Monitoraggio Strutture in Acciaio: Test di montaggio e valutazione degli effetti di collanti monocomponenti su moduli IOLITEiw-3xMEMS-ACC

Qual é l’impatto sulla fase di acquisizione dei dati al variare dei due tipi di collanti? Come varia la risposta sulle frequenze trasmesse e quali sono le implicazioni pratiche per l'analisi strutturale?

Il fissaggio dei sensori sulle strutture da monitorare

A seconda delle strutture che devono essere monitorate, esiste la possibilità di utilizzare una buona varietà di ancoraggi meccanici. Viti e tasselli sono facili da applicare e rapidi da utilizzare. Ne esistono varie tipologie a seconda del materiale sul quale si va a lavorare (cemento armato, cartongesso, legno, ecc). Presentano una durabilità elevata, soprattutto se galvanizzati e garantiscono un ancoraggio solido per ogni elemento.

Le viti e i tasselli offrono un ancoraggio meccanico solido che può essere preferibile in situazioni in cui si richiede una maggiore resistenza alla trazione o ai carichi laterali. Questo è particolarmente importante in applicazioni dove la struttura è soggetta a vibrazioni intense o movimenti significativi.

Tuttavia, l'uso di viti e tasselli può comportare la perforazione o la lesione della struttura. Questo è un rischio da considerare soprattutto quando si tratta di materiali fragili o delicati, come nel caso di alcuni tipi di acciaio o strutture storiche. Inoltre, la loro installazione richiede la foratura delle strutture, il che può essere impraticabile o indesiderabile in alcune situazioni, come nel caso di superfici particolarmente dure o inaccessibili.

Subentrano, a questo punto, l'uso di collanti che può essere preferito quando si desidera evitare danni alla struttura o quando si lavora con materiali che non possono essere forati facilmente.

I collanti: Monocomponente e bicomponente

I collanti epossidici bicomponenti costituiscono una soluzione versatile per il fissaggio delle apparecchiature, presentando un approccio innovativo attraverso due composti distinti in fase di posa. La formulazione consiste in un primo componente, la resina, ed un secondo, l'agente indurente, responsabile del processo di polimerizzazione.

L'efficacia di tali collanti dipende notevolmente dalla miscela delle due componenti, le quali devono rimanere isolate fino al loro utilizzo. Una volta che i due composti sono stati accuratamente combinati, il tempo operativo residuo è influenzato in parte dalle condizioni ambientali, come evidenziato in Figura 2.

La necessità di miscelare i due componenti della colla bicomponente comporta un ritardo aggiuntivo nel processo di applicazione rispetto alle colle mono componente, che possono essere utilizzate immediatamente dal contenitore. Inoltre, il tempo di asciugatura effettivo può variare a seconda di diversi fattori, come la temperatura e l'umidità ambientale, nonché dalla corretta proporzione dei due componenti miscelati. Questi fattori possono influenzare la velocità e l'efficacia della reazione di polimerizzazione, influenzando quindi il tempo necessario per il completo indurimento della colla bicomponente.

La colla epossidica monocomponente si distingue dalla precedente per una caratteristica peculiare: entrambi i reagenti necessari alla polimerizzazione sono già presenti all'interno della formulazione. Tuttavia, contrariamente a quanto ci si potrebbe aspettare, la reazione di polimerizzazione non si verifica immediatamente dopo l'estrazione della colla dalla cartuccia.

Questo perché la polimerizzazione, in questa tipologia di colla, non è attivata da un reagente chimico, bensì dall'esposizione a temperature superiori a quelle ambientali. Ciò significa che, affinché la colla epossidica monocomponente raggiunga lo stato di indurimento completo, è necessario esporla a temperature elevate, generalmente superiori a 120°C.

Questa caratteristica della colla epossidica monocomponente offre diversi vantaggi, tra cui una maggiore flessibilità nella gestione del tempo di lavoro e una migliore resistenza alle temperature elevate una volta completamente indurita. Tuttavia, il modulo elastico allo stato indurito di queste colle influenza la trasmissione delle vibrazioni, come vedremo nell'articolo.

Tempi di posa dei collanti

I collanti offrono una soluzione senza perforazioni che può essere più discreta ed esteticamente gradevole, tuttavia, la resistenza del fissaggio dipende dalla qualità del collante e dalla preparazione della superficie, il che si converte in maggiore tempistiche di applicazione al fine di garantire un'adesione sicura e duratura.

L’asciugatura introduce importanti variazioni temporali nel montaggio della strumentazione. Se pensiamo che una colla bicomponente richiede in media 10 min di asciugatura e moltiplichiamo tale numero per 80 sensori, il processo di installazione richiede di più di 13 ore. 

Questo significa estendere l’impiego di personale e macchinari per altri 3 giorni, che tradotto in termini economici significa aggiungere una spesa di migliaia di euro per il completamento del lavoro

In aggiunta, questo comporta la richiesta di ulteriori permessi di blocco della viabilità per svolgere i lavori lungo la tratta da strumentare se parliamo di gallerie, ponti o viadotti. Da più punti di vista l'impiego dei collanti viene sconsigliato a meno che non ci siano altre soluzioni tecniche. Cosa si può fare in questo caso per ottimizzare il processo di installazione?

Qui nasce la necessità di svolgere analisi approfondite sulle tipologie di collante. Sebbene la colla monocomponente risulti meno idonea alla trasmissione delle vibrazioni, data la sua maggiore flessibilità dopo la fase di asciugatura, risulta altresì più rapida da installare poiché presenta tempi di indurimento minori grazie all'attivazione dipendente dalla temperatura. Con lo scopo di comprendere meglio gli effetti imposti dal comportamento elastico della colla monocomponente, sono stati eseguiti dei test tramite l'utilizzo di accelerometri.

La strumentazione hardware and software utilizzata per i test è la seguente:

• Dewesoft IOLITEiw-3xMEMS-ACC-8g: Dispositivo di acquisizione dati a prestazione di rumore molto basso con accelerometro MEMS triassiale integrato.

• DewesoftX: software per la misura del segnale, la registrazione dei dati, elaborazione dei segnali e la visualizzazione dei dati.

• Dewesoft Artemis OMA: software per l'analisi modale.

Dewesoft Artemis OMA è un software specializzato nell'esecuzione di analisi OMA (Operation Modal Analysis), EMA (Experimental Modal Analysis), ODS (Operating Deflection Shapes) e analisi di monitoraggio strutturale.

IOLITEi 3xMEMS-ACC è una famiglia di dispositivi di acquisizione dati con accelerometro MEMS triassiale integrato, conversione analogico-digitale (ADC) e interfaccia EtherCAT. È stata creata su misura per monitorare la salute strutturale di grandi strutture come i ponti.

Primo test: ancoraggio meccanico vs. chimico

Lo scopo del primo test è stato quello di confrontare le differenze sul segnale fornito dai due moduli fissati con e senza collante. Il corpo del sensore fissato senza colla è stato ancorato alla struttura per mezzo di viti autofilettanti. L’oggetto dell’analisi è stato il battente di una porta industriale in metallo.

Pur non avendo le pretese di un test scientifico, la comparazione dei segnali provenienti dai due sensori vicini dovrebbe rappresentare ragionevolmente la stessa vibrazione al netto dell’errore spaziale e di quello temporale che in questo caso vengono considerati entrambi nulli.

• L’errore temporale viene considerato nullo in quanto sono utilizzati due moduli IOLITEiw, progettati per acquisizione distribuita perfettamente sincrona (errore di sincronia inferiore a 1 uS).

• L’errore spaziale viene considerato nullo in quanto i due sensori sono posizionati a pochi cm di distanza sul battente di una porta industriale alta 3m, e pertanto soggetti alla stessa oscillazione

Si è posta l’attenzione su quali effetti venissero introdotti dal collante sulle vibrazioni acquisite. In generale, un qualsiasi materiale che si interpone tra un sensore e un corpo da analizzare si comporta come un filtro meccanico imponendo delle variazioni di modulo e fase del segnale. Ma quali sono questi effetti e con quale entità si manifestano?

Le analisi hanno mostrato degli evidenti comportamenti elastici del collante che sfasa il segnale lungo l’asse perpendicolare al piano del battente (asse Y). 

I moduli IOLITEiw-3xMEMS-ACC-8g hanno una funzione di auto allineamento grazie alla quale è possibile allineare gli assi relativi del sensore con gli assi assoluti del progetto costruttivo. Questo fa sì che non vi sia la necessità di installare i moduli in bolla, rendendo così i processi di montaggio più rapidi e semplici. 

I segnali riportati in figura 6 sono il risultato di un filtro passa basso a 30Hz per eliminare tutte le vibrazioni con frequenze troppo alte rispetto a quelle interessanti per l’analisi della struttura. 

Secondo test: effetti di sfasamento vs. quantità di collante

In questo secondo test sono state apportate le seguenti modifiche:

• Riduzione del quantitativo di collante applicato in fase di installazione;

• Introduzione di un sensore con  fissaggio ibrido (collante + viti);

• test su strutture più flessibili.

I primi due punti sono stati introdotti per studiare gli sfasamenti del segnale al variare delle condizioni di fissaggio dei moduli tramite il collante. La struttura più flessibile fornisce, invece, oscillazioni più ampie e frequenze più basse che facilitano il confronto dei segnali generati tra i moduli nel dominio del tempo.

Per questioni di praticità non è stato possibile installare i moduli sullo stesso punto di misura perciò, al fine di confinare l’analisi dello sfasamento al solo contributo imposto dal collante, è stato applicato un filtro passa banda a 26,6Hz corrispondente al primo modo di vibrare della struttura. Tale frequenza di risonanza è la prima e l’unica a presentare le oscillazioni in fase per tutti i punti di misura lungo la sbarra, come mostra la Figura 9.

Il segnale verde rappresenta il modulo fissato alla struttura con le viti, quello rosso il modulo incollato e infine quello blu il modulo fissato con la combinazione di colla e viti.

Lo spettro proposto evidenzia un picco di frequenza a 26,6 Hz comune a tutti e tre i sensori. Tale picco è caratteristico di una frequenza di risonanza. Dall'analisi nel dominio della frequenza siamo passati poi a quella nel dominio del tempo per analizzare ancora una volta lo sfasamento imposto dal collante.

La timeline restituisce dei segnali sfasati confrontando quelli acquisiti con il modulo avvitato (in verde) e quelli acquisiti con i moduli incollati (in rosso e blu).

In breve, i risultati del secondo test confermano la presenza di uno sfasamento temporale del segnale acquisito con i moduli fissati per mezzo del collante.

Terzo test: effetti del collante sull'analisi modale

Quest’ultimo test, seppur svolto in condizioni non ottimali, ha avuto l’obiettivo di ottenere le prime forme modali della barra posta sotto analisi.

Le difficoltà incontrate sono legate alla rumorosità della densità spettrale. Si parla di condizioni non ottimali poiché il corpo analizzato è legato ad altre componenti metalliche con frequenze di risonanza presenti all’interno della banda di nostro interesse (30 Hz).

La rumorosità si manifesta come una serie di picchi e valli irregolari che tendono a rendere lo spettro in frequenza graficamente più caotico. La causa di questa rumorosità risiede nella complessa interazione tra il corpo principale oggetto dell'analisi e le altre parti strutturali che sono connesse ad esso.

Quando il corpo principale vibra, le parti connesse vibrano fornendo informazioni riguardo le loro frequenze di risonanza. Questo fenomeno genera una varietà di frequenze che si sovrappongono nello spettro, creando la rumorosità osservata. Questo fenomeno rende più difficile l'identificazione e l'interpretazione delle modalità di vibrazione del corpo principale..

Nonostante l'apparente caos nello spettro di frequenza, è possibile applicare tecniche di analisi avanzate per separare e identificare i modi di vibrazione del corpo principale da altre interferenze strutturali. Queste tecniche possono comprendere algoritmi di filtraggio e analisi dei dati per isolare e caratterizzare i diversi componenti delle vibrazioni.

Ma cosa ci aspettiamo dall’analisi modale? La teoria ci impone di ottenere un comportamento dinamico di questo genere (vedere figura 18), dove le prime forme modali flessionali rispecchiano il medesimo andamento di una trave vincolata agli estremi.

Svolgendo l’analisi modale con Dewesoft Artemis OMA abbiamo ottenuto un diagramma della densità spettrale con una rumorosità molto elevata, a causa del quale stato possibile identificare solo i primi modi di vibrare.

E’ possibile vedere nelle figure 20 e 21 le ricostruzioni dei primi modi di vibrare. Le zone con i colori più caldi identificano le parti soggette a maggiore deformazione.

Conclusioni

L'uso dei collanti per fissare i moduli accelerometrici sulle strutture metalliche può influenzare in modo significativo la misura. Pertanto, richiede un'analisi attenta e mirata, considerando i diversi tipi di collanti disponibili.

Da un lato, abbiamo colle bicomponenti caratterizzate da un'essiccazione rigida dovuta alla presenza del componente indurente. Questi adesivi sono considerati eccellenti nel trasmettere le vibrazioni attraverso la struttura, garantendo un'accurata rilevazione dei modi di vibrazione.

È essenziale considerare che l'uso di colle bicomponenti può comportare alcuni svantaggi. Innanzitutto, possono essere costose, in quanto richiedono l'acquisto di due componenti separati. Inoltre, il processo di indurimento è spesso lento, con conseguenti ritardi nelle misure. Infine, la loro rigidità può renderli poco pratici in alcune situazioni applicative in cui la flessibilità è essenziale.

D'altro canto, gli adesivi monocomponenti si distinguono per la loro rapidità in asciugatura. Questi adesivi offrono un'alternativa più rapida ed economica, consentendo un'installazione più efficiente del sensore. Tuttavia, la maggiore elasticità degli adesivi monocomponenti può comportare alcuni compromessi. In particolare, possono causare attenuazioni e spostamenti di fase delle vibrazioni percepite dai sensori, compromettendo la precisione delle misure.

In definitiva, la scelta tra bicomponente e monocomponente dipende dall'applicazione e dalle caratteristiche della struttura in questione. È essenziale valutare attentamente i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna opzione per garantire misure accurate e affidabili dei modi di vibrazione della struttura, soprattutto se l'obiettivo finale è quello di eseguire un'analisi modale.

A seguito delle nostre esperienze sperimentali sul campo, riteniamo utile uno studio scientifico e approfondito sull'argomento, che possa far luce sull'effetto delle colle più comuni nell'elaborazione dei segnali accelerometrici.

Ringraziamenti

Per la disponibilità e la grande professionalità che li distingue in ogni nostra collaborazione, si ringraziano:

• Salvatore De Rinaldis - Installation and commissioning manager presso SITE

• Daniele Nisticò - Technical manager presso SITE

• Simone Di Marco - Geometra presso SITE