Un carico assiale crescente lascia un’impronta riconoscibile nello spettro di conduttanza elettrica di un appoggio in gomma laminata strumentato con elementi piezoelettrici: i picchi delle curve tendono a innalzarsi e l’indice RMSD cresce in modo monotono rispetto allo stato iniziale. È il quadro sperimentale documentato in un lavoro pubblicato su Infrastructures (MDPI, doi 10.3390/infrastructures11100348), firmato da Honglei Mei, Binze Wang, Jiayuan Qian, Huijuan Chang, Bohan Ma, Fei Wang e Jing Zhou e dedicato alla valutazione dello stato di carico statico degli appoggi elastomerici laminati con la tecnica dell’impedenza elettromeccanica.
Uno stato di carico critico, pochi metodi per misurarlo
Lo stato di carico statico degli appoggi da ponte è determinante per la sicurezza strutturale, eppure le tecniche di rilevamento efficaci restano scarse. Da questa lacuna prende le mosse la ricerca, che propone un approccio di valutazione in laboratorio fondato sull’impedenza elettromeccanica (EMI, Electromechanical Impedance) e applicato ad appoggi in gomma laminata.
Nel metodo EMI un elemento piezoelettrico accoppiato alla struttura fa parte di un sistema elettromeccanico la cui risposta elettrica rispecchia lo stato meccanico dell’insieme. Lo spettro di conduttanza misurato sul trasduttore diventa così una grandezza osservabile, correlata alle condizioni di carico dell’appoggio.
Il disegno sperimentale: tre variabili e un indicatore statistico
Il programma di prove prevede caricamenti statici con acquisizione dei segnali secondo il metodo ad impedenza. L’impostazione è costruita per isolare l’influenza di tre fattori sul segnale di conduttanza elettrica: l’entità del carico applicato, la geometria dell’elemento ceramico piezoelettrico e lo schema di connessione del circuito.
La valutazione dello stato portante non si affida a un singolo valore di picco, ma agli indicatori statistici estratti dalle curve spettrali di conduttanza. Il parametro principale è il Root Mean Square Deviation (RMSD), che quantifica lo scostamento dello spettro acquisito rispetto a quello registrato sul sensore nello stato integro.
Conduttanza e carico: un legame sistematico
L’impedenza elettromeccanica accoppiata degli appoggi varia in modo sistematico con il carico statico. I picchi delle curve di conduttanza mostrano una tendenza generale alla crescita, intervallata da eccezioni locali occasionali. Più significativo ai fini del monitoraggio è l’andamento dell’RMSD: calcolato sul sensore integro, l’indice cresce in maniera monotona al crescere del carico. Nel setup di laboratorio esaminato, la sensibilità della tecnica EMI alle variazioni del carico assiale risulta quindi dimostrata.
Geometria del piezoelettrico e cablaggio pesano sulla sensibilità
Forma e orientamento del trasduttore condizionano l’ampiezza della risposta. Tra le configurazioni esaminate, l’elemento rettangolare disposto in direzione longitudinale si è rivelato il più sensibile, con un valore massimo di RMSD pari al 36,6%, davanti agli elementi circolari e a quelli orientati trasversalmente.
Incide anche la connessione elettrica. Per gli appoggi testati e per la sequenza di carico applicata, il collegamento diretto ha prodotto la sensibilità più elevata, mentre gli schemi in parallelo e in serie riducono la reattività della misura.
Due riferimenti RMSD per gli appoggi D250
Dai risultati viene costruita una prima scala di lettura per il sensore integro, articolata su due livelli di RMSD preliminari e indicativi, definiti in condizioni di laboratorio controllato per gli appoggi D250.
| Pressione | Carico assiale | RMSD indicativo, sensore integro |
|---|---|---|
| 2 MPa | 90,5 kN | circa 3,5% |
| 10 MPa | 452 kN | circa 12,5% |
L’ambito di validità è quello dichiarato: valori di riferimento ricavati in laboratorio, su specifici appoggi e lungo una determinata sequenza di caricamento. L’estensione ad altri contesti non rientra nello studio.
Il contributo più solido per la pratica resta la quantificazione, su un caso di laboratorio delimitato, del legame tra carico assiale e risposta di impedenza di un appoggio laminato: una base di partenza per lo sviluppo del monitoraggio non distruttivo dello stato di salute degli appoggi da ponte.
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