Best Practices Internazionali sulla Sensoristica per il Monitoraggio di Ponti e Viadotti Parte 3: USA, Studio della Federal Highway Administration (FHWA) su Tecniche innovative per Controlli non Distruttivi

Di recente, il Team PIARC Italia ha svolto un lavoro di analisi bibliografica internazionale sul monitoraggio dei ponti. Tale lavoro ha portato alla redazione di un documento intitolato “Best Practices Internazionali sulla Sensoristica per il Monitoraggio di Ponti e Viadotti” (qui per scaricare il documento completo), presentato in occasione del Convegno organizzato da PIARC dal titolo “Nuove Tecnologie Applicate al Monitoraggio e al Controllo dei Ponti” tenutosi il passato 23 Settembre 2021.

I sette casi studio considerati nell’ambito di tale analisi bibliografica internazionale verranno presentati singolarmente all’interno di questa Newsletter settimanale.

Stati Uniti d’America – USA, Studio della FHWA su  Tecniche innovative per Controlli non Distruttivi

I cavi post-tesi sono protetti dalla corrosione da una pellicola passiva formata nella malta cementizia, che serve anche come una barriera fisica per l’acqua, l’ossigeno e l’anidride carbonica. Tuttavia, si è scoperto che i cavi post-tesi contengono spesso carenze di malta, come malta separata e vuoti di malta che possono indicare aree ad alto rischio di corrosione. In altre parole, la suscettibilità alla corrosione di trefoli post-tesi altamente sollecitati nei cavi maltati aumenta man mano che la qualità della malta che circonda i trefoli diminuisce.

I ponti post-tesi negli Stati Uniti hanno sperimentato danneggiamenti ai cavi o gravi problemi di corrosione registrati dal 1999. Il 13 novembre 2009, l’Indiana Department of Transportation (INDOT) ha chiuso il ponte sulla Cline Avenue (SR-912) sopra l’Indiana Harbor Ship Canal dopo che un’ispezione di routine ha rivelato una significativa corrosione dei cavi di tensione in acciaio e dell’armatura all’interno delle travi a cassone a causa dell’acqua che si era infiltrata attraverso le crepe nell’impalcato del ponte. Dopo aver determinato che il livello di corrosione aveva compromesso l’integrità strutturale del ponte in modo irreparabile, l’INDOT decise di chiudere permanentemente e infine demolire l’intero ponte per costruirne uno nuovo.

Più recentemente, nel giugno 2020, dettagliate ispezioni sul Roosevelt Bridge a Stuart, in Florida, temporaneamente chiuso, hanno rivelato una grave corrosione e la rottura dei cavi d’acciaio nella parte più meridionale della campata sud del ponte, che aveva 23 anni.

Figura 1. Nel giugno 2020, un’ispezione sul Roosevelt Bridge in Florida, temporaneamente chiuso, ha rivelato corrosione e rottura dei cavi in acciaio. Qui viene mostrata la vista esterna del punto danneggiato. © Julian Leek / Alamy Live News, Alamy.com.

Tra le tecnologie di valutazione non distruttiva (NDE, Non-Destructive Evaluation), i metodi a base magnetica si sono evoluti fino a diventare tecniche promettenti per identificare la corrosione degli elementi metallici incorporati nelle strutture in calcestruzzo.

Uno studio di laboratorio durato 18 mesi condotto presso il laboratorio NDE della Federal Highway Administration (FHWA) ha sviluppato e valutato un prototipo a prova di fattibilità basato sul metodo del flusso di ritorno.

Sviluppo di una tecnica NDE per cavi post-tesi interni

Mentre la corrosione dei cavi può verificarsi sia nei cavi post-tesi esterni che in quelli interni, anche un attento monitoraggio dei cavi interni incorporati nel calcestruzzo può non rivelare problemi di corrosione finché non è troppo tardi.

“Man mano che i ponti post-tesi in servizio contenenti cavi interni invecchiano, cresce la necessità di metodi affidabili per valutare questo tipo di struttura.

Metodi efficaci di NDE possono certamete fornire un supporto”, sostiene Joseph Hartmann, Direttore dell’Ufficio Ponti e Strutture della FHWA. “Inoltre, riparare o sostituire i cavi post-tesi interni corrosi è complicato o, in molti casi, quasi impossibile in confronto a un lavoro simile per i cavi esterni”.

Per superare questi problemi e difficoltà nel campo, molte agenzie hanno impiegato tecnologie NDE come il georadar (o GPR, Ground Penetrating Radar), l’impact-echo, le onde ultrasoniche di superficie e la tomografia ultrasonica per ispezionare i cavi post-tesi interni. Tuttavia, le tecniche attuali possono essere in grado di rilevare alcuni tipi di carenze della malta ma non la corrosione dei componenti metallici stessi del cavo, e quindi rilevare le corrosioni metalliche è difficile e inconcludente.

La tecnologia del flusso di ritorno si è dimostrato in grado di rilevare la corrosione dei trefoli d’acciaio nei cavi interni post-tesi. Il laboratorio NDE della FHWA, in collaborazione con una società di costruzione di strutture, ha sviluppato il concetto del sistema di flusso di ritorno basato sul principio fondamentale del flusso principale magnetico: quando un materiale ferromagnetico, come i trefoli d’acciaio, è magnetizzato vicino a un livello di saturazione, la grandezza del flusso magnetico che entra nel materiale è proporzionale alla sua area trasversale. Se il danno da corrosione riduce l’area trasversale, il flusso magnetico diminuisce di conseguenza e proporzionalmente. Con questa tecnologia, i cavi interni incorporati nel calcestruzzo vengono magnetizzati utilizzando un magnetizzatore a giogo appositamente progettato ed il sistema misura il flusso di ritorno attraverso sensori multipli a effetto Hall e bobine di ricerca.

Il flusso magnetico principale viene misurato dopo aver avvolto un magnetizzatore intorno a un cavo post-teso esterno. Al contrario, il metodo del flusso di ritorno utilizza un magnetizzatore a due gioghi che viene posizionato sulla superficie del calcestruzzo direttamente sopra un cavo post-teso interno. Dopo aver magnetizzato il cavo interrato da un giogo al giogo opposto, i ricercatori possono misurare il flusso magnetico sul giogo di ritorno.

Poiché il calcestruzzo è essenzialmente un materiale non magnetico con una permeabilità magnetica relativa dell’unità, esso esercita un’influenza trascurabile sulle misurazioni magnetiche attraverso lo spazio, che può essere una copertura in calcestruzzo (clear concrete cover) nelle effettive strutture post-tese più un’intercapedine d’aria tra il fondo del giogo e la superficie del calcestruzzo.

Il team di ricerca ha condotto una simulazione numerica estensiva per massimizzare l’efficacia del sistema in termini di forza dei campi magnetici. Il prototipo finale consiste in una coppia di bobine di solenoide in serie posizionate tra due gioghi. Il magnetizzatore a solenoide è stato in grado di esercitare un forte campo magnetico attraverso le intercapedini d’aria e le diverse profondità della copertura in calcestruzzo.

C’è uno spazio intrinseco tra la coppia di gioghi e il calcestruzzo sopra i cavi interni, che influenza l’accuratezza della misurazione rilasciando il flusso attraverso l’aria. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno allungato la lunghezza delle bobine per minimizzare la perdita di flusso magnetico nell’aria, aumentando la resistenza nell’aria tra i gioghi. Il team ha scoperto che il diametro e la lunghezza ottimali delle bobine del solenoide sono rispettivamente 4,7 pollici (11,9 centimetri) e 20,6 pollici (52,3 centimetri).

“La valutazione delle condizioni dei trefoli precompressi incorporati e dei cavi di post-tensione nei ponti in cemento armato precompresso è uno dei problemi di prestazione dei ponti identificati ad alta priorità dal Long-Term Bridge Performance Program della FHWA e dai suoi investitori, principalmente i dipartimenti dei trasporti statali”, afferma il Dr. Jean Nehme, a capo del Long-Term Infrastructure Performance Team della FHWA. “Le prestazioni dei trefoli di precompressione incorporati e dei cavi post-tesi saranno valutati in dettaglio come parte del programma. Pertanto, questa tecnologia sarà utile per acquisire i dati necessari per valutare questi componenti”.

Il design del modello è diventato fondamentale per lo sviluppo del sistema. Il team di ricerca ha preso in considerazione le caratteristiche chiave di una tipica rete di travi a cassone segmentate contenenti cavi interni. Hanno incluso una copertura in calcestruzzo sufficiente tra il modello di un cavo interno e il magnetizzatore, due tipi di materiale per condotti (metallo e plastica), e barre di rinforzo orizzontali e verticali. Il team ha fabbricato due modelli di cavi. Ognuno poteva ospitare fino a 19 trefoli a 7 fili con diverse perdite trasversali simulate e una zona di ancoraggio reale composta da piastra a cuneo, piastra portante, tubo di transizione e un’armatura di confinamento a spirale in una configurazione realistica.

Risultati della ricerca

Il team ha valutato vari parametri di prova, come il flusso di ritorno e il flusso magnetico fuoriuscito, utilizzando bobine di ricerca posizionate strategicamente e sensori assiali e radiali a effetto Hall. Il prototipo ha rilevato con successo  il 15,3 per cento o più di perdita di sezione introdotta nei modelli di cavi interni circondati da armature verticali con spaziatura di 15 centimetri o maggiore e copertura in calcestruzzo inferiore a 18,8 centimetri per i condotti in metallo, e 16,3 centimetri per i condotti in plastica.

“Questi risultati iniziali sono promettenti”, sostiene Cheryl Richter, Direttrice dell’Ufficio per la Ricerca e lo Sviluppo delle Infrastrutture della FHWA, “e suggeriscono che il metodo del flusso di ritorno è attuabile come base per i sistemi NDE distribuibili sul campo per rilevare la perdita di sezione nei trefoli di post-tensione”.

Riferimenti ed Approfondimenti:

• https://highways.dot.gov/public-roads/spring-2021/magnetic-flux-methods-detecting-corrosion-post-tensioned-bridges;
• https://trid.trb.org/view/1439054