Emissioni Acustiche per il monitoraggio delle strutture in calcestruzzo armato precompresso e fibro-rinforzato

Monitoraggio di strutture in c.a. e in f.r.c.: il metodo ad Emissione Acustica ha un'elevata sensibilità al danneggiamento ed è di facile applicazione

L'applicazione delle tecniche di emissione acustica (EA) alle strutture in calcestruzzo armato precompresso a cavi post-tesi (CAP) e in calcestruzzo fibro-rinforzato (CFR) è di grande interesse, sia per la gestione delle infrastrutture esistenti (impalcati e travature CAP largamente diffusi su tutto il territorio nazionale), sia per la valutazione del danneggiamento e del comportamento post-fessurativo di materiali di recente impiego come il CFR, sempre più utilizzato per la costruzione di nuove costruzioni.

Il presente lavoro analizza, da una parte, i risultati preliminari di una campagna di prove in corso di esecuzione, presso il sito di monitoraggio e di sperimentazione del viadotto Alveo Vecchio sull'autostrada A16 Napoli-Canosa, realizzate dal Centro Interdipartimentale SISCON - Safety of Infrastructures and Constructions del Politecnico di Torino e dall’altra le prime evidenze provenienti da una campagna di prove di laboratorio eseguita presso lo stesso Politecnico su elementi CFR soggetti a flessione.

In entrambi i casi, l’analisi dei dati di EA ha consentito di riconoscere il comportamento nel caso di rottura dei cavi di post-tensione e del comportamento post-fessurativo nel CFR oltre a caratterizzare tramite i parametri propri del monitoraggio EA la resistenza a flessione durante prove a controllo di apertura della bocca dell’intaglio (modalità CMOD).

L’utilizzo della Emissione Acustica (EA) per valutare l'integrità delle strutture in CAP durante le prove di carico come alternativa delle misurazioni di deformazione convenzionali è un metodo ormai largamente utilizzato. In generale, Il metodo EA è stato scelto rispetto ad altri metodi di tipo non-distruttivo per la sua elevata sensibilità al danneggiamento (e in particolare alla propagazione delle fratture e delle microfratture) e alla sua facilità di applicazione. La tecnica EA, in generale, consente di rilevare le onde elastiche emesse da un improvviso rilascio di energia, ad alta frequenza e piccola lunghezza d’onda, come l'inizio e la crescita di micro-crack nelle fasi preliminare delle fratture incipienti.

D’altro canto la rottura fragile e/o progressiva dei fili e/o trefoli è una problematica di difficile indagine in strutture precompresse che può essere indagata per mezzo di sensori piezoelettrici (sensori di EA). La possibilità di riconoscere attraverso un’indagine di tipo non distruttivo le rotture localizzate dei trefoli può essere di grande importanza nel riconoscere in modo preventivo quei fenomeni che possono portare a significative perdite della capacità portante e, in casi estremi, indurre il collasso dell’impalcato in ponti e viadotti realizzati in CAP.

Allo stesso tempo la tecnica di EA è molto utile per il riconoscimento del comportamento post-fessurativo nel CFR. La comprensione delle effettive capacità di resistenza residue su travi soggette a flessione in CFR è di notevole interesse anche in ragione della diffusione che questo tipo di materiale sta avendo anche io ragione della sua inclusione all’interno delle NTC2018.

Il calcestruzzo fibro-rinforzato è un materiale composito – appartenente alla famiglia dei calcestruzzi speciali – costituito da calcestruzzo ordinario e elementi fibrosi. Le componenti principali di CFR sono la matrice costituita da calcestruzzo ordinario, gli elementi fibrosi discontinui dispersi nella matrice. L’aggiunta di fibre in forma dispersa in un conglomerato cementizio ne modifica le proprietà meccaniche e fisiche e, in particolare, migliora il comportamento a trazione contrastando l’apertura progressiva delle fessure.

Nei CFR le fibre esercitano sul calcestruzzo una vera e propria azione di cucitura, in grado di limitare notevolmente la formazione di fessure. In particolare, una volta raggiunta la fessurazione del conglomerato, le fibre sono in grado di manifestare il proprio contributo, conferendo al composito una buona resistenza post-fessurazione, assente nella matrice senza fibre. La presenza delle fibre conferisce dunque al calcestruzzo dopo la fessurazione: significativa resistenza residua a trazione, buone caratteristiche di tenacità e durabilità, buona resistenza all’urto (resilienza), alla fatica all’abrasione.

La Tecnica di Emissione Acustica analisi sui parametri del segnale e indici di danno sulle serie storiche

 La cumulata dei segnali EA e gli indici di danno

Nel corso degli ultimi anni la tecnica di emissione acustica (EA) ha visto un’applicazione sempre più estesa nell’ambito del monitoraggio strutturale per strutture e infrastrutture di tipo civile e per la diagnostica e l’analisi del danno su monumenti ed edifici storici.

In particolare, l’utilizzo di sensori tecnologicamente sempre più raffinati in termini di risposta, associati a procedure di post-processing in grado di aumentare il più possibile il rapporto segnale su rumore, ha consentito l’applicazione della tecnica anche su materiali particolarmente eterogenei come la pietra, la roccia e il calcestruzzo ammalorato o dotato di armatura localizzata e/o diffusa. Al pari di un avanzamento tecnologico incalzante sotto il punto di vista della produzione HD sono state utilizzate analisi sempre più precise e performanti basate sull’interpretazione dei parametri più significativi del segnale di EA prodotto dal danneggiamento.

Allo stesso tempo, sono state proposte da diversi gruppi di ricerca, procedure di valutazione sempre più sofisticate, anche in chiave interpretativa e previsiva, sulla base delle serie storiche in grado di offrire valutazioni in tempo reale su grado di avanzamento del danneggiamento sia diffuso che localizzato.

In particolare, il gruppo di ricerca del Politecnico di Torino, che si occupa di monitoraggio con tecniche EA da oltre quindici anni, ha sviluppato in collaborazione con la Lunitek srl (ditta leader nella produzione di sensori e sistemi di acquisizione) un sistema HD e un SW (AEMission) per il monitoraggio EA sia alla scala del laboratorio che alla scala della struttura in situ. Il sistema di monitoraggio interpreta in modo completo le diverse tipologie di analisi eseguibili tramite i dati di EA.

Per prima cosa vengono calcolati sulla base dell’analisi delle serie storiche dei dati la curva della cumulata degli eventi di EA e il numero di attraversamenti della soglia preimpostata (frequenza) per i diversi segnali. Quest’ultima informazione è direttamente correlata alla frequenza propria dei segnali acquisiti.

Successivamente vengono calcolati due indici sintetici in grado di offrire una indicazione esplicita del livello di danno presente nella struttura e della sua evoluzione nel tempo, offrendo in questo modo una valida interpretazione sull’evoluzione in atto e sulla valutazione del tempo vita residuo della struttura al perdurare delle condizioni di carico.

Il primo indice utilizzato in molte ricerche e monitoraggi è il b-value della legge di Gutenberg-Richter (GR) applicata ai segnali di EA. Nella formulazione originale la legge sperimentale di Gutenberg-Richter stabilisce l’esistenza di una relazione lineare tra la magnitudo locale M e il logaritmo del numero di terremoti N(M) con superiore a M.

In sismologia la stima del valore di b è fondamentale per la valutazione della probabilità di accadimento di un terremoto. Infatti, variazioni di b possono indicare cambiamenti nelle condizioni di stress delle faglie ed un conseguente aumento della pericolosità sismica.

Allo stesso modo considerando al posto della magnitudo locale il valore dell’ampiezza dei segnali EA è possibile valutare attraverso il parametro b se la condizione in essere sia o meno prossima a condizioni critiche per la struttura o la porzione monitorata. Il b-value dunque come pendenza nel grafico della legge di GR che tiene in conto il numero degli eventi al variare dell’ampiezza rappresenta un indice diretto della pericolosità associata la livello di danneggiamento di danno ed allo stesso tempo un indice evolutivo che può essere calcolato nelle diverse fasi di un monitoraggio.

Oltre al b-value è possibile considerare un ulteriore parametro che tiene in conto l’evoluzione nel tempo dei segnali di emissione acustica. Il βt è definito come l’esponente della legge di potenza che governa l’andamento dei segnali di EA nel tempo ed il particolare, nel momento in cui tale parametro raggiunge valori superiori all’unità si considera che l’evoluzione del danneggiamento nel dominio del tempo abbia raggiuto una condizione di instabilità, indice di un processo che sta evolvendo verso una condizione di collasso molto prossimo.

I parametri fondamentali del segnale e la localizzazione della sorgente

Al fianco delle procedure sopra descritte acquistano notevole importanza le analisi di tipo parametrico incentrate sullo studio dei cosiddetti parametri fondamentali del segnale di EA: ampiezza, instante di arrivo del segnale, durata e frequenza.

Attraverso lo studio di detti parametri ed in particolar modo dell’istante di arrivo di ciascun segnale (t0) ai diversi sensori posti sulla superficie dell’elemento monitorato e delle relative ampiezze è possibile procedere alla localizzazione delle sorgenti che hanno generato l’EA.

La prima fase del metodo di localizzazione consiste nel riconoscere i dati necessari per identificare le sorgenti di EA. Nella prima fase vengono individuati i subset di segnali registrati da sensori diversi, che ricadono in intervalli di tempo compatibili con la formazione di microfessurazioni nel volume analizzato. Tali intervalli di tempo sono dell'ordine dei microsecondi, poiché la propagazione delle onde sono definite in base alla velocità di trasmissione delle onde elastiche (P) e alla distanza reciproca tra i sensori applicati sulla superficie della struttura.

Nella seconda fase, quando si analizza la formazione di micro-crack in uno spazio tridimensionale, viene applicata la tecnica di triangolazione per segnali acquisiti da almeno cinque sensori che rientrano negli intervalli di tempo predefiniti in funzione del materiale. Con questa procedura è quindi possibile definire sia la posizione delle micro-crack nel volume, sia la velocità di trasmissione delle onde P (vp).

La relazione che descrive la distanza del punto di applicazione dei sensori rispetto alla posizione della sorgente può essere espressa considerando una coppia si sensori applicati i e j come: IS ̵ S_jI ̵ IS ̵ S_iI=vp(t_0j ̵ t_0i)= vpΔt_ij .

Appare evidente come le incognite di tale relazione siano le coordinate della sorgente x, y, z e la velocità di propagazione vp. Qualora sia possibile scrivere un sistema di equazioni con almeno quattro relazioni indipendenti di questo tipo (subset proveniente da almeno 5 sensori), sarà possibile calcolare la posizione della sorgente di EA nello spazio e la relativa velocità di propagazione.

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