Monitoraggio delle strutture
Sensori di deformazione ottici, principi fisici di funzionamento e opportunità future
Il monitoraggio strutturale delle opere civili consiste nel controllo e valutazione della sicurezza dell’opera stessa, con l’obiettivo di identificarne lo stato di sollecitazione, oppure i danni, siano essi legati all’invecchiamento, al degrado dei materiali o ad azioni esterne come terremoti che nel tempo ne pregiudicano la sicurezza. In generale, il sistema di monitoraggio si basa sull’insieme di sensori per la lettura dei dati, sulla raccolta degli stessi ed infine sulla loro elaborazione, attraverso tutte le informazioni necessarie a predisporre corretti interventi di manutenzione e monitoraggio continui.
Tra le tipologie di sensori che si possono utilizzare, è interessante analizzare all’interno della famiglia dei sensori ottici, la tecnologia del reticolo a fibra di Bragg (FBG). Si tratta di elementi in fibra ottica che possono essere utilizzati come sensori di deformazione e di temperatura, sfruttando una struttura a reticoli di diffrazione, come riportato in Figura 1, ottenuta per mezzo di una variazione periodica dell’indice di rifrazione della fibra “n”, ottenuta a mezzo di un laser UV che altera localmente l’indice di rifrazione del materiale stesso.
La lunghezza d’onda “𝜆” della luce riflessa, dipenderà da “𝛬” periodo del reticolo e dall’indice di rifrazione, che variando andrà a definire una variazione della lunghezza d’onda misurata e da qui la possibilità di determinare temperatura e deformazioni. Bisogna quindi identificare la traslazione rigida dello spettro, o spostamento della lunghezza d’onda indotta da una variazione uniforme del passo, per poter identificare la causa dello spostamento e quindi la deformazione meccanica e/o la variazione di temperatura. [1]
I vantaggi legati a questi sensori riguardano principalmente l’immunità alle interferenze elettromagnetiche essendo un sensore di tipo passivo, che non necessita di alimentazione; la resistenza alla corrosione e quindi la stabilità nel tempo ed infine l’elevata multiplazione su singola fibra in dimensioni di appena 150 micron, ossia la possibilità di integrare un numero elevato di sensori in un singolo tratto di fibra ottica, permettendo la misurazione in contemporanea di più grandezze.
A fronte dei diversi vantaggi presentati, i sensori ottici basati sulla tecnologia del reticolo a fibra di Bragg (FBG), sono utili nel monitoraggio statico e dinamico di ponti, strade, autostrade e rotaie. Nel caso di un ponte ad esempio, la strumentazione attraverso sensori permette di monitorare le vibrazioni causate dal passaggio di veicoli, la distribuzione delle deformazioni che si presentano per il decadimento strutturale e infine il degrado dei pilastri che sostengono l’infrastruttura stessa. [1]
Un’altra interessante applicazione riguarda il monitoraggio del traffico, sia di veicoli che di aerei, attraverso l’immersione dei sensori nel manto stradale bituminoso. In ambito aeroportuale possiamo citare l’intervento sul raccordo Tango dell’aeroporto di Linate, dove il sistema di monitoraggio FBG ha permesso di rilevare i veivoli in transito, determinandone tipologia, peso e conteggio di carrelli transitati.
[1] Stato dell’arte sulle tecnologie basate su sensori a fibra ottica per pesatura dinamica, progetto di ricerca e sviluppo SENTINEL. Report Tecnico sull’A.R. 2.2.
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