MONITORAGGIO STRUTTURALE

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1 Ponte ad arco sulla Valnerina (TR) Direttrice Civitavecchia - Orte - Terni - Rieti MONITORAGGIO STRUTTURALE Committente: Consorzio UNITER Progettista: Studio Matildi (BO) Società costruttrice: MAEG Costruzioni Spa Impianto di monitoraggio: ESSEBI Srl (Roma)

2 Descrizione PLASTICO Ponte ad archi tubolari metallici, attualmente in fase di costruzione e varo, con sviluppo di 301 m e luce massima di 165 m

3 Il progetto costruttivo del ponte prevede un sistema di montaggio a sbalzo dei singoli elementi conci metallici con l'ausilio di strallature provvisorie. Trattandosi di strallature provvisorie, realizzate con più ordini di stralli in tempi diversi, diventa particolarmente significativo il controllo del raggiungimento dei campi tensionali attesi durante tutte le fasi del montaggio.

4 RENDERING Oltre a garantire a tutti gli attori del processo la massima rispondenza dell'eseguito alle attese delle ipotesi progettuali durante il montaggio, la disposizione di elementi di controllo dello stato tensionale appare quanto mai opportuno durante la futura fase di esercizio al fine di verificare periodicamente il comportamento della struttura, che ha caratteristiche statiche e geometriche uniche, sotto carico.

5 Monitoraggio e finalità Si individuano le fasi di montaggio-varo da sottoporre a controllo. Esse vengono segnalate dal progettista e sono le più significative dal punto di vista strutturale in quanto riguardano il montaggio di un elemento in quota ed il pretensionamento dei cavi. Per ciascuna di queste il progettista fornisce una tabella con i valori teorici delle deformazioni/tensioni raggiunte ed i valori delle tolleranze. Dopo una lettura, prima di passare alla fase successiva, si compila la tabella delle misure e si confrontano i valori con quelli teorici.

6 La verifica è soddisfatta se i valori misurati differiscono da quelli teorici di una quantità non superiore alla tolleranza prestabilita. Ciò per garantire, con sufficiente precisione, la corrispondenza tra il tiro di progetto dei cavi, condizionata anche da fattori non completamente interpretabili nei modelli di calcolo, ed il livello di sollecitazione degli archi tubolari ed eventualmente intervenire con le necessarie correzioni dei tiri applicati ai singoli cavi.

7 Durante la fase di esercizio del ponte, lo scopo delle misure è di verificare che i valori massimi delle deformazioni (tensioni) non superino i valori previsti dal progetto. Il progettista fornisce una tabella dei valori massimi delle tensioni - deformazioni in corrispondenza dei punti di misura e le relative tolleranze. Questi valori sono l'inviluppo di tutte le combinazioni di carico che interessano le strutture.

8 Tipologia di misura Il sistema di monitoraggio, vista la complessità della struttura, deve permettere di ricostruire lo stato di sollecitazione delle sezioni più critiche che sono rappresentate, in sintesi, dagli incastri al piede degli archi e dai nodi di intersezione degli archi principali e secondari. Questo risultato è ottenibile mediante l apposizione di estensimetri elettrici a resistenza (strain gages) nelle sezioni da monitorare. R ε 1 = ρ L S R = 1 F R e E F = α ε1 4

9 Sezioni sottoposte a controllo temporale - pianta Individuazione in pianta delle sezioni ritenute critiche, in cui si è resa necessaria la conoscenza indiretta dello stato tensionale attraverso la misura diretta delle deformazioni locali

10 Sezioni sottoposte a controllo temporale - prospetto Sezioni, allo stato attuale, già strumentate con configurazioni estensimetriche finalizzate alla misura delle deformazioni e delle dilatazioni (n 8 sezioni, su 4 conci, per un totale di 48 strain gauges). Sezioni in corso di strumentazione, subordinata alle fasi realizzative e di messa in opera dei conci stessi (n 6 sezioni, su 4 conci, per un totale di 36 strain gauges)

11 Punti di misura Per ciascuna sezione strumentata sono previsti 6 sensori, di cui 4 in configurazione autonoma e 2 collegati a ponte Ogni singolo punto di misura da 1 a 4, orientati lungo l asse del tubo, in configurazione autonoma, è sensibile agli effetti di sforzo normale e flessione. 4 I sensori 5 e 6, collegati con due resistenze calibrate di compensazione a costituire un ponte intero, disposti in posizione circonferenziale (praticamente insensibili alle deformazioni assiali), hanno l ufficio di misurare dilatazioni dovute alla compressione del carico e ad effetti apparenti di natura termica.

12 Misura della deformazione locale Per deformazione si intende l effetto provocato da azioni di sforzo normale, rispetto all ortogonale alla sezione, e di flessione, rispetto al piano individuato dalla sezione retta. Sarebbe stato possibile impiegare una disposizione a ponte intero con tutti e quattro gli estensimetri previsti per singola sezione, ma in questo caso, a seconda del tipo di collegamento, si sarebbe potuto misurare o solo flessione (eliminando gli effetti di trazione-compressione) o solo sforzo normale (eliminando gli effetti di flessione). Si è pertanto optato per una disposizione a quattro mezzi ponti indipendenti, ciascuno costituito da un estensimetro attivo di misura ed una resistenza calibrata. Con un siffatto collegamento, ogni mezzo ponte fornirà un valore di deformazione: il valore dello sforzo normale sulla sezione può essere determinato come valore medio. Le eccedenze, in positivo e negativo, rispetto a detto valore medio forniscono una buona valutazione degli effetti flessionali (diagramma a farfalla). 4 e ε = E F

13 Misura della dilatazione Per dilatazione si intende l effetto dovuto alle tensioni circonferenziali che tendono ad aumentare o diminuire la sezione cava del tubo. Ciò dipende dalle variazioni di temperatura (sulla struttura e non sull apparato di misura) e dagli effetti di compressione-trazione sulla sezione del tubo, che generano dilatazioni e contrazioni della sezione in funzione del modulo di Poisson ν del materiale. Si è optato pertanto per una disposizione alternativa, costituita da un ponte intero con due estensimetri attivi su lati opposti, con fattore di amplificazione di ponte pari a 2. ε B = 4 2 e E F = 2 e E F

14 Procedura di incollaggio Gli estensimetri vengono applicati alla superficie metallica della struttura mediante una prima stesura di collante bicomponente X60 che forma la base su cui incollare l'estensimetro con un adesivo monocomponente del tipo Z70. Il collante X60 è un bicomponente fenolico, adatto per incollaggi diretti su superfici ruvide, ed in questo caso usato per realizzare una base ad alta aderenza su cui effettuare il vero e proprio incollaggio. Il collante Z70 è cianacrilato, in grado di polimerizzare istantaneamente a temperatura ambiente. Il suo impiego è garantito in un campo compreso tra -20 C e 100 C, con deformazioni massime inferiori al 2%.

15 Caratteristiche strain gauges Gli estensimetri impiegati sono prodotti dalla HBM, società leader nel settore. Essi hanno lunghezza di griglia attiva pari a 10 mm, resistenza di 120 Ω (valore standard ed ottimo per avere una scarsa sensibilità alla variazioni di isolamento), sensibilità trasversale trascurabile (-0,2%) e coefficiente di temperatura del fattore di calibrazione pari a [93 ± 10] 10-6 / C. Il Fattore di Ponte o Gauge Factor, inteso come parametro angolare del tratto linearizzato della curva in cui in ascissa è riportata la deformazione e in ordinata la variazione relativa di resistenza, tipico per ogni batch di fornitura, risulta pari a 2,09.

16 Procedura di incollaggio I punti di misura di tipo estensimetrico debbono essere protetti contro danneggiamenti di tipo meccanico e/o chimico. I primi possono essere cagionati durante gli interventi manutentivi all interno del ponte; i secondi da infiltrazioni meteoriche all interno e da parte di liquidi e/o gas derivanti da attività antropiche. Pertanto ogni singolo strain gage, dopo l'applicazione dei fili elettrici, viene isolato mediante appropriati fogli ricoperti di plastilina del tipo ABM75 adeguatamente fissata tramite una gomma di nitrile monocomponente, del tipo NG 150, che contiene un solvente che le permette di indurire a temperatura ambiente.

17 Deformazioni apparenti Entrambe le configurazioni viste non consentono la compensazione circuitale della temperatura. E però opportuno ricordare che la tipologia di estensimetri prescelti è autocompensata in temperatura per incollaggi su acciaio. Inoltre il fornitore (HBM) mette a disposizione una curva di graduazione, con relativo polinomio interpolante, che consente di effettuare correzioni laddove le variazioni termiche dovessero risultare significative. Comunque, indipendentemente dall intervallo termico che riguarda l applicazione in oggetto, possono essere apportate le dovute correzioni al valore misurato, in funzione della temperatura puntuale rilevata all istante della misura. Ciò ha comportato l impiego di sensori di temperatura (termoresistenze al platino PT100) in grado di effettuare le misurazioni richieste, sia in aria che sul componente d acciaio, con un ottimo livello di precisione.

18 Cavi: effetti termici e caduta di tensione in funzione della loro lunghezza Nel caso delle misura della deformazione, per quanto riguarda la compensazione termica dei cavi, il particolare tipo di collegamento (nonostante un solo estensimetro attivo, non si ha un quarto di ponte, ma un mezzo ponte, con disposizione simmetrica di cavi di andata e ritorno) comporta un bilanciamento in automatico degli effetti termici sui cavi. Lo stesso dicasi per la misura della dilatazione (sistema realizzato con due mezzi ponte come sopra). Della caduta di tensione dovuta alla lunghezza dei cavi se ne può tener conto introducendo opportune formule correttive. Collegamento a tre fili che si sarebbe reso necessario nel caso di un estensimetro di misura, senza alcuna resistenza di compensazione.

19 Circuito di Kreuzer Nel caso specifico, la caduta di tensione, e quindi i conseguenti effetti sulla deformazione, anziché computata e scorporata, viene automaticamente annullata a mezzo di una disposizione circuitale (circuito di Kreuzer) facendo ricorso a due particolari tipi di collegamento (a 5 fili nel caso di mezzo ponte e a 6 fili nel caso di ponte intero), con due fili di sensing in grado di tenere costante la tensione ai capi dell estensimetro di misura, indipendentemente dalla lunghezza dei cavi. Una siffatta configurazione consente anche l automatica eliminazione degli errori di zero e di linearità del ponte.

20 Fasi operative di installazione

21 Sensibilità e precisione Con gli usuali Gauge Factor (intorno a 2), gli strain gages consentono di raggiungere sensibilità dell ordine del µm/m, ossia del microstrain. Ciò è valido nel caso di quarto di ponte, o di mezzo ponte con resistenza calibrata passiva di chiusura (come nel caso in oggetto per la misura delle deformazioni assiali). Nel caso della misura delle dilatazioni, essendo impiegato un ponte intero con due estensimetri attivi e due resistenze di chiusura con un coefficiente moltiplicativo di ponte pari a 2, la sensibilità raddoppia diventando pari a 0,5 µm/m.

22 Una buona realizzazione della catena di misura consente di avere una precisione confrontabile con la sensibilità. Assumendo per il modulo di elasticità longitudinale E un valore di 2, dan/cm 2, per le tensioni il sistema di misura è in grado di apprezzare variazioni tra 1 e 2 dan/cm 2.

23 Tipologia di misura Considerando la modalità e la cadenza delle misure e, soprattutto, il numero delle stazioni (14 stazioni, su otto conci di ponte, per un totale di 84 strain gaiges e 72 punti di misura) posizionate a notevole distanza l una dall altra, si è optato per una misura con strumento portatile (multimetro di alta precisione) da collegare di volta in volta ai terminali, lasciati in posizioni facilmente raggiungibili, e muniti di connettori Cannon. In condizioni di esercizio potrebbe essere predisposto un vero e proprio impianto di monitoraggio, con concentratori locali (uno per ogni stazione) collegati, a mezzo di cavo seriale, a sistema di collazionamento centrale, interrogabile a distanza a mezzo di connessione modemtelefonica.

24 Il sistema di acquisizione portatile, ad un solo canale, è lo Scout 55 della HBM. Trattasi di strumento condizionatore e amplificatore ad alta precisione (16 bit), adatto per una vasta gamma e tipologia di trasduttori, spesso usato come calibratore di classe superiore. Il fatto di essere provvisto di circuito di Kreuzer, lo rende particolarmente adatto alle misure estensimetriche (compensazione automatica degli effetti termici sui cavi e della caduta di tensione per aumento di resistenza dovuto alla lunghezza). Per la misura delle temperature (mediamente due trasduttori PT100 per stazione) lo strumento impiegato è uno Jumo a display digitale.

25 Risultati Durante queste prime fasi di montaggio, l impiego di un tirante tra i conci a sbalzo ha consentito di ridurre considerevolmente, sino ad annullare, gli effetti flessionali al piede. Nelle tabelle che seguono è riportata l evoluzione dello stato tensionale (time history), per due stazioni all incastro prese a campione, con il procedere delle varie fasi. Notevoli sono risultate le tensioni di natura flessionale prima dell effettuazione della strallatura. I risultati sono stati depurati anche dell effetto termico, valutato grazie all impiego di termometri disposti in ogni sezione sia a contatto con la struttura, sia in aria libera.

26 E6-1 E6-2 E6-3 E6-4 E6-5/6 T Deformazioni [dan/cm 2 ] Dilatazione Temperatura [ C] 10-giu ,4 02-lug ,3 07-lug ,1 08-set ,1 Per entrambe le tabelle, la riga evidenziata in verde rappresenta l azzeramento, effettuato subito dopo l installazione, quando i tubi erano ancora in posizione coricata a terra. Le successive righe, non evidenziate, rappresentano le letture intermedie, in giorni diversi, con tubi disposti a mensola sotto l azione del peso proprio, senza alcun elemento agente a tirante. L ultima riga (corrispondente anche all ultima lettura temporale allo stato attuale) si riferisce alla situazione con tirantatura reciproca. È evidente come le tensioni massime, superiori a 1200 dan/cm 2 vengono quasi totalmente annullate. D5-1 D5-2 D5-3 D5-4 D5-5/6 T Deformazioni [dan/cm 2 ] Dilatazione Temperatura [ C] 10-giu giu ,3 02-lug ,8 07-lug ,9 08-set ,3