La gestione, la manutenzione e la sicurezza della rete viaria rappresentano una delle sfide ingegneristiche e politiche più critiche del nostro tempo. Nella sua valutazione dello stato delle infrastrutture del 2022, il Ministero Federale Tedesco del Digitale e dei Trasporti (BMDV) ha classificato ben 8.000 ponti autostradali come strutture che necessitano urgentemente di interventi di riabilitazione. In altre parole, è giunto il momento di avviare un monitoraggio continuo e sistematico dei ponti. Di fronte a questa emergenza, l’Istituto Fraunhofer per le Tecnologie e i Sistemi Ceramici IKTS ha presentato una risposta concreta e innovativa denominata COMOBASE, un sistema modulare di monitoraggio delle emissioni acustiche concepito appositamente per le diverse esigenze strutturali e significativamente più economico rispetto alle tecnologie convenzionali finora impiegate sul mercato.
L’efficienza economica attraverso la specializzazione tecnologica
I ricercatori dell’istituto Fraunhofer IKTS si sono concentrati su un approccio chiaro e dirompente: sostituire le tecnologie di misurazione universali ed estremamente costose con sistemi ottimizzati per applicazioni specifiche. La maggior parte degli strumenti all-in-one attualmente disponibili sul mercato offre funzionalità ridondanti che fanno lievitare i prezzi senza apportare reali benefici operativi alle singole strutture. Il nuovo orientamento mira invece a calibrare l’hardware e il software in base alla specifica opera da controllare. “La maggior parte delle applicazioni ha bisogno solo di una piccola frazione di queste costose soluzioni tutto-in-uno. Invece di adottare un approccio unico per tutti, sviluppiamo quindi la nostra tecnologia di monitoraggio specificamente per strutture precise come ponti, recipienti a pressione, impianti chimici o turbine eoliche. Questo ci consente di ridurre significativamente i costi“, spiega Lars Schubert, capo del dipartimento Condition Monitoring and Test Services presso il Fraunhofer IKTS. Lo stesso Schubert ha inoltre aggiunto una prospettiva di sviluppo sul lungo periodo, sottolineando che “ci aspettiamo risparmi sui costi ancora maggiori in futuro grazie alle economie di scala“.
Quando le strutture parlano: il principio delle emissioni acustiche
La tecnologia alla base di questo dispositivo si fonda su un principio fisico preciso legato al comportamento dei materiali sotto stress. I danni strutturali, come la formazione di crepe, le fessurazioni o la rottura dei cavi in acciaio di precompressione, emettono segnali acustici nel momento esatto in cui si verificano. I sensori acustici sviluppati per il sistema sono in grado di rilevare, localizzare e analizzare queste emissioni acustiche strutturali. “È come la rottura di una corda di chitarra tesa. Ogni volta che si verifica un danno, questo produce un suono caratteristico che possiamo rilevare e localizzare spazialmente con la nostra tecnologia“, spiega lo scienziato ricercatore del Fraunhofer IKTS Kilian Tschöke. A differenza dei metodi di prova tradizionali, che vengono applicati soltanto a intervalli di tempo distanziati lasciando pericolose finestre di ombra, il sistema consente una sorveglianza h24, agendo come uno stetoscopio permanente integrato direttamente all’interno delle opere murarie.
Caratteristiche tecniche del monitoraggio acustico integrato
Il rilevamento dei segnali si concentra in modo particolare sulle gamme di bassa frequenza, che possiedono la capacità intrinseca di penetrare meglio e più in profondità all’interno delle strutture solide e dense come il calcestruzzo. Questo risultato ottimale si ottiene applicando i sensori in punti strategici e predeterminati del ponte. Per le applicazioni future, gli ingegneri stanno valutando l’impiego di sensori MEMS, ossia sistemi micro-elettromeccanici in grado di ridurre ulteriormente gli ingombri. I ricercatori hanno sviluppato un’elettronica specifica per l’acquisizione dei segnali. L’intero apparato si basa sulla tecnologia PCUS, anch’essa sviluppata internamente dal Fraunhofer IKTS, e si collega ai sensori attraverso schede di interfaccia e di misurazione modulari. Nella sua configurazione di base, il dispositivo è in grado di elaborare fino a 32 canali in parallelo. Inoltre, viene fornito un kit di sviluppo software (SDK) che permette l’interazione del sistema utilizzando i programmi di test già in possesso dei clienti. “La nostra offerta è altamente personalizzata. Omettiamo deliberatamente le caratteristiche tecniche che non sono necessarie per il monitoraggio. Questo ci consente di rendere l’hardware e il software significativamente più snelli ed economici“, afferma lo scienziato ricercatore del Fraunhofer IKTS Lars Schubert.
Un supporto strategico per le società di ingegneria e la pubblica amministrazione
La nuova soluzione tecnologica si rivolge principalmente alle società di consulenza ingegneristica che ricevono l’incarico di redigere relazioni tecniche e perizie per i governi locali e per gli operatori delle infrastrutture pubbliche e private. Grazie a questo strumento, i tecnici possono disporre di dati oggettivi e continui per pianificare i lavori di manutenzione prima che il degrado diventi irreversibile o pericoloso. “Offriamo alle società di consulenza ingegneristica un pacchetto completo e individualizzato per identificare e valutare i danni alle infrastrutture e valutare il rischio strutturale associato“, afferma Tschöke. Questo approccio basato sulla prevenzione riduce l’incertezza e ottimizza l’allocazione delle risorse finanziarie da parte degli enti pubblici.
Validazione nei test sul campo e sviluppi futuri della tecnologia
L’affidabilità di questo nuovo strumento non è confinata ai laboratori, ma ha già superato prove rigorose nel mondo reale. Il dispositivo è attualmente impiegato in test sul campo condotti in parallelo con i sistemi tradizionali già affermati su una reale struttura da ponte. I risultati ottenuti finora confermano pienamente la bontà del progetto. “Le nostre convalide confermano che possiamo ottenere gli stessi risultati decisivi con una complessità del sistema significativamente ridotta“, afferma Schubert. Guardando al futuro, l’istituto di ricerca non intende fermarsi qui. Nel prossimo passo, il Fraunhofer IKTS ha pianificato di sviluppare ulteriormente altre tecnologie complementari, come i sensori a fibra ottica dedicati al monitoraggio delle infrastrutture. Nell’ambito di questo percorso di innovazione permanente, il progetto Fit4Infrastructure sta istituendo un centro d’eccellenza specifico per i metodi di prova e monitoraggio destinati alle applicazioni infrastrutturali direttamente presso la sede del Fraunhofer IKTS a Dresda-Klotzsche.
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