Tecnologia low-cost per il monitoraggio strutturale di opere civili con misura delle deformazioni e temperatura integrato in normali barre di armatura per le strutture in calcestruzzo armato. Si potranno strumentare opere con un numero decisamente più elevato di sensori per un maggior controllo delle strutture in fase di costruzione, durante l’esercizio o dopo eventi estremi come terremoti. La tecnologia è robusta, di semplice utilizzo e si presta efficacemente al monitoraggio di opere nuove ed esistenti.

Stato del brevetto

CONCESSO

Numero di priorità

2016IT-0118077

Data di priorità

22/11/2016

Licenza

INTERNAZIONALE

Mercato

La tecnologia può essere utilizzata tutte le opere in calcestruzzo armato in costruzione ed in particolare: le opere geotecniche come gallerie, pali di fondazione, opere di contenimento di acque e terreni; ponti e viadotti, edifici e strutture prefabbricate. La tecnologia è efficace per opere esistenti per le quali si voglia monitorare l’andamento del comportamento strutturale anche a seguito di interventi di ripristino al fine di valutarne l’efficacia.

Problema

I recenti due decenni hanno dimostrato che il monitoraggio strutturale può fornire dati importanti su carichi, effetti ambientali, performace e condizioni strutturali residue senza errori di scala e di modello.  Questi dati sono di grande beneficio per la validazione degli approcci di progetto e dei modelli teorico/numerici, così come nella comprensione di complicati comportamenti strutturali, nella valutazione della condizione delle strutture in termini sia post-evento (sisma, impatto, fuoco,…) che di analisi della condizione durante la vita di servizio e la gestione delle strutture:  i dati di monitoraggio sono utilizzati per il controllo strutturale e per supportare decisioni anche nella risposta alle emergenze.  La consapevolezza dell’importanza del monitoraggio è stata ottenuta mediante l’utilizzo di strumenti di monitoraggio tradizionali che non supportano una vasta applicazione per le strutture civili a causa dei costi della limitata capacità di integrazione con gli altri sistemi oggi utilizzati nel settore delle costruzioni. Con il dispositivo proposto si potranno superare gli attuali limiti di utilizzo dei dispositivi di monitoraggio per un patrimonio strutturale ed infrastrutturale più sicuro.

Limiti attuali tecnologie / Soluzioni

I dispositivi disponibili sul mercato, come gli estensimetri a corda vibrante, sono basati su principi fisici che richiedono elementi meccanici il cui costo è generalmente derivato delle lavorazioni costose per produrre l’elemento.  Sono basati su tecnologia analogica sviluppata anche più di 50 anni fa.  Attualmente alcuni sistemi basati sull’IoT sono disponibili sul mercato ma sono sempre una riproduzione di sistemi tradizionali, in termini di principi di funzionamento, che utilizzano sensori di nuova generazione.  Questo generalmente non rende vantaggi effettivi in termini di costo del dispositivo ma un miglioramento in termini di gestione dei segnali grazie alla loro natura digitale.  Nei dispositivi tradizionali il costo iniziale si somma ad un costo elevato per l’installazione; si registra spesso una elevata mortalità dei dispositivi durante le prime fasi di installazione (getto del calcestruzzo). Queste limitazioni portano ad un monitoraggio spesso basato su di un numero di dispositivi estremamente limitato che non garantisce un adeguata robustezza al sistema ed un controllo adeguato delle condizioni strutturali.

Killer Application

La prima applicazione è rivolta verso il monitoraggio di un’opera di fondazione o più precisamente di un palo di fondazione.  Attualmente un palo strumentato è equipaggiato con 3 sezioni monitorate ciascuna con 3 o 4 dispositivi.  Le barre di armatura S3T strumentate con dispositivi posizionati a 1m di distanza per l’intera lunghezza del palo e un totale di 4 barre. Questo consentirà di avere a disposizione un numero di sensori più che doppio rispetto a quanto avvenga normalmente con costi comparabili e quindi si potrà verificare molto più efficacemente il quadro deformativo del palo e dunque il suo effettivo comportamento.

Tecnologia e nostra soluzione

Il sistema di monitoraggio delle deformazioni e delle temperature in strutture in calcestruzzo armato utilizza una tecnologia brevettata con brevetto numero WO 2018/096443. Il sistema sfrutta la deformazione volumetrica del materiale acciaio sottoposto ad azioni di trazione e la correla alla deformazione assiale delle barre di armatura annegate nel getto di calcestruzzo per tramite della variazione di pressione del fluido contenuto in una cavità sigillata contenuta nelle barre stesse. I sensori per la misura sono derivati dal mercato MEMS consumer e quindi sono estremamente low-cost. Il sistema è completamente integrato all’interno di comuni barre di armatura per calcestruzzo armato ed è protetto dagli effetti ambientali aggressivi e dalle sollecitazioni normalmente presenti nei cantieri.  Le armature S3T sono del tutto analoghe a quelle utilizzate per il normale rinforzo e la loro messa in opera non richiede personale specializzato. La posizione dei dispositivi all’interno delle barre impedisce errori di posizionamento e velocizza le operazioni di posa. I dispositivi trasmettono via cavo all’interno delle barre di armatura e successivamente mediante datalogger con sistemi wifi. La riduzione di costo per singolo punto di misura sulla struttura consente di aumentarne la numerosità e pervenire ad un controllo più efficace delle strutture monitorate con grande vantaggio durante tutte le fasi di vita dell’opera.

Vantaggi

La tecnologia riesce a ridurre i costi di realizzazione degli strumenti di misura delle deformazioni; integra tali strumenti in elementi si armatura metallica disponibili facilmente sul mercato la cui installazione è possibile venga effettuata da personale non specializzato. Non sono necessari fermi cantiere per l’installazione. Sono ridotti al minimo i possibili errori di posizionamento dei dispositivi. La caratteristica dei dispositivi di essere inclusi in barre metalliche li rende robusti durante le fasi di installazione. Il basso costo permette di aumentare i punti strumentati migliorando l’efficacia del monitoraggio.

Roadmap

Lo sviluppo della tecnologia richiederà una estensione della validazione per misure nel lungo periodo in camera termica per i processi di taratura e funzionamenti per valori elevati di frequenza elevata in modo da essere utile anche per misure con carichi viaggianti su ponti. Inoltre sarà importante implementare configurazioni per consentire un aumento ulteriore della sensibilità del sistema al fine di poter cogliere gli effetti di variazione di deformazione su strutture esistenti.  Sarà infine necessario effettuare prove di compatibilità elettromagnetica.

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