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Monitoraggio Strutturale SHM Tecnologie

L’importanza del Monitoraggio Strutturale e delle Tecnologie correlate

Mark Patrick, Mouser Electronics

Il monitoraggio strutturale (SHM – Structural Health Monitoring), pur essendo una prassi in vigore da oltre 30 anni, ha ricevuto un notevole impulso dai recenti progressi nel campo delle tecnologie IoT (Internet of Things). Nel corso dell’ultimo decennio, i livelli di complessità (dal punto di vista tecnologico) e di prestazioni dei sensori embedded sono cresciuti in maniera inversamente proporzionale alle loro dimensioni e costi. Parallelamente, l’evoluzione delle tecnologie wireless e delle piattaforme software basate su cloud hanno favorito lo sviluppo di una pluralità di nuove applicazioni in diversi settori.

Il settore dell’ingegneria civile è stato rapido a sfruttare le potenzialità di queste nuove tecnologie e in questo articolo verrà spiegato in che modo l’evoluzione della tecnologia IoT abbia contribuito ad ampliare il campo di applicazione e le dimensioni del mercato del monitoraggio strutturale. In un ambiente contraddistinto da una così rapida evoluzione, si aprono numerose opportunità per i fornitori di soluzioni, sia nuovi sia esistenti, che permettono loro di arrivare sul mercato in tempi brevi con offerte ottimizzate dal punto di vista dei costi. In questo articolo vengono riportati alcuni esempi di tecnologie IoT che possono essere utilizzate nelle soluzioni SHM.

SHM: concetti di base

Il termine SHM indica il monitoraggio continuo e diretto (on-board) di una struttura nel corso della sua vita operativa per mezzo di sistemi che integrano sensori, reti di trasmissione e software per l’analisi dei dati. Il monitoraggio SHM viene utilizzato per effettuare test e monitorare lo “stato di salute” e le prestazioni di strutture di grandi dimensioni, come ponti, edifici, dighe e stadi, oltre che di aeroplani e macchinari industriali.

I sistemi SHM acquisiscono informazioni circa lo stato attuale di una struttura monitorando parametri quali vibrazioni, deformazioni, sollecitazioni e altri fenomeni fisici. I dati raccolti vengono analizzati da sistemi di elaborazione avanzati, basati sempre più sull’intelligenza artificiale (IA), che identificano e localizzano le aree danneggiate e inviano tutte le necessarie informazioni agli algoritmi di manutenzione predittiva. Il monitoraggio strutturale viene utilizzato insieme ad altri metodi di collaudo non distruttivi (NDT – Non-Destructive Testing) per ridurre il ricorso a ispezioni fisiche, minimizzando i costi necessari per garantire la sicurezza e prolungare la vita della struttura.

Monitoraggio strutturale: un mercato in continua crescita

I dati forniti da Grand View Research indicano che il mercato globale del monitoraggio strutturale, stimato pari a 2,66 miliardi di dollari nel 2022, è destinato a crescere a un tasso pari al 18,8% su base annua nel periodo compreso tra il 2023 e il 2030 (Figura 1). [Rif. 2] Il mercato può essere suddiviso in base all’applicazione: i settori principali sono ponti e dighe, edifici e stadi, navi e piattaforme, strutture aeree e turbine eoliche, grandi macchine e attrezzature. Ponti e dighe sono attualmente il segmento più importante, con una quota del 32,6% dell’intero mercato nel 2022, a causa del crescente numero di ponti ormai datati che evidenziano carenze a livello strutturale.

Figura 1: Il mercato globale del monitoraggio strutturale è destinato a crescere a un tasso del 18,8% su base annua nel periodo 2023 – 2030.
(Fonte: Grand View Research, modificata da Mouser Electronics)

Il mercato del monitoraggio strutturale non mostra segni di rallentamento poiché la domanda di soluzioni SHM continua a crescere, trainata da 5 MEGATREND:

  • 1. Rapida espansione delle INFRASTRUTTURE su scala globale
    Per qualsiasi Paese, le infrastrutture civili sono un motore fondamentale della crescita economica e sono essenziali per migliorare le condizioni di vita nel loro complesso. L’incremento, sempre su scala globale, dei progetti infrastrutturali in diversi settori industriali sta alimentando la domanda di sistemi SHM, creando notevoli opportunità per produttori e fornitori di soluzioni.
  • 2. INVECCHIAMENTO delle infrastrutture
    Si tratta di un fenomeno inevitabile per edifici e infrastrutture con il trascorrere del tempo. Solo negli Stati Uniti, recenti studi hanno riportato un sensibile aumento del numero di dighe e ponti che necessitano di riparazioni. Poiché queste strutture continuano a invecchiare e le loro condizioni si deteriorano sempre più, ASCE (American Society of Civil Engineers) ha sottolineato la necessità di ricorrere a una rete di sensori per monitorare le strutture. [Rif. 3]
  • 3. Eventi METEOROLOGICI estremi
    Disastri naturali come terremoti, uragani e incendi boschivi in numerosi casi hanno prodotti danni, anche ingenti, alle infrastrutture essenziali, con conseguenti effetti negativi sulla vita delle persone e il benessere economico. A causa della sempre maggior frequenza con la quale si verificano eventi meteorologici estremi, aumenta la domanda di sistemi SHM per il monitoraggio di infrastrutture come reti elettriche, edifici, strade e ponti.
  • 4. Normative e SICUREZZA
    I governi di tutto il mondo stanno cercando di contrastare le carenze delle infrastrutture con l’emanazione di norme e standard più severi, incoraggiando l’adozione di sistemi SHM, un ulteriore incentivo alla crescita del mercato.
  • L’evoluzione della TECNOLOGIA IoT
    La diminuzione dei costi dell’elettronica ha favorito l’avvento di un’ampia gamma di tecnologie ad alte prestazioni che rappresentano la base di IoT e risultano facilmente adattabili per supportare i processi del monitoraggio strutturale. Minuscoli sensori basati sulla tecnologia MEMS (Micro Electro Mechanical System) eseguono il monitoraggio di una pluralità di parametri e possono essere integrati non solo in strutture, automobili e dispositivi indossabili, ma anche nel corpo umano. Questi dispositivi embedded ubicati alla periferia della rete sono spesso integrati con microprocessori ad alte prestazioni e moduli di comunicazione wireless. Mentre una sempre maggiore potenza di elaborazione viene “compressa” in dispositivi sempre più compatti, l’elaborazione cloud-edge consente di eseguire sofisticati algoritmi di intelligenza artificiale (AI) e di apprendimento automatico (ML) alla periferia della rete, riducendo i tempi richiesti per l’analisi e il conseguente processo decisionale.

In questo dinamico mercato esistono notevoli opportunità e la sfida per gli operatori, sia quelli esistenti sia quelli che si affacciano per la prima volta in questo settore, è scegliere la tecnologia più adatta per soddisfare le specifiche esigenze del monitoraggio strutturale. Le problematiche, comunque, non si esauriscono qui. Uno sviluppatore esperto sa come sfruttare la catena di fornitura (supply chain) per ridurre il time to market e ottimizzare i costi.

Il ruolo dei Sensori e della Tecnologia nel monitoraggio strutturale

La rapida affermazione di IoT ha prodotto un’ondata di innovazione senza precedenti nel settore dell’elettronica e gli sviluppatori di soluzioni per il monitoraggio strutturale hanno accesso a un numero virtualmente illimitato di moduli e componenti. Oltre a ciò, la maggior parte dei produttori di semiconduttori propone ai propri utenti un’ampia gamma di tool, tra cui moduli pre-certificati, ambienti di sviluppo, schede di valutazione, progetti di riferimento e librerie software, che risultano particolarmente utili per accelerare la fase di sviluppo.

I sensori per il monitoraggio strutturale misurano diversi parametri relativi allo stato della struttura, unitamente a fattori ambientali quali sollecitazioni, deformazione, vibrazioni, inclinazione, umidità e temperatura. Gli sviluppatori di soluzioni per il monitoraggio strutturale hanno a disposizione un’ampia gamma di sensori, che rientrano tipicamente in queste cinque categorie:

  • Gli ESTENSIMETRI sono preposti al monitoraggio di variabili quali carichi, compressione, tensione, flessione e torsione di una struttura. Essi sono ampiamente utilizzati nei sistemi SHM progettati per monitorare strutture soggette a carichi pesanti, come ponti, cavalcavia ed edifici.
  • I sensori per il RILEVAMENTO DELLE CREPE effettuano il monitoraggio della posizione e della lunghezza delle crepe nelle strutture in calcestruzzo, tra cui strade, edifici e gallerie. Le lesioni in queste strutture possono indicare un problema di fondo e qualsiasi movimento in queste crepe può essere un indice di problemi di maggiore entità.
  • I sensori di VIBRAZIONI come gli accelerometri embedded della serie LVEP-TO5 di Amphenol Wilcoxon eseguono il monitoraggio della forza di gravità esercitata su una struttura. Le variazioni delle vibrazioni possono segnalare un problema imminente in una struttura o in un’apparecchiatura. I dispositivi di questa serie si distinguono per l’elevata sensibilità, che può arrivare a 50 mV/g per il mod. LVEP050. Grazie al bassissimo consumo, che può essere di soli 80 μW, questi dispositivi possono essere integrati senza problemi in sensori di vibrazioni wireless alimentati a batteria.
  • Gli INCLINOMETRI, noti anche come sensori di inclinazione, utilizzano la tecnologia MEMS per monitorare lo slittamento di terrapieni, pilastri, spalle (di ponti) e muri di sostegno. La serie di inclinometri SCL3300 di Murata Electronics (Figura 2) assicura eccellenti caratteristiche per quanto concerne la misura dell’inclinazione. Tra le principali si possono annoverare elevata accuratezza, misure su tre assi ed elevata resistenza alle sollecitazioni. Grazie a quattro modalità di misura selezionabili all’utente, questo dispositivo a basso rumore può essere ottimizzato in maniera molto semplice per soddisfare le esigenze di differenti applicazioni. Il basso assorbimento di corrente, pari a 3 μA (valore tipico) in modalità “sleep”, ne consente l’uso in applicazioni alimentate a batteria.
  • I PIEZOMETRI vengono solitamente impiegati per monitorare la pressione dei fluidi o dell’acqua di falda in argini, pozzi, tubi di livello, serbatoi e cisterne. Poiché l’acqua può provocare danni di notevole entità quando scorre al di fuori dei percorsi prefissati o esercita una pressione troppo elevata, il monitoraggio dell’acqua riveste un’importanza fondamentale nel monitoraggio strutturale.

Figura 2: Gli inclinometri della serie SCL3300 di Murata Electronics permettono di effettuare misure di inclinazione estremamente accurate. (Fonte: Mouser Electronics)

Rilevatori di resistenza e temperatura, termocoppie, celle di carico, sensori a fibre ottiche e sensori di emissione acustica sono altre tipologie di sensori utilizzati nell’ambito del monitoraggio strutturale.

Altri tipi di Tecnologie utilizzate per il Monitoraggio Strutturale

Se i sensori rappresentano i componenti chiave di interfaccia (front-end), altre tecnologie IoT rivestono un ruolo altrettanto importante in un sistema completo per il monitoraggio strutturale. Tra le principali si possono annoverare le comunicazioni wireless e i microcontrollori (MCU). 

Comunicazioni Wireless

Le comunicazioni wireless permettono di eliminare il ricorso a cablaggi ingombranti e costosi, garantendo la massima flessibilità nel posizionamento dei sensori. I diversi protocolli wireless sviluppati nel corso degli anni si sono evoluti per supportare le esigenze di svariate applicazioni. Il protocollo LPWAN (Low Power WAN), per esempio, è destinato ad applicazioni che prevedono la trasmissione di quantità di dati relativamente piccole su lunghe distanze. Esso rappresenta la soluzione ideale per sensori alimentati a batteria posizionati in luoghi remoti e difficilmente accessibili. Bluetooth® Low Energy è un altro protocollo a basso consumo molto diffuso, in grado di supportare velocità di trasmissione dati più elevate, mentre Wi-Fi® 6E garantisce velocità effettive di trasferimento dati (throughput) e ampiezze di banda in grado di soddisfare le esigenze di applicazioni SHM che richiedono grandi quantità di dati. Sebbene più costose, le tecnologie cellulari assicurano i livelli di sicurezza legati all’utilizzo di uno spettro coperto da licenze. Parecchi produttori offrono moduli di comunicazione che supportano due o più protocolli wireless (per esempio Wi-Fi e Bluetooth Low Energy oppure 5G e Wi-Fi).

Elaborazione alla periferia della rete

La continua riduzione delle dimensioni dei componenti ha favorito la diffusione di microcontrollori che possono essere integrati nell’interfaccia delle soluzioni per il monitoraggio strutturale. Dispositivi Arm ® multi-core sono ora in grado di eseguire programmi software che un tempo richiedevano le risorse di elaborazione tipiche di un data center. In ogni caso, i tradizionali dispositivi a 8 bit continuano a essere uno dei componenti fondamentali delle applicazioni IoT, garantendo semplicità di programmazione e bassi consumi, grazie alla disponibilità di numerose modalità di “sleep”, che ne favoriscono l’impiego nelle applicazioni alimentate a batteria. Sono anche disponibili SoC (System on Chip) ad alte prestazioni che integrano funzionalità tipiche dei microcontrollori e numerose altre risorse sotto forma di periferiche e opzioni di connettività wireless.

Altre applicazioni di ingegneria civile

Il monitoraggio strutturale non è l’unica tipologia di applicazione nel campo dell’ingegneria civile che può trarre notevoli vantaggi dall’adozione della tecnologia IoT. I sensori possono essere impiegati per il tracciamento delle risorse nei cantieri, contribuendo a ridurre i furti e il tempo richiesto per la ricerca dei materiali. L’unità di misura inerziale (IMU) OpenIMU300RIdi ACEINNA (Figura 3) può essere installata per monitorare l’utilizzo e le prestazioni dei macchinari edili, in modo da consentire la manutenzione predittiva e ridurre così i tempi di fermo (downtime). Ideale per piattaforme di veicoli che utilizzano tensioni a 12 e 24 V, questo robusto dispositivo inerziale a 9 gradi di libertà (DOF – Degree of Freedom) può essere integrato nei sistemi di monitoraggio dei veicoli da cantiere per migliorare l’acquisizione di dati quali velocità, velocità di rotazione, direzione, inclinazione e accelerazione.

Figura 3: L’unità di misura inerziale OpenIMU300RI di ACEINNA può essere utilizzata per monitorare l’utilizzo e le prestazioni delle macchine da cantiere. (Fonte: Mouser Electronics)

I sensori IoT possono anche monitorare il flusso del traffico e la congestione nelle aree urbane, e sono adottati in misura sempre maggiore nelle cosiddette “città intelligenti”, in applicazioni quali monitoraggio dei cantieri, gestione del traffico, gestione delle acque e monitoraggio ambientale. La tecnologia IoT, in particolare, è sempre più diffusa nelle ultime due applicazioni, dove i sensori controllano variabili come perdite, qualità delle acque e dell’aria, livelli di rumore e condizioni meteorologiche.

Considerazioni conclusive

La diffusione dei sistemi per il monitoraggio strutturale procede rapidamente per soddisfare una pluralità di esigenze che spaziano dalla necessità di supportare in maniera adeguata il sempre maggior numero di progetti di nuove infrastrutture al controllo costante degli inevitabili fenomeni di invecchiamento e deterioramento delle infrastrutture esistenti come dighe e ponti. Questa espansione del monitoraggio strutturale è favorita dall’evoluzione delle tecnologie IoT, che prevedono il ricorso a sensori, comunicazioni wireless e capacità di elaborazione integrate.

I sensori avanzati basati sulla tecnologia MEMS, come accelerometri, inclinometri ed estensimetri, sono i componenti ideali per soddisfare i requisiti dei sistemi SHM. L’ingegneria civile va ad aggiungersi al crescente numero di settori che sfruttano le potenzialità dell’IoT per migliorare la sicurezza e aumentare l’efficienza di una tecnologia “mission-critical” come il monitoraggio strutturale.

Redazione Fare Elettronica