Vengono di seguito riportati alcune metodologie innovative sia per quanto riguarda i sensori sia per le unità si raccolta dati.
Sensori a fibra ottica: negli ultimi anni, i sensori a fibra ottica hanno assunto una
considerevole importanza nel campo del monitoraggio strutturale. Rappresentano la giusta scelta per molte applicazioni, per la loro facilità di applicazione, per essere immuni alle interferenze magnetiche a capaci- di individuare deformazioni molto piccole con elevata accuratezza per lunghi periodi di osservazione, presentano, però, dei costi piuttosto elevati rispetto le tradizionali tecnologie91.
I laboratori dell’Istituto di Misura ed Analisi degli Sforzi (IMAC, Ecole Politecnique Fédérale di Losanna) e dell’Istituto di Meccanica dei Materiali (IMM di Lugano) hanno sviluppato un sistema di monitoraggio a lungo termine chiamato SOFO (Surveillance of Ouvrages par
Fibers Optiques) basato sull’interferometria a bassa coerenza ed in grado di consentire
misurazioni nell’ordine del centesimo di millimetro. Questo sistema di monitoraggio è particolarmente impiegato su ponti, galleria, dighe ed altre strutture dell’ingegneria civile. Il sistema SOFO richiede l’installazione di due fibre nella struttura che dovrà essere
90Brownjohn J.M.W., Structural health monitoring of civil infrastructure, in Phil. Trans. R. Soc. 2007, pp.610-613.
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monitorata. La prima fibra dovrà essere in contatto meccanico con la struttura nella regione in cui la fessura è attiva e dovrà seguire la deformazione della struttura sia in allungamento sia in accorciamento. L’altra fibra agisce come un riferimento per la temperatura in dipendenza dall’indice di rifrazione92.
Il sistema SOFO ha avuto successo in Europa, USA ed in estremo oriente. In Italia ci sono alcune interessanti applicazioni eseguite grazie alla collaborazione tra SMARTEC, TECNITER e il Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica dell’università di Genova.
Figura 23 - Sensori a fibra ottica93.
Sensori di deformazione a base di cemento: sono sensori relativamente nuovi per
l’ingegneria civile, vengono prodotti aggiungendo una adeguata proprietà di fibre di carbonio corte in un materiale a base di cemento. Possono percepire tensioni e deformazioni in maniera molto più precisa rispetto ai tradizionali sensori94. Sono stati eseguiti ampi studi sulla percentuale di miscela, sul procedimento di fabbricazione, sulle proprietà e i metodi di misurazioni dei sensori di rilevamento, sono, però, necessari ulteriori studi e ricerche95.
Sensori per la misura della corrosione: la corrosione è causa di gravi deterioramenti delle
prestazioni strutturali. Così è importante monitorare precisamente il danno indotto da questo fenomeno. Sensori per misurare tale tipo di danno con alta precisione e durabilità sono stati sviluppati e verificati sperimentalmente da Qiao & Ou nel 200796. Viene utilizzato l’approccio tempo-frequenza (trasformata wavelet) per diagnosticare la presenza di corrosione. Per la corrosione elettrochimica, l’energia elettrica generata dalla reazione può
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Inaudi D., SOFO sensors for static and dynamic measurements, in Symp. on Engineering Surveys for Construction Works and Structural Engineering, Nottingham, UK, 2004.
93 www.luchsinger.it
94 Ou J.P., Han B.G., Piezoresistive cement-based strain sensors and self-sensing concrete components, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2009, pp. 329-336.
95 Han B. G., Yu Y., Han B. Z., and Ou J. P., Development of a wireless stress/strain measurement system integrated with pressure-sensitive nickel
powder-filled cement-based sensors, Sensors and Actuators: A physical, 2008, pp. 536-543.
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essere raccolta e poi usata come riserva energetica per i sensori wireless, questo tipo di sensori viene definito self-harvesting wireless sensor97.
Figura 24 - Sensori per la misurazione della corrosione.
Sistemi GPS: i GPS hanno fornito nuove possibilità per la diretta misurazione di spostamenti
nelle strutture, sostituendo le più tradizionali soluzioni come i vasi comunicanti, il filo a piombo o l’interferometria laser. Un GPS differenziale, il quale dipende dall’esatta misura del tempo di transito delle onde radio dal satellite al ricevitore, consente una diretta misura della deviazione assoluta, evitando diversi problemi che sorgono usando le tradizionali apparecchiature di sistemi ottici. Alcuni recenti progetti dimostrano le potenzialità dei GPS usati come sistemi di monitoraggio come nella torre radio in Giappone98 e un gruppo di tre grattacieli a Chicago, dove è stata implementata una veloce fase di post-processing dei dati acquisiti99. La principale applicazione dei GPS nei sistemi di monitoraggio è quella che avviene nei ponti sospesi, caratterizzati da basse frequenze e così da lenti spostamenti indotti dalle vibrazioni ambientali100.
Reti wireless di sensori: le reti wireless di sensori (in inglese Wireless Sensor Network WSN)
si possono considerare come reti comprendenti un gruppo di sensori distribuiti su una struttura, comunicanti tra di loro al fine di rilevare, condividere ed elaborare i dati acquisiti dall’ambiente fisico. Di solito queste reti sono composte da un certo numero di elementi capaci di comunicare tra loro, chiamati nodi. Un nodo lavora grazie alle batterie ed è
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Li H., Xiao HG., Ou J.P., Electrical property of cement-based composites filled with carbon black under long-term wet and loading condition, Composites Science and Technology, 2008, pp. 2114-2119
98 Li X., Peng G. D., Rizos C., Tamura Y., Yoshida A., Seismic response of a tower as measured by an integrated RTK-GPS system, in Symposium on engineering surveys for construction works and structural engineering, Nottingham, UK, 2004
99 Kijewski T. L., Correa, Kareem A., The Chicago monitoring project: a fusion of information technologies and advanced sensing for civil
infrastructure, in Structural Health Monitoring and Intelligent Infrastructures, vol. 2, ed. Z. Wu & M. Abe,. Amsterdam, 2003, pp. 1003–1010.
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equipaggiato con un numero variabile di sensori. I sistemi WSN sono una attrattiva tecnologia: comparati con i tradizionali sistemi cablati, i sistemi WSN riduco considerevolmente i tempi ed i costi d’installazione, come descrive Celebi 2002101, e non sono soggetti a stesura di cavi e strappi o rotture causate da urti o eventi ambientali estremi. Tuttavia i sistemi wireless che formano le reti non garantiscono la stessa affidabilità in termini di velocità di trasmissione dati: i pacchetti radio possono andare persi durante la trasmissione e i ricetrasmettitori impiegati hanno di solito un limitato potere e limitata larghezza di banda102. La larga diffusione di questa tecnologia negli ultimi anni ha consentito ricerche da applicare ampiamente nei WSN, specialmente nel campo dell’ingegneria civile, particolarmente per i sistemi di monitoraggio. Nell’ultimo decennio sono stati sviluppati sistemi wireless che possiedono nodi in grado di raccogliere dati localmente e ridurre il numero di radio trasmissioni nei nodi ricevitori della rete103.