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Il caso studio del viadotto Alveo Vecchio

Emissioni acustiche per il rilevamento della rottura dei fili di precompressione

Il viadotto Alveo Vecchio

Foto in primo piano – photo credit: evening_tao – it.freepik.com

La sicurezza dei ponti in calcestruzzo armato precompresso post-teso e il monitoraggio nel tempo dell’acciaio di precompressione sono temi che hanno recentemente acquisito una grande attenzione sia dal punto di vista scientifico che della manutenzione e sorveglianza continua delle strutture.

Le Emissioni Acustiche (EA) vengono utilizzate con successo da molti decenni in ambiti di tipo industriale, meccanico ed aeronautico, e sono un utile strumento per il controllo della progressione del danneggiamento di elementi strutturali o di aree particolarmente critiche di alcuni componenti.

In questo contesto, la rottura fragile e/o progressiva dei fili e/o trefoli è una problematica di difficile indagine in strutture precompresse. Essa può portare a significative perdite della capacità portante e, in casi estremi, indurre il collasso della struttura.

Le Emissioni Acustiche rappresentano un importante metodo investigativo per monitorare lo stato di avanzamento di fenomeni di degrado, sia di tipo diffuso che localizzato. I processi di danneggiamento di una struttura e/o di un suo specifico elemento sono infatti accompagnati dal rapido rilascio di energia elastica, con emissioni di onde anche in range ultrasonico che possono essere rilevate mediante l’applicazione di appositi trasduttori.

Questi, sfruttando l’effetto piezoelettrico, sono in grado di trasformare il segnale di origine meccanica in una tensione elettrica. Tramite un’analisi parametrica delle caratteristiche del segnale acquisito si riescono ad ottenere importanti informazioni circa l’evoluzione dello stato di danneggiamento dell’elemento strutturale (Norme ISO 16836:2019, ISO 16837:2019, ISO 16838:2019).

I sensori comunemente utilizzati possono essere suddivisi in due categorie: a banda larga (risposta in frequenza piatta) e risonanti (sensibili a determinate frequenze, tipicamente fra 30 e 300 kHz).

Alveo Vecchio
1. Il segnale di Emissione Acustica (EA)

Nel caso specifico dei fili/trefoli, l’area interessata al danneggiamento può essere valutata esaminando l’attività acustica innescata dal processo rottura, che può comprendere anche fenomeni di attrito e scorrimento fra i fili e tra questi e la malta di iniezione.

Infatti, in presenza di malta di iniezione è atteso un fenomeno di re-ancoraggio dei cavi nell’intorno dell’area di rottura con conseguente emissione di ulteriori segnali acustici aventi frequenze e intensità differenti rispetto a quelle generate dalla rottura iniziale.

Nel lavoro si descrive una prima applicazione della tecnica delle Emissioni Acustiche alle travi precompresse di un viadotto prescelto per una vasta campagna sperimentale nell’ottica di creare una sinergia tra la ricerca accademica italiana, il know-how tecnologico di ASPI e le nuove strategie di sorveglianza del MIMS.

La tecnica delle emissioni acustiche

L’Emissione Acustica (EA) è una tecnica di monitoraggio basata sull’acquisizione di segnali ultrasonori, di solito di frequenza tra i 20 kHz e 1 MHz, emessi spontaneamente da un materiale sotto sforzo per effetto di fenomeni irreversibili quali danneggiamento, microfessurazione, degradazione, corrosione. Si tratta di una tecnica dinamica e passiva-ricettiva che analizza gli impulsi ultrasonori emessi da una fessura proprio nel momento in cui si genera.

L’importanza di esaminare i segnali in range ultrasonico risiede nel fatto che in questo modo risulta possibile isolare molto più efficacemente il fenomeno che si vuole monitorare dal rumore di fondo ambientale e di esercizio della struttura.

La rottura locale avviene al culmine di un danneggiamento progressivo dovuto, in generale, ai carichi applicati o alla severità delle condizioni ambientali (corrosione, degrado, ecc…).

In particolare, il processo di microfratturazione è accompagnato da un veloce moto di dislocazione a cui è associato un rapido rilascio spontaneo di energia sotto forma di onde elastiche transitorie, le Emissioni Acustiche appunto.

Posizionamento dei sensori piezoelettrici
2. Il posizionamento dei sensori piezoelettrici in prossimità della traiettoria dei cavi di precompressione

Si distinguono tre fasi delle EA che possono riassumersi in innesco a partire da un punto debole, propagazione e arresto al raggiungimento di una nuova condizione di equilibrio.

L’onda elastica generata da un fenomeno puntuale è tipicamente caratterizzata da un fronte di salita molto ripido seguito da un andamento esponenzialmente decrescente, che si propaga attraverso il materiale verso la superficie dell’elemento dove viene infine rilevata da sensori piezoelettrici.

Come fenomeno di propagazione di onde di natura meccanica, l’evento di EA è costituito da un treno di onde, in cui la prima parte è composta dalle onde longitudinali e trasversali, mentre la seconda è data dalla sovrapposizione tra le onde superficiali e quella frazione di onde dirette che sopraggiungono successivamente a causa di riflessioni multiple.

I segnali di EA che provengono dai trasduttori (gli output) sono amplificati e, prima di procedere alla loro elaborazione, vengono filtrati tramite opportuni filtri e l’adozione di un’opportuna soglia (threshold), in modo tale da escludere il rumore di fondo (background noise). La soglia è impostata dall’utilizzatore in fase di installazione del sistema e si considerano solo i segnali che superano tale soglia.

A questo punto, i segnali di emissione acustica possono essere registrati e processati. Di tutto il segnale di EA registrato, solo alcune parti risultano essere significative per caratterizzare il fenomeno fisico (Figura 1 sopra).

Tra le più comuni caratteristiche vi sono:

  • ampiezza di picco (Amplitude): intensità del picco massimo del segnale (in V o dB);
  • conteggi (Counts): numero di attraversamenti del valore di soglia (threshold);
  • durata (Duration): intervallo di tempo tra il primo e l’ultimo attraversamento della soglia;
  • tempo di crescita (Rise Time RT): intervallo di tempo tra il primo superamento di soglia e l’ampiezza di picco;
  • energia (Energy): area sottesa dalla curva avente come limite inferiore il valore di energia corrispondente al valore di soglia.

La campagna sperimentale presso il viadotto Alveo Vecchio

Il viadotto Alveo Vecchio, ubicato alla p.k. 122+500 circa dell’Autostrada A16 Napoli-Canosa, è stato dismesso a partire dal 2005 a causa di una frana che ha coinvolto alcune parti strutturali dell’opera, generandone il dissesto.

  • Alveo Vecchio
    3A Il sensore piezoelettrico a larga banda
    3A. Il sensore piezoelettrico a larga banda
  • Alveo Vecchio
    3B Il sensore piezoelettrico risonante
    3B. Il sensore piezoelettrico risonante

Questa condizione consente l’eccezionalità di poter eseguire prove sperimentali su un ponte al vero, nelle reali condizioni di degrado e di vincolo, realizzando una campagna di prove al fine di valutare, in sito, la sicurezza dell’opera. Il viadotto Alveo Vecchio risulta essere inoltre un ponte rappresentativo, come tipologia di opera, rispetto al patrimonio infrastrutturale esistente.

Quanto rappresentato ha consentito di definire una campagna di prove sperimentali sul viadotto, denominato Campo Prove Sicurezza Infrastrutture MIT, i cui risultati saranno la base per la creazione del protocollo per la valutazione della sicurezza dei ponti esistenti (si veda “Strade & Autostrade” n° 142 Luglio/Agosto 2020 a pag. 58 con https://www.stradeeautostrade.it/ponti-e-viadotti/lesperienza-del-campo-prove-sicurezza-e-infrastrutture-del-mit-prima-parte/ e https://www.stradeeautostrade.it/ponti-e-viadotti/lesperienza-del-campo-prove-sicurezza-e-infrastrutture-del-mit-seconda-parte/).

Nel 2019, sul viadotto Alveo Vecchio è stata condotta una prima campagna di prove, essenzialmente di carico spinte fino a rottura convenzionale su di un impalcato (C3sx), denominata Fase I.

Il protocollo di prova relativo alla cosiddetta Fase 2 prevede una seconda campagna di indagini condotta sulle rimanenti campate del viadotto Alveo Vecchio e consentirà di ottenere risultati che, interpolati con le informazioni acquisite con la precedente campagna di indagini, permetteranno la validazione delle prove non distruttive (NDT) utili alla valutazione dello stato di salute di ponti e viadotti e quindi alla stima della loro effettiva capacità portante a momento flettente e taglio.

La sperimentazione sul viadotto Alveo Vecchio, sponsorizzata dalla Società Autostrade per l’Italia, rappresenta un’occasione irripetibile per far luce sui meccanismi di degrado e rottura dei viadotti precompressi in esercizio, grazie alla possibilità di prove distruttive a rottura e dei conseguenti esami autoptici sui principali elementi strutturali.

La sperimentazione rientra in un accordo di collaborazione tra il Ministero delle Infrastrutture e della Mobilità Sostenibili (MIMS), Autostrade per l’Italia e varie Università italiane. Essa include la sperimentazione di tutte le più moderne tecnologie volte alle indagini sui viadotti esistenti, sotto il coordinamento dell’Università di Trento (Prof. Daniele Zonta) e la supervisione del MIMS (Ing. Placido Migliorino).

L’infrastruttura è costituita da due impalcati affiancati in c.a.p. (uno per ciascuna carreggiata) e presenta tre campate aventi lo schema statico di travi semplicemente appoggiate.

Il taglio dei fili
4. L’operazione di taglio dei fili di precompressione

L’impalcato di ciascuna carreggiata è costituito da quattro nervature in c.a.p. (interasse di 2,40 m e altezza 2,00 m) sormontate da una soletta collaborante avente spessore di 20 cm; le nervature sono collegate da tre traversi intermedi e da due traversi di testata, aventi spessore 25 cm. La luce teorica delle nervature, intesa come distanza tra gli assi degli appoggi, è di 32,50 m.

Il sistema di precompressione è composto da 14 cavi post-tesi per ogni trave: ciascun cavo, avente tracciato parabolico, è formato da 12 fili da 6 mm, disposti in parallelo all’interno di una guaina metallica iniettata.

Il viadotto Alveo Vecchio risulta pertanto essere un ponte molto rappresentativo, come tipologia di opera, rispetto al patrimonio infrastrutturale esistente (circa il 25% di tutte le campate dei viadotti con schema statico in semplice appoggio presenti sulla rete in concessione ad Aspi ha una lunghezza compresa tra 30 e 35 m).

Una prima campagna sperimentale è stata condotta nel mese di Maggio 2021 per il rilevamento della rottura dei fili di precompressione post-tesi in travi in calcestruzzo armato. Questa campagna di prove – volta alla taratura definitiva del metodo EA – è stata eseguita dal Centro Interdipartimentale SISCON – Safety of Infrastructures and Constructions del Politecnico di Torino all’interno del vasto quadro sperimentale previsto.

Il monitoraggio dell’attività acustica è stato eseguito con l’apparecchiatura “Sensor Highway III” della Physical Acoustics che, nel panorama dei sistemi dedicati all’acquisizione e analisi dei segnali di emissione acustica, è considerata una strumentazione allineata allo stato dell’arte.

Il sistema è dotato di otto canali di acquisizione e, mediante un software dedicato, permette l’acquisizione ed elaborazione completa dei dati sia dal punto di vista parametrico (in termini di ampiezza, conteggi, durata, frequenza, energia, rise time e forma d’onda) che di localizzazione delle sorgenti dei segnali.

Il set-up di misura adottato ha previsto il posizionamento dei sensori (S1-S8) in prossimità della traiettoria dei cavi di precompressione (Figura 2 sopra) al fine di poter valutare l’attenuazione dell’Emissione Acustica attraverso l’elemento strutturale prima che questa sia rilevata dai trasduttori.

Alveo Vecchio
5. La finestra di prova di rilascio utilizzata per il taglio dei fili di precompressione

Tale aspetto è importante per una corretta acquisizione ed interpretazione dei segnali acustici e per testare la possibilità di rilevare la rottura del filo anche in presenza di una distanza significativa tra evento di rottura e sensore.

I trasduttori sono stati fissati alla trave con un apposito sistema di ancoraggio che, unitamente ad un opportuno strato di grasso siliconico, ha garantito un accoppiamento ottimale trasduttore-calcestruzzo. Degli otto trasduttori utilizzati, due erano di tipo a larga banda (posizioni S1 e S8), sei di tipo risonante (posizioni da S2 a S6) (Figure 3A e 3B sopra).

La rottura dei fili costituenti il sistema di precompressione è stata eseguita con una fresa Dremel (Figura 4 sopra). L’operazione è stata realizzata sfruttando le guaine precedentemente aperte per l’esecuzione di prove di rilascio tensionale (Figura 5 sopra).

Si è proceduto, quindi, al taglio dei fili su due travi (denominate T3 e T4) per un totale di 16 rotture, otto fili per trave. Per ogni trave sono stati eseguiti quattro tagli ubicati fra i sensori S1-S2 (lato sinistro) e quattro tagli fra i sensori S7-S8 (lato destro).

In tutte le 16 rotture dei fili si è osservata un’attenuazione con la distanza del segnale di EA sia in termini di frequenza media (in kHz) che in termini di ampiezza massima (in V). A titolo di esempio, si riportano i risultati osservati nel caso del taglio del filo 2 sulla trave T3 lato sinistro (Figure 6A e 6B).

I valori in frequenza e in ampiezza rilevati da ciascun trasduttore sono indicati dai simboli neri. La linea tratteggiata indica, invece, la posizione del taglio del filo rispetto alla posizione (in cm) dei trasduttori.

Al temine delle prove di taglio è stato eseguito il monitoraggio del rumore di fondo (background noise) abbassando la soglia di acquisizione.

È importante riportare che, contemporaneamente alle prove di EA, era in funzione una macchina carotatrice che ha eseguito perforazioni su delle travi adiacenti a quelle utilizzate per la sperimentazione acustica.

Il sistema è risultato del tutto immune ai disturbi provocati dai processi di carotaggio così come alle consistenti vibrazioni generate durante il taglio dei fili. Si è osservato che i segnali acustici innescati dalle suddette operazioni e quelli associati al fondo ambientale sono discriminabili rispetto ai segnali di EA dovuti alla rottura dei fili di precompressione.

  • Osservazioni sperimentali
    6A Osservazioni sperimentali
    6A. Osservazioni sperimentali nel caso del taglio del filo 2 sulla trave T3 lato sinistro
  • Il taglio del filo
    6B Il taglio del filo
    6B. Osservazioni sperimentali nel caso del taglio del filo 2 sulla trave T3 lato sinistro

Questi risultati preliminari sono molto promettenti nell’ottica di utilizzo della tecnica EA per il monitoraggio in continuo (o in fase di collaudo/prove di carico) degli impalcati precompressi al fine di evidenziare anomalie, malfunzionamenti e rotture nei sistemi di acciaio armonico pre-tensionati sotto carico.

La sperimentazione proseguirà con ulteriori misure che sono state programmate nel mese di Settembre 2021 e sarà affiancata da simulazioni numeriche dei processi di emissione conseguenti la rottura dei fili, al fine di validare il processo di interpretazione dei dati acquisiti.

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