici e capacità di misurazione ad elevate frequenze (dagli 0 ai 100 Hz) e temperature (dai –270 °C ai 900 °C).

I principi fondamentali dei sensori con fibre ottiche 

In breve il concetto dei sensori FBG si basa sulla perturbazione dell’indice di rifrazione della fibra ottica in determinati punti (sensori FBG) della stessa; queste perturbazioni consentono di riflettere una determinata lunghezza d’onda e di continuare a trasmettere le altre all’interno della fibra. Il fascio di luce attraversa il nucleo del filamento di fibra ottica indisturbato e qualsiasi deformazione (causata dalla variazione di temperatura dell’ambiente circostante, pressione, vibrazione o sollecitazioni provenienti dal mondo esterno) causa un salto ed un cambiamento nella magnitudine della lunghezza d’onda riflessa.

Il principio fondamentale alla base di questo tipo di tecnologia si basa sulle leggi di Fresnel grazie alle quali è possibile calcolare come l’intensità di un raggio luminoso incidente su una superficie viene ripartita tra il raggio riflesso e il raggio rifratto. 

Un reticolo di Bragg (FBG) è un insieme di riflettori (detti di Bragg) costruiti in un piccolo segmento del filamento di fibra ottica, ognuno dei quali riflette una particolare lunghezza d’onda del fascio di luce e trasmette tutti gli altri.

Una volta realizzato il reticolo FBG, le variazioni di lunghezza d’onda che si generano nel sistema possono essere misurate utilizzando una strumentazione apposita.

La fase sperimentale

La sperimentazione si è articolata in due differenti fasi: una inerente test di laboratorio ed una legata all’esecuzione di campi prova in vera grandezza.

I test di laboratorio

Per valutare la compatibilità tra il sistema FBG e l’ambiente ad elevate sollecitazioni derivanti dai metodi costruttivi delle pavimentazioni in conglomerato bituminoso e cementizie, sono state realizzate in laboratorio delle piastre di dimensioni 40 cm di lunghezza, 30 cm di larghezza e 6 cm di spessore, composte da due strati di conglomerato bituminoso da 3 cm sovrapposti, con i sensori FBG posizionati nel mezzo della piastra. 

La completa realizzazione dei campioni da sottoporre ai test (produzione della miscela, compattazione e realizzazione delle lastre) è avvenuta interamente in laboratorio in modo da semplificare e ridurre al minimo le varianti in gioco durante questa prima fase sperimentale volta, come evidenziato in precedenza, a valutare la fattibilità del monitoraggio del conglomerato bituminoso con un sistema FBG.

Da ogni piastra sono stati ricavati cinque travetti da 40x30x6 cm doppio strato strumentati con sensori FBG che sono stati sottoposti a prove di flessione a quattro punti in configurazione di deformazione controllata con differenti curve di carico (di tipo ad impulso, rettangolare, sinusoidale, etc) secondo la AASHTO TP 8/94-321 (Standard Test Method for Determining the Fatigue Life of Compacted Hot Mix Asphalt (HMA) Subjected to Repeated Flexural bending) (AASHTO). 

Questo tipo di test ha permesso di verificare la corretta corrispondenza tra il tipo di deformazione imposta dalla macchina e la lettura eseguita dai sensori FBG annegati nella pavimentazione.

Dai test condotti si è potuta constatare la perfetta corrispondenza tra la forma della curva di deformazione imposta al travetto e quella letta da parte del sistema di monitoraggio installato; i valori di deformazione non sono gli stessi in quanto i sensori FBG sono stati posizionati a profondità differenti rispetto ai trasduttori LVDT della macchina.

I campi prova in vera grandezza

L’obiettivo successivo della ricerca è stato quello di verificare l’efficacia di questo sistema innovativo in un campo prova in vera grandezza sollecitato dal passaggio di reali carichi di traffico, in modo tale da verificare dapprima il comportamento durante le usuali operazioni di stesa e compattazione e successivamente la risposta dei sensori al transito di svariati mezzi quali autovetture, camion a quattro assi, autoarticolati, pale gommate. Il campo prova, realizzato presso la sede dell’Impresa Bacchi Srl di Milano, è stato pensato e costruito con la conformazione di dosso stradale in conglomerato bituminoso e installato immediatamente prima della pesa dell’impianto in modo tale da avere una perfetta corrispondenza tra i mezzi registrati dal sensore e l’effettivo peso degli stessi. 

Le letture eseguite con il sistema FBG hanno rilevato dei valori di deformazione compatibili con quelli stimati mediante modellazioni numeriche riferite alla stratigrafia specifica del campo prova e hanno mostrato, inoltre, un’ottima accuratezza e ripetibilità della misura.

Si è potuto constatare come il sistema fosse perfettamente in grado di sopravvivere alle fasi di installazione, come fosse adatto a rilevare il transito di svariati mezzi e come possedesse una accuratezza tale da poter rilevare anche le minime variazioni tra i carichi agenti su ogni singolo asse.

Applicazioni significative

A valle della fase di sperimentazione sono state eseguite significative installazioni in importanti contesti, sia di ambito autostradale che aeroportuale, tra questi si citano: l’Autostrada A4 Milano-Torino e l’aeroporto di Milano Linate-raccordo Tango. L’applicazione più rilevante in ambito autostradale è rappresentata dalla realizzazione di quattro portali di monitoraggio sulla corsia di marcia lenta dell’Autostrada A4, sulla carreggiata Torino-Venezia, presso la Direzione di Tronco a Novate Milanese (attività svolta in collaborazione con la Pavimental SpA). In tale circostanza, il sistema FBG è stato utilizzato come strumento per il confronto tra quattro differenti pavimentazioni in conglomerato bituminoso sollecitate con il medesimo carico; il tutto strumentando la corsia di marcia lenta con i portali di misurazione.

Gli Autori, un volta effettuata la taratura del sistema (attraverso misure comparate con quelle derivanti da diverso dispositivo e ovviamente in presenza di carichi noti), mediante l’analisi delle deformazioni registrate dai portali FBG sono stati in grado di valutare lo stato tensionale di ogni sovrastruttura in esercizio e pervenire poi, dopo debita elaborazione, all’esame complessivo delle prestazioni, anche a fatica, di ciascun pacchetto.

In ambiente aeroportuale, l’intervento di recente applicazione eseguito sul raccordo Tango dell’aeroporto di Linate in corrispondenza del punto attesa T1 (attività svolta in collaborazione con Impresa Bacchi Srl) rappresenta, in tale ambito, il primo e unico sistema di monitoraggio con tecnologia FBG realizzato all’interno di una pavimentazione in conglomerato bituminoso. 

Il sistema, posizionato a una profondità di 5 cm, consta di 40 sensori per la lettura delle deformazioni e due sensori per la rilevazione della temperatura. La larghezza di monitoraggio è di 11,70 m (di cui 2,60 m a Nord della centerline e 9,40 a Sud della stessa) con una spaziatura tra i sensori di 30 cm. Tale configurazione consente di rilevare il carrello anteriore e posteriore di qualsiasi velivolo, dal più piccolo aereo dell’aviazione generale all’aereo critico di progetto (B747). 

La rilevazione e l’elaborazione dei dati avvengono nella cabina Sud dell’aeroporto (a circa 600 m dal punto di installazione) dove convergono i filamenti di fibra ottica e dove è alloggiato l’interrogatore.

I sensori FBG sono stati posizionati appositamente dopo le microonde del punto attesa T1 in modo tale da avere un perfetto riscontro e una verifica reciproca dei due sistemi. Grazie all’elaborazione dei dati acquisiti, è possibile esaminare molteplici aspetti riguardanti i velivoli in transito e la loro interazione con la sovrastruttura, come ad esempio ubicazione, tipologia, peso e conteggio dei carrelli transitati, analisi dello stato di deformazione nell’istante del transito (momento di sollecitazione massima) o continuato nel tempo (analisi durante l’intera vita a fatica della sovrastruttura), anche in relazione alla temperatura interna dello strato. Oltre detti aspetti, di rilievo è il fatto che questa tecnologia, nel dare esatte e complete informazioni sul passaggio degli aeromobili, ha ampie prospettive di utilizzo ai fini della sicurezza aeroportuale (per esempio, infrazione di no entry) in ridondanza con altre tecnologie (infrarossi) oppure in via esclusiva quando altre tecnologie non trovano applicazione in alcune specifiche condizioni applicative.

Conclusioni

La tecnologia delle fibre ottiche incorporate con sensori basati sulla tecnologia Fiber Bragg Grating (FBG), all’avanguardia rispetto a quelle disponibili nel campo dei sistemi di rilievo e misura, si dimostra versatile ed efficace. Peraltro ha ancora ampi margini di crescita.

Sia nei trial test che nelle applicazioni reali questa tecnologia ha dimostrato compatibilità con il conglomerato bituminoso durante sia l’installazione che l’esercizio, oltre che la piena rispondenza a requisiti di precisione ed accuratezza. La valutazione approfondita del comportamento della sovrastruttura durante le diverse fasi del ciclo di vita consentirebbe l’acquisizione di dati utili per una più razionale caratterizzazione delle proprietà meccaniche della pavimentazione stessa.

Ciò permetterebbe, sia in fase progettuale sia in fase manutentiva, di effettuare le dovute valutazioni sul livello prestazionale della sovrastruttura, con ovvi benefici in termini di pianificazione degli interventi. Sono attualmente in corso studi e sperimentazioni da parte degli Autori inerenti altre applicazioni della tecnologia FBG in ambito infrastrutturale. 

 

Fonte: Strade&Autostrade