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Immagina di entrare in una galleria e ascoltarne la voce. No, non si tratta di un’eco inquietante o di suoni misteriosi, ma di una vera e propria melodia strutturale. Perché sì, le gallerie suonano!
Come? Grazie a un sistema di monitoraggio che sfrutta lo stesso principio di funzionamento di una chitarra: le barrette estensimetriche a corda vibrante (VW Strain Gauges).
Principi di funzionamento e storia
Per capire come funzionano le barrette, pensiamo agli strumenti a corda, come una chitarra o un violino. Quando pizzichiamo una corda, questa vibra e produce un suono. La frequenza del suono dipende da diversi fattori: le caratteristiche della corda, la sua lunghezza e la tensione a cui è sottoposta. Più è tesa, più il suono è acuto; meno è tesa, più il suono è grave.
Chiunque abbia visto un musicista accordare il proprio strumento avrà notato che agisce sulle chiavette (meccaniche), che servono proprio a regolare la tensione delle corde per ottenere la frequenza corretta (Figura 1). Per fare un esempio, la corda che suona il LA centrale deve vibrare a una frequenza ben precisa che è pari a 440 Hz.
Figura 1. Per accordare il proprio strumento, i musicisti regolano le meccaniche, modificando la tensione delle corde e, di conseguenza, la loro frequenza di vibrazione quando pizzicate.
Le barrette estensimetriche a corda vibrante funzionano in modo analogo:
- All’interno della barretta (Figura 2) è presente un filo di acciaio armonico, ancorato alle due estremità;
- Quando la struttura a cui è fissata la barretta si deforma, la distanza tra le estremità varia, modificando la tensione del filo. Proprio come negli strumenti musicali, questa variazione altera la frequenza di vibrazione della corda;
- Un sistema elettromagnetico posto al centro del tubo eccita il filo, facendolo vibrare, proprio come quando un musicista pizzica una corda;
- Successivamente, lo stesso sistema elettromagnetico misura la frequenza di vibrazione. Questo principio ricorda il funzionamento delle chitarre elettriche: quando un musicista pizzica una corda, i pickup captano le variazioni del campo magnetico generate dalla vibrazione e le convertono in un segnale elettrico, che viene poi amplificato e trasformato in suono;
- All’aumentare della deformazione della struttura, aumenta la variazione della frequenza di vibrazione.
In altre parole, queste barrette traducono le deformazioni strutturali in frequenze, permettendoci di “ascoltare” i movimenti della galleria o della struttura monitorata.
Figura 2. Schema di una barretta estensimetrica a corda vibrante.
La tecnologia della corda vibrante viene da tempo ampiamente utilizzata nel mondo del monitoraggio geotecnico e strutturale. Il primo impiego documentato della tecnologia a corda vibrante per misurare deformazioni risale al 1888 in Italia. Fu introdotta da Pietro Cardani, professore all’Università di Palermo. Successivamente, nel 1899, Edward McGarvey brevettò negli Stati Uniti un dispositivo per misurare il peso e la pressione dei carrelli del carbone utilizzando la frequenza di risonanza di un cavo di supporto.
Nel 1926, il professor N. Davidenkoff, proveniente dall’Unione Sovietica, sviluppò un sensore a corda vibrante, rendendolo incorporabile nel cemento. Dopo aver eseguito con successo i test in laboratorio, lo installò nel tunnel Zoragetstroi nel 1931.
Nel 1930, André Coyne, in Francia, contribuì in modo significativo alla commercializzazione dei sensori a corda vibrante. Brevettò un suo modello di sensore nel 1931, e lo installò per la prima volta in una diga sul fiume La Bromme. Coyne fu fondamentale nella diffusione della tecnologia, portando i sensori a corda vibrante in progetti strutturali e geotecnici di rilievo. Oggi, tali sensori rappresentano una tecnologia consolidata e sono ampiamente utilizzati in progetti di monitoraggio geotecnico e strutturale in tutto il mondo.
Campo di applicazione
Le barrette estensimetriche a corda vibrante sono ampiamente utilizzate per il monitoraggio ad alta risoluzione delle micro-deformazioni nelle strutture e, indirettamente, dello stato tensionale. Sono apprezzate per la loro robustezza, costo ridotto, precisione e stabilità del segnale a lungo termine. Queste caratteristiche le rendono ideali per applicazioni in cui è necessario un monitoraggio continuo e a lungo termine, specialmente in ambienti difficili. Inoltre, grazie alla natura del segnale basato sulla frequenza, possono essere utilizzate con cavi di lunghezza considerevole senza perdita di precisione, rendendole adatte anche per installazioni in cui i sensori sono distanti dall’unità di acquisizione dati.
Nei segnali elettrici trasmessi su lunghe distanze, l’ampiezza può ridursi, ma la frequenza rimane inalterata, il che permette di mantenere la precisione della misura. Poiché le barrette estensimetriche a corda vibrante sono sensibili alle variazioni di temperatura, solitamente sono dotate di un termistore integrato per compensare le variazioni di deformazione dovute alle oscillazioni termiche. Esistono diverse tipologie di barrette sul mercato, che si distinguono per il sistema di ancoraggio. Ad esempio, alcuni modelli sono progettati per essere saldati, altri per essere integrati nel getto di calcestruzzo, mentre vi sono anche modelli con tasselli incorporati, ideali per l’installazione a parete (Figura 3).
Figura 3. Nell’immagine di sinistra viene riportata una foto di una barretta estensimetrica per strutture metalliche da saldare, nell’immagine di destra una barretta estensimetrica per calcestruzzo da annegare (foto gentilmente fornite da Earth System S.r.l.)
Le barrette estensimetriche a corda vibrante trovano applicazioni in contesti diversi come ad esempio:
• Gallerie;
• Strutture civili e infrastrutturali, tra cui ponti, edifici e dighe;
• Prove di carico su pali di fondazione.
Negli scavi in sotterraneo, le barrette estensimetriche sono comunemente impiegate per monitorare le deformazioni nel rivestimento preliminare, nel definitivo e nei conci prefabbricati. Nelle sezioni di monitoraggio, vengono generalmente installate a coppie: sul rivestimento preliminare sono saldate, mentre su quello definitivo vengono inglobate nel getto di calcestruzzo. Per ottenere una visione completa della distribuzione degli sforzi, si posizionano più coppie di barrette in punti rappresentativi del rivestimento, consentendo di analizzare con maggiore precisione il suo comportamento sotto carico. Questo approccio permette un monitoraggio costante dello stato tensionale e deformativo sia durante la costruzione che nella fase di esercizio.
Figura 4. Grafico di rappresentazione dei dati acquisiti da una barretta estensimetrica. La serie in azzurro mostra l’andamento della deformazione in , mentre la serie in arancione rappresenta la variazione di temperatura.
Bibliografia:
A.J. Simmonds, Long-term monitoring using vibrating wire sensors, The 6th International Conference on Structural Health Monitoring of Intelligent Infrastructure, 2013.
B. Glisic, Concise Historic Overview of Strain Sensors Used in the Monitoring of Civil Structures: The First One Hundred Years, Sensors, 2022, 22, 2397. https://doi.org/10.3390/s22062397
E. Bilotta, R. Casale, C.G. di Prisco, S. Miliziano, D. Peila, A. Pigorini, E.M. Pizzarotti, Handbook on Tunnels and Underground Works – Volume 2: Construction – Methods, Equipment, Tools and Materials, CRC Press, 2022. https://doi.org/10.1201/9781003306467