Un accelerometro strutturale è il sensore che ti dice come una struttura si muove davvero sotto i carichi che sopporta ogni giorno. Elementi come il traffico, il vento, il passaggio di un treno e un piccolo terremoto eccitano tutti la struttura, e il modo in cui risponde porta con sé la firma della sua condizione attuale.

Cosa misura un accelerometro strutturale

L'accelerazione si esprime in g (1 g = 9,81 m/s²) o in frazioni di g, e la risposta dinamica di un impalcato sotto traffico ambientale si colloca nell'ordine dei milli-g. Su un elemento rigido e poco caricato, invece, insegui accelerazioni di pochi centesimi di g o meno. Il monitoraggio dei ponti lavora regolarmente con ampiezze fino a 0,04 g e oltre verso il basso.

La maggior parte degli accelerometri strutturali è triassiale. Riportano l'accelerazione lungo tre assi ortogonali contemporaneamente, che è ciò che serve su una struttura che torce, oscilla e rimbalza in direzioni che in fase di progetto non avevi del tutto previsto.

Alcuni accelerometri rispondono fino alla DC, cioè leggono la componente statica dell'accelerazione, compresa la spinta costante della gravità. Altri sono accoppiati in AC e vedono solo la parte dinamica. Per il lavoro modale sulle infrastrutture ti interessa la banda dinamica, tipicamente da una frazione di hertz fino a qualche decina di hertz, perché è lì che trovi i modi strutturali delle grandi opere civili. Le frequenze naturali di ponti ed edifici cadono in genere nella finestra 0,1 a 10 Hz.

Come funziona

In un accelerometro, una massa di prova nota è sospesa su un elemento cedevole, e quando l'involucro accelera, la massa resta indietro. Quel moto relativo viene trasdotto in un segnale elettrico proporzionale all'accelerazione. Le differenze tra le tecnologie di accelerometro sono differenze nel modo in cui la massa è sospesa e nel modo in cui il moto viene letto.

In un dispositivo MEMS la massa di prova è una struttura di silicio larga pochi micrometri, sospesa su molle di silicio e letta in modo capacitivo. Sposti la massa e cambia il gap tra una serie di dita interdigitate, e quella variazione di capacità diventa una tensione. L'intero sensore è inciso su un chip, compensato in temperatura in fabbrica, e funziona con pochi microwatt.

La sensibilità meccanica di un accelerometro scala in modo inversamente proporzionale al quadrato della sua frequenza di risonanza. Alzi la frequenza di risonanza per avere più banda e perdi sensibilità nella stessa misura, il che alza il rumore di fondo relativo alle basse frequenze che ti interessano davvero.

I principali tipi di accelerometro strutturale

Quattro principi di misura coprono quasi tutto ciò che incontrerai su una struttura. Si distinguono per come è sospesa la massa di prova, se rispondono fino alla DC, e dove si collocano sulla curva rumore-costo.

MEMS capacitivo

Una massa di prova di silicio su molle di silicio, letta come variazione di capacità. Rispondono fino alla DC, funzionano con pochi microwatt, tollerano vibrazioni e trasporto, e arrivano già compensati in temperatura dalla fabbrica. I componenti a basso rumore raggiungono oggi la classe dei µg. È lo standard per il monitoraggio strutturale civile e copre la grande maggioranza delle installazioni wireless permanenti.

Piezoelettrico (IEPE)

Un cristallo genera carica quando la massa di prova lo sollecita. Mantengono un rumore di fondo molto basso su un'ampia banda e sono il riferimento per il lavoro ad alta frequenza, bassa ampiezza e di laboratorio. Sono accoppiati in AC, quindi non vedono le componenti statiche o quasi-DC, e richiedono alimentazione a corrente costante e cablaggio, ed è questo che li tiene legati alle installazioni cablate.

Piezoresistivo

Un elemento flessibile micro-lavorato porta un ponte estensimetrico la cui resistenza varia con l'accelerazione. Rispondono fino alla DC e gestiscono bene gli eventi ad alti g e di lunga durata, il che li rende lo strumento per la misura di impatto, urto ed esplosione. Alle ampiezze nell'ordine dei milli-g che produce un ponte tranquillo, la loro sensibilità è di solito troppo bassa per essere il sensore SHM primario.

Force-balance (servo)

Un pendolo è tenuto a zero da un anello di retroazione chiuso, e la corrente necessaria a tenerlo è l'uscita. Le prestazioni alle basse frequenze e in DC sono eccellenti e il rumore di fondo è molto basso, ed è per questo che sono il riferimento per la sismologia da strong-motion e per le reti strutturali di fascia alta. Sono costosi ed energivori, e fuori scala per una rete wireless di routine.

Per l'SHM civile permanente il confronto realistico è tra MEMS capacitivo e piezoelettrico IEPE, ed è la scelta che la prossima sezione approfondisce.

MEMS vs piezoelettrico

Non esiste una tecnologia di accelerometro migliore in assoluto, esiste quella che calza meglio sull'installazione. Per l'SHM civile permanente, la nostra posizione in Move è che il MEMS wireless sia il default corretto, e il resto di questa sezione spiega perché lo sosteniamo e dove saremmo i primi a contraddirci.

MEMS

Gli accelerometri MEMS sono piccoli, a basso consumo, tolleranti alle vibrazioni e abbastanza economici da strumentare una struttura in più punti senza mettere sotto pressione il budget. I componenti moderni a basso rumore colmano gran parte del divario storico di prestazioni. In test su ponte fianco a fianco, un nodo MEMS ha eguagliato un riferimento piezoelettrico IEPE ad alta sensibilità entro una frazione di punto percentuale sulle frequenze naturali identificate, a una frazione del costo e del consumo. Per un sensore che deve restare su una pila per dieci anni e sopravvivere a batteria, il basso consumo è assolutamente cruciale, perché mantiene la continuità di campionamento e riduce la necessità di mandare operatori a cambiare la batteria.

Piezoelettrico (IEPE)

Un accelerometro piezoelettrico genera carica quando un cristallo viene sollecitato dalla massa di prova. Questi sensori mantengono un rumore di fondo molto basso su un'ampia banda di frequenza e restano il riferimento per il lavoro ad alta frequenza e bassa ampiezza e per la caratterizzazione di livello laboratorio. Sono accoppiati in AC, quindi non vedono le componenti statiche o quasi-DC, e vogliono alimentazione a corrente costante e cablaggio. Ecco perché questi sensori non sono ideali per un sistema di retrofit wireless lungo un viadotto da 300 metri.

Dall'accelerazione grezza all'insight strutturale

L'analisi standard per le infrastrutture in esercizio è l'analisi modale operativa (OMA), che estrae i parametri modali di una struttura dalla sua risposta alla sola eccitazione ambientale, senza shaker e senza input controllato. Traffico, vento e microtremori fanno da eccitazione, e gli algoritmi (frequency-domain decomposition, stochastic subspace identification) recuperano i modi.

L'analisi modale ti restituisce un insieme di frequenze naturali, le forme modali e i rapporti di smorzamento, che indicano la rigidezza. Quando questa rigidezza diminuisce, per fessurazione, corrosione, bloccaggio di un cuscinetto o fatica, le frequenze naturali della struttura calano e le forme modali si distorcono nella regione interessata. Il monitoraggio in continuo trasforma questa fisica in un segnale gestibile. Tracci le frequenze modali nei mesi e negli anni e osservi il trend generale.

Le campagne in campo hanno documentato riduzioni graduali di circa il 5% nelle prime frequenze naturali di una struttura su un periodo di monitoraggio prolungato. Ovviamente è esattamente il tipo di deriva lenta che un ispettore in piedi sull'impalcato non sentirà. Un'identificazione modale su un ponte reale può estrarre le prime frequenze di modo con errori relativi nell'ordine delle unità percentuali, abbastanza stretti da rendere significativo uno scostamento di pochi punti percentuali invece che rumore.

Dove si usano gli accelerometri strutturali?

Ponti e viadotti

L'impalcato del ponte è l'applicazione classica per un accelerometro. Una rete di accelerometri triassiali in mezzeria e ai quarti di campata cattura i modi verticali, laterali e torsionali, e tracciare quei modi nel tempo rivela uno scalzamento invisibile al piede di una pila, un cuscinetto bloccato o una fatica in sviluppo. Sul Chetwynd Bridge, nel Regno Unito, abbiamo condotto monitoraggio modale wireless in continuo esattamente di questo tipo, e sul ponte Zambeccari, in Italia, sono stati gli accelerometri wireless a guidare l'analisi modale. Sul Bridge of the Gods, una storica travata a sbalzo che scavalca il fiume Columbia, lo stesso approccio SHM wireless è stato applicato a una struttura dove tirare i cavi sarebbe stato un progetto a sé.

Edifici e risposta sismica

Sugli edifici, gli accelerometri misurano la risposta a vento e terremoti. Mettili su più piani e ricostruisci il drift di interpiano e i primi modi traslazionali e torsionali dell'edificio, e dopo un evento sismico la variazione di quei parametri modali e dei rapporti di smorzamento è un indicatore diretto e quantitativo di un'eventuale perdita di rigidezza della struttura. È la base della valutazione rapida post-sisma, dove la decisione se rioccupare o evacuare non può aspettare un lento sopralluogo manuale.

Strutture storiche

Su campanili e monumenti, gli accelerometri caratterizzano il comportamento dinamico della struttura attraverso test di vibrazione ambientale, tracciando come le sue frequenze naturali rispondono a vento, traffico e cantieri vicini, e segnalando la perdita di rigidezza prodotta dalla fessurazione della muratura. I siti storici sono più esigenti sugli strumenti in sé, perché richiedono che tutti i dispositivi siano piccoli, non invasivi e rimovibili. A Odesa, in Ucraina, una squadra di ingegneri volontari guidata da Emmanuel Durand ha usato i sensori wireless Move e la piattaforma MyMove per monitorare siti storici vulnerabili durante la guerra, catturando sia le vibrazioni legate al conflitto sia i trend più lenti su strutture in cui nessuno vuole forare canaline per i cavi.

Come leggere il datasheet di un accelerometro

Tre numeri decidono se un accelerometro strutturale funzionerà sulla tua struttura.

La densità di rumore, in µg/√Hz, è il primo da leggere. Ti dice la più piccola accelerazione che il sensore può risolvere in una data banda, e su una struttura civile tranquilla è cruciale per riuscire a distinguere il rumore ambientale dal modo della struttura.

Sensibilità e banda vanno lette insieme, per via della relazione inversa al quadrato che le lega. Un sensore pubblicizzato con una banda molto ampia ha quasi certamente sacrificato la sensibilità alle basse frequenze per ottenerla, che è il compromesso sbagliato per un modo di ponte a 2 Hz. Adatta la banda utile all'intervallo modale della tua struttura.

Il terzo è la dinamica, l'ampiezza tra il rumore di fondo e il valore di fondo scala. L'SHM civile vuole un rumore di fondo basso molto più di un fondo scala alto, perché il segnale di tutti i giorni è minuscolo e un terremoto una volta ogni dieci anni è l'unica cosa che si avvicina al fondo scala. Anche la calibrazione conta qui. I sensori usati per misure di riferimento sono calibrati con metodi tracciabili secondo la ISO 16063, che fissa le procedure di calibrazione per i trasduttori di vibrazione e urto, e in pratica questo è la differenza tra un numero che puoi difendere in gara e uno che non puoi.

Come Move installa gli accelerometri sui ponti

Il DECKAXE-SHM è il nostro accelerometro wireless triassiale, costruito per l'analisi modale su ponti e grandi strutture, con campionamento selezionabile da 40 a 640 Hz e compatibilità nativa con il Modal Analysis Tool in MyMove, che calcola frequenze modali, forme modali e smorzamento dai dati della rete. Il sensore e l'elaborazione sono progettati come un'unica pipeline, non assemblati dopo.

Una prima installazione tipica su un ponte di campata media è di quattro-otto accelerometri triassiali in mezzeria e ai quarti di campata, più un inclinometro per pila per cogliere la lenta storia rotazionale che l'accelerometro non può. Puoi sempre infittire dopo, una volta che il gestore dell'opera si fida dei dati.

I sistemi wireless si installano più velocemente e con un budget molto più ridotto, perché una rete di accelerometri cablata su un viadotto esistente seppellisce il costo del sensore sotto settimane di opere civili, e nella grande maggioranza dei retrofit il cablaggio è semplicemente antieconomico. Un nodo MEMS wireless incollato o imbullonato all'impalcato, che comunica via LoRaWAN verso un singolo gateway, riduce questa tempistica e permette a una squadra di due persone di strumentare una campata in un giorno. C'è anche una spinta normativa dietro tutto questo. Le Linee Guida ponti CSLP / MIT 2020 italiane definiscono un requisito di monitoraggio dinamico per i ponti con Classe di Attenzione più alta, con un orizzonte di adeguamento che sta portando i gestori di tutto il Paese a specificare reti di accelerometri permanenti invece di campagne una tantum.

Un limite onesto. Il monitoraggio in continuo con accelerometri non è sempre giustificato. Se una struttura non ha obblighi normativi, non ha deterioramento attivo, non ha lavori vicini che possano indurre vibrazioni, e ha un regime di ispezione visiva che viene davvero rispettato, ti diremo di lasciar perdere. I sensori colgono la lenta deriva modale e i sovraccarichi transitori. Gli ispettori colgono la corrosione nascosta e il danno da errore umano. Servono entrambi, e una rete non sostituisce qualcuno di competente che cammina sulla struttura.

Domande frequenti

Il MEMS è una buona scelta, o serve ancora il piezoelettrico per un ponte?

Per il monitoraggio modale permanente da vibrazione ambientale su strutture civili, un moderno nodo MEMS a basso rumore è una buona scelta, e i confronti in campo lo collocano entro una frazione di punto percentuale dai riferimenti piezoelettrici IEPE sulle frequenze identificate. Il piezoelettrico vince ancora per il lavoro ad alta frequenza e bassa ampiezza e per la caratterizzazione di laboratorio, ma il suo accoppiamento in AC e il cablaggio lo rendono inadatto a un'installazione wireless permanente.

Una rete di accelerometri può sostituire l'ispezione visiva?

No. Una rete coglie la lenta deriva modale e i sovraccarichi transitori che un ispettore non può sentire, mentre un ispettore coglie la corrosione nascosta, la perdita di sezione e il danno da errore umano che una frequenza modale non rivelerà. I quadri normativi codificano sempre più che servono entrambi.

Perché una frequenza naturale che cala significa danno?

Perché la frequenza naturale è funzione della rigidezza e della massa, e il danno strutturale si manifesta quasi sempre come una perdita di rigidezza. Fessurazione, corrosione, un cuscinetto bloccato o la fatica riducono tutti la rigidezza, il che abbassa le frequenze naturali e distorce le forme modali vicino alla regione interessata. Una deriva di pochi punti percentuali tracciata nel tempo è un allarme molto più precoce dell'attesa di una crepa abbastanza larga da vedersi.

Un accelerometro MEMS può misurare l'inclinazione statica, o serve un inclinometro a parte?

Un accelerometro MEMS in grado di leggere la DC sente tecnicamente il vettore gravità, ma la sua risoluzione vicino alla frequenza zero è troppo grossolana per seguire le rotazioni inferiori al millesimo di grado che contano su una pila che pende. Per inclinazione lenta e cedimenti vuoi un inclinometro dedicato. L'accelerometro è per la dinamica, l'inclinometro è per la lenta storia rotazionale, e una campagna seria li usa entrambi.

Quale singolo numero del datasheet devo controllare per primo?

La densità di rumore in µg/√Hz, letta nella banda di frequenza che la tua struttura occupa davvero. I modi civili sono a bassa frequenza e bassa ampiezza, quindi è il rumore di fondo, non il fondo scala né una banda larga pubblicizzata, a decidere se il sensore vedrà il segnale o no. Un datasheet che dichiara il rumore solo alle alte frequenze sta dichiarando il numero che lo fa apparire migliore.

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