Termografia e smart patch in FRP/fibra ottica per la diagnostica ed il monitoraggio di strutture in c.a. rinforzate con FRP

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1 Termografia e smart patch in FRP/fibra ottica per la diagnostica ed il monitoraggio di strutture in c.a. rinforzate con FRP Corvaglia P. (1), Manni O. (1), Largo A. (1), Caponero M.A. (2), Galietti U. (3) (1) Consorzio CETMA, Divisione di Ingegneria dei Materiali e delle Strutture, s.s. 7 km , Brindisi (2) ENEA, Centro Ricerche Frascati via E. Fermi 45, Frascati (RM) (3) POLITECNICO DI BARI, Dipartimento Ingegneria Meccanica e Gestionale, Viale Japigia 182, Bari Università di Salerno Dipartimento di Ingegneria Civile Rete dei Laboratori Universitari di Ingegneria Sismica

2 BACKGROUND FRP (materiali compositi fibrorinforzati) in Ingegneria civile: CRITICITA Qualità dell esecuzione ed in particolare dell adesione FRP substrato Necessità di un controllo dell intervento lungo tutto il suo ciclo di vita (realizzazione e fase di esercizio) Controllo qualità dell esecuzione esecuzione Monitoraggio strutturale in esercizio

3 SVILUPPO DI UNA PROCEDURA PER LA DIAGNOSTICA NON DISTRUTTIVA DI INTERVENTI DI ADEGUAMENTO CON FRP

4 SVILUPPO DI UNA PROCEDURA PER LA DIAGNOSTICA DI INTERVENTI DI ADEGUAMENTO CON FRP Accettazione dei materiali Trazione (fibre, malta rasante, matrice impregnante) Calorimetria Differenziale a Scansione ( (primer,, malta rasante, matrice impregnante) Prove semi distruttive Pull off (proprietà substrato) Shear-strip (proprietà( interfaccia) Prove non distruttive Esame visivo (orientazione, allineamento e impregnazione delle fibre) Coin tap Termografia (difetti di incollaggio FRP substrato)

5 SVILUPPO DI UNA PROCEDURA PER LA DIAGNOSTICA DI INTERVENTI DI ADEGUAMENTO CON FRP cont. Individuazione difetti di incollaggio FRP substrato Coin - tap Tempi lunghi di esecuzione per superfici estese Risultati fortemente influenzati dall operatore Difficoltà di ispezionare superfici non facilmente accessibili Tecnica non distruttiva Termografia infrarossa Possibilità di ispezionare superfici estese Possibilità di ispezionare superfici non facilmente accessibili

6 CALIBRAZIONE DI UNA TECNICA TERMOGRAFICA PER L INDIVIDUAZIONE DI DIFETTI DI INCOLLAGGIO Realizzazione di un campione con difetti noti (calcestruzzo rinforzato con CFRP) Delaminazioni Difetti di incollaggio La superficie del provino è stata analizzata con due differenti tecniche termografiche, la pulsata (PT) e la lock in (LT)

7 CALIBRAZIONE DI UNA TECNICA TERMOGRAFICA PER L INDIVIDUAZIONE DI DIFETTI DI INCOLLAGGIO Termografia pulsata: approccio attivo cont. Obiettivo: Definizione netta dei contorni del difetto 0.5 m sorgente di calore Definizione di una metodologia cantierabile Tempo di osservazione (TObs) Tempo di riscaldamento (HT) 0.5 m termocamera PC Distanza termocamera superficie Distanza lampada - superficie 0.05 m provino 1 m 0.6 m

8 CALIBRAZIONE DI UNA TECNICA TERMOGRAFICA PER L INDIVIDUAZIONE DI DIFETTI DI INCOLLAGGIO INCOLLAGGIOcont. Termografia pulsata (calcestruzzo rinforzato con CFRP): risultati i sperimentali Delaminazioni Difetti di incollaggio Ottimi risultati anche con CFRP

9 CALIBRAZIONE DI UNA TECNICA TERMOGRAFICA PER L INDIVIDUAZIONE DI DIFETTI DI INCOLLAGGIO cont. Termografia Lock in Obiettivo: Verificare la potenzialità della Termografia Lock-in Parametri indagati Tempo di riscaldamento Istante di acquisizione del termogramma dopo il riscaldamento Numero di cicli processati Immagine di fase per (n+0.75) cicli processati

10 CALIBRAZIONE DI UNA TECNICA TERMOGRAFICA PER L INDIVIDUAZIONE DI DIFETTI DI INCOLLAGGIO Termografia pulsata vs lock in cont. Sottostima dell'area dei difetti [%] lock-in pulsata Delaminazioni Difetti di incollaggio La LT stima le delaminazioni in maniera più accurata rispetto alla PT Con la LT si riesce ad avere un indicazione sull estensione dei difetti di incollaggio D1 D4 D5 D6 D7 D8 D12 D14 D15 Difetto Sottostima dell area dei difetti con PT e LT

11 CALIBRAZIONE DI UNA TECNICA TERMOGRAFICA PER L INDIVIDUAZIONE DI DIFETTI DI INCOLLAGGIO Caso studio: ex palazzo di Giustizia di S.Angelo dei Lombardi (AV) cont. Approccio PASSIVO Termografia 1 2 Coin - tap 3

12 CALIBRAZIONE DI UNA TECNICA TERMOGRAFICA PER L INDIVIDUAZIONE DI DIFETTI DI INCOLLAGGIO Caso studio: ex palazzo di Giustizia di S.Angelo dei Lombardi (AV) cont. Approccio ATTIVO Termografia Coin - tap

13 SMART PATCH IN FIBRA OTTICA PER MONITORAGGIO STRUTTURALE

14 CONSIDERAZIONI PRELIMINARI cont. Sviluppo di una nuova tipologia di sensore di deformazione a fibra ottica Monitoraggio a lungo termine di strutture civili (no ricalibrazione) ione) Trasmissione del segnale a grandi distanze Insensibilità alle perturbazioni elettromagnetiche Ottima resistenza alla corrosione Possibilità di misurare più punti sulla stessa fibra ( (multiplexing) Svantaggio: fragilità della fibra ottica nuda SMART PATCH Fibra ottica Smart patch Compatibilità morfologica della fibra ottica con i tessuti FRP Rinforzo strutturale e monitoraggio in real time in remoto Protezione del sensore durante l installazionel Manegevolezza

15 SMART PATCH IN FIBRA OTTICA PER IL MONITORAGGIO STRUTTURALE I sensori FBG ( (Fiber Bragg Grating) Funzione di trasferimento in condizioni isoterme Δλ λ Bragg Bragg Deformazione applicata = ( 1 pe ) ε Costante fotoelastica del sensore Spettro di trasmissione (filtro taglia banda) Spettro di riflessione (filtro passa banda)

16 SMART PATCH IN FIBRA OTTICA PER IL MONITORAGGIO STRUTTURALE Messa a punto della tecnica di embedding cont. Lay-up manuale Sacco a vuoto Minimizzare la dispersione fra i dati sperimentali Ottimizzare una tecnica di realizzazione facilmente industrializzabile

17 SMART PATCH IN FIBRA OTTICA PER IL MONITORAGGIO STRUTTURALE cont. Caratterizzazione delle smart patch Verifica del corretto trasferimento della deformazione dalla struttura ospitante (FRP) al sensore FBG inglobato Identificazione metrologica del nuovo sensore (calibrazione) Caratterizzazione meccanica (prove di trazione, cicliche) Verifica del corretto trasferimento della deformazione dalla struttura monitorata alla smart patch (prove di flessione, prove dinamiche) Durante le prove la deformazione è stata monitorata anche con estensimetri resistivi

18 SMART PATCH IN FIBRA OTTICA PER IL MONITORAGGIO STRUTTURALE cont. Calibrazione delle smart patch (ASTM D3039) Δλ/λ [nm] *100 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 y = 0,7863x - 0,0185 R 2 = 0, ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 Strain [%] Linearità della relazione ε Δλ Δλ λ Bragg Bragg = ( 1 pe ) ε Costante fotoelastica della smart patch (pendenza della curva) Funzione di trasferimento della smart patch p e media: 0,20 (p e la fibra nuda: 0,22)

19 SMART PATCH IN FIBRA OTTICA PER IL MONITORAGGIO STRUTTURALE cont. Caratterizzazione meccanica delle smart patch σ [MPa] FBG 1 FBG 2 FBG 3 FBG 4 FBG 5 0 0,5 1 1,5 2 Strain [%] Ripetibilità Nessun degrado delle proprietà meccaniche RINFORZO STRUTTURALE

20 SMART PATCH IN FIBRA OTTICA PER IL MONITORAGGIO STRUTTURALE Prove cicliche di trazione cont. 0,6 0,5 Strain [%] 0,4 0,3 0,2 0,1 Media Est 1-2 Smart Patch SP Time [s] No variazione della costante fotoelastica

21 SMART PATCH IN FIBRA OTTICA PER IL MONITORAGGIO STRUTTURALE cont. Sono state realizzate prove di flessione per verificare il corretto trasferimento della deformazione dalla struttura monitorata alla smart patch, per differenti substrati Series CSP RCSP CFSP RCFSP Smart patch intradosso intradosso intradosso intradosso e estradosso Notes Concrete beams with Smart Patch Reinforced Concrete beams with Smart Patch CFRP Reinforced Concrete beams with Smart Patch CFRP and steel Reinforced Concrete beams with Smart Patch Sono stati realizzati 6 campioni in calcestruzzo e 6 campioni in calcestruzzo armato; tre campioni per ogni serie sono stati rinforzati esternamente con tessuti FRP in carbonio.

22 SMART PATCH IN FIBRA OTTICA PER IL MONITORAGGIO STRUTTURALE cont. Prove di flessione: disposizione dei sensori Smart patch Campioni in c.a. rinforzati esternamente con CFRP - intradosso Campioni in c.a. intradosso Fibra ottica Strain gauges

23 SMART PATCH IN FIBRA OTTICA PER IL MONITORAGGIO STRUTTURALE cont. Prove di flessione campioni in c.a. rinforzati con CFRP: risultati ti sperimentali Strain [%] 0,26 0,21 0,16 0,11 0,06 0,01-0,04-0,09-0,14 TRAZIONE SG SG 3c COMPRESS. SG 2c Time [s] SP RCFSP_3 SG 3 SG 1c SG 5 SPc RCFSP_3 La dispersione dei dati aumenta dopo la fessurazione del calcestruzzo Applicazione FRP Applicazione CLS

24 SMART PATCH IN FIBRA OTTICA PER IL MONITORAGGIO STRUTTURALE cont. Prove dinamiche su modello strutturale nodo piano trave pilastro rinforzato con FRP 0,0010 0,20 0,0005 0,15 Terremoto sintetico spettrocompatibile Zona 3, Suolo tipo C Smart patch Strain a/g 0,10 0, ,05-0,0005 0,00-0, , ,0015-0,10 Smart patch -0,0020-0,15 Strain gauge Strain gauge -0,20-0,0025 Time [s] Time [s] Due smart patch sono state simmetricamente applicate alla base della colonna del primo ordine, per rilevarne le deformazioni assiali; un estensimetro resistivo di controllo è stato applicato in prossimità di ogni patch

25 SVILUPPO DI UN SISTEMA INNOVATIVO PER IL MONITORAGGIO STRUTTURALE

26 SVILUPPO DI UN SISTEMA INNOVATIVO PER IL MONITORAGGIO STRUTTURALE Sistema di monitoraggio SML #1 SML #2 SMR SML #3 SML #4 Sistema locale di monitoraggio strutturale (SML) Acquisizone dati Trasferimento dati al sistema remoto Sistema remoto di monitoraggio strutturale (SMR) Controllo di più sistemi locali non necessariamente optoelettronici Post processing dei dati Sistema di Monitoraggio Remoto (SMR) connesso, via rete UMTS, con n uno o più Sistemi di Monitoraggio Locale (SML)

27 SVILUPPO DI UN SISTEMA INNOVATIVO PER IL MONITORAGGIO STRUTTURALE cont. Software di gestione del sistema di monitoraggio remoto Selezione della struttura Visualizzazione dei dati acquisiti Controllo dei sistemi di monitoraggio locale Sistemi di warning

28 VALIDAZIONE IN SITU DEL SISTEMA INNOVATIVO DI MONITORAGGIO STRUTTURALE Caso studio: adeguamento antisismico ponte Torrente Casale (SA RC) Nuove colonne Nuove colonne Nuove opere Nuove opere Nuovi pali Nuovi pali Sezione tipo del pulvino Parte esterna del pulvino PROSPETTO PROSPETTO PILA PILA 130 cm strati di C-FRP 77 cm 3 cm 77 cm sovrapposizione dei 2 strati 110 cm (Ltot, 1 strato= 370 cm) PILA d/4 = 25 cm d/4 = 25 cm N 6 fasce : b=20cm h=130cm p=20cm fascia vista dal basso del pulvino FORI zone di sovrapposizione PILA 1 particolare foro TRAVE DI FONDAZIONE TRAVE DI FONDAZIONE

29 VALIDAZIONE IN SITU DEL SISTEMA INNOVATIVO DI MONITORAGGIO STRUTTURALE cont. Caso studio: adeguamento antisismico ponte Torrente Casale (SA RC) 6 smart patch alla base della prima pila 1 per monitorare la deformazione lungo l asse l delle fibre 4 longitudinali disposte simmetricamente lungo agli assi principali della pila 1, non aderente alla struttura, per depurare da deformazione indotta da variazioni termiche SP 20 SP 19 SR 3, SR 4 SP 16 SP 17 SP 18 SP 21 SR 1, SR 2 5 smart patch alla base della secondo pila 5 smart patch alla base della pila centrale SP Temp SP 5 SP 10 SP 15 SP 4 SP 9 SP 14 SP 1 SP 3 SP 2, SP 4 SP 6 SP 8 SP 7, SP 9 SP 11 SP 13 SP 12, SP 14 SP 1 SP Temp SP 2 SP 5 SP 3 SP 6 SP 7 SP 8 SP 10 SP 11 SP 12 SP 15 SP 13 Sez. Pila 1 Sez. Pila 2 Sez. Pila 3

30 VALIDAZIONE IN SITU DEL SISTEMA INNOVATIVO DI MONITORAGGIO STRUTTURALE cont. Caso studio: adeguamento antisismico ponte Torrente Casale (SA RC) SP 21 2 smart patch sulla trave più sollecitata,, per ricostruire lo stato deformativo lungo la sezione della trave SP 20 SP 19 SR 3, SR 4 SP 16 SP 17 SR 1, SR 2 SP 18 4 smart patch sul pulvino fra la prima e la seconda pila 2 disposte a ±45 2 all intradosso e all estradosso SP Temp SP 5 SP 10 SP 15 SP 1 SP 3 SP 6 SP 8 SP 11 SP 13 SP 2, SP 4 SP 7, SP 9 SP 12, SP 14

31 Sviluppo di una procedura di analisi termografica per l individuazione e quantificazione, in termini dimensionali, di difetti di incollaggio FRP substrato. Validazione sul campo della tecnica di analisi termografica per l individuazione e quantificazione di difetti di incollaggio FRP substrato. Sviluppo e validazione di un sistema smart costituito da una placchetta in FRP con inglobato un sensore di deformazione a fibra ottica: può consentire, allo stesso tempo, il rinforzo strutturale e il monitoraggio in real time dello stato deformativo della struttura. Validazione metrologica del sistema smart CONCLUSIONI Verifica del corretto trasferimento di deformazioni dalla struttura monitorata alla smart patch (in condizioni statiche e dinamiche) Verifica del corretto trasferimento di deformazioni dalla placchetta in FRP al sensore inglobato (prove di trazione monotone e cicliche) Sviluppo di un sistema di monitoraggio strutturale in grado di controllare in real time in remoto più sistemi di monitoraggio locale, anche di tipo diverso (optoelettronico, estensimetrico ecc ), delocalizzati sul territorio.

32 Termografia e smart patch in FRP/fibra ottica per la diagnostica ed il monitoraggio di strutture in c.a. rinforzate con FRP

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