Insieme alle macchine volanti e al teletrasporto istantaneo, ponti intelligenti, le strade e le linee della metropolitana che possono inviare avvisi in caso di danni sono elementi fondamentali dei sistemi di trasporto futuristici nella fantascienza.

Sandia National Laboratories ha lavorato con Structural Monitoring Systems PLC, un produttore con sede nel Regno Unito di sensori per il monitoraggio della salute strutturale, da oltre 15 anni per trasformare questa fantascienza in fatto scientifico. Hanno dotato un ponte degli Stati Uniti di una rete di otto sensori in tempo reale in grado di avvisare i tecnici della manutenzione quando rilevano una crepa o quando una crepa raggiunge una lunghezza che richiede una riparazione.

La prossima settimana, Lo scienziato senior di Sandia Dennis Roach presenterà il lavoro del suo team alla nona conferenza internazionale sulla manutenzione dei ponti, Sicurezza e gestione. La sua presentazione includerà dati su questo ponte di prova, una valutazione generale dei sensori utilizzati e la sua proposta su come rendere il monitoraggio della salute strutturale più di routine nelle infrastrutture di trasporto.

L'obiettivo del monitoraggio della salute strutturale è aumentare la supervisione delle aree critiche, prolungare la durata delle strutture e, infine, ridurre i costi operativi e migliorare la sicurezza. Per valutare le condizioni di un ponte o di un altro tipo di infrastruttura di trasporto, i sensori sono montati sulla struttura e i loro dati devono essere adeguatamente analizzati.

Nel 2016, più di 54, 000 ponti negli Stati Uniti sono stati classificati come "strutturalmente carenti" dal National Bridge Inventory della Federal Highway Administration. Ciò significa che circa il 9% dei ponti statunitensi necessita di un monitoraggio regolare. "Aree di difficile accesso o cose che si trovano a distanza come ponti, le condutture e altre strutture critiche presentano sfide significative per monitorare adeguatamente lo stato di salute della struttura o delle attrezzature, " ha detto Roach. "Una rete di sensori di monitoraggio della salute strutturale potrebbe essere una soluzione, o almeno contribuire a garantire la necessaria vigilanza su questi componenti".

Recentemente, Sandia e Sistemi di Monitoraggio Strutturale, che ha una presenza significativa in Nord America, ha collaborato con Delta Air Lines Inc. e la Federal Aviation Administration per ottenere la certificazione del settore dei sensori di monitoraggio comparativo del vuoto per il rilevamento di crepe sugli aerei commerciali. Il lavoro di Roach con il monitoraggio della salute strutturale per gli aerei commerciali è iniziato nel 2001 attraverso il Centro di assicurazione dell'aeronavigabilità della FAA, che è stato gestito da Sandia per la FAA dal 1990.

Sensori comparativi di monitoraggio del vuoto "infallibili"

Il sistema di monitoraggio della salute strutturale per il ponte di prova è costituito da otto sensori di monitoraggio comparativo del vuoto, una pompa a vuoto per formare il vuoto, un sistema di controllo per accendere la pompa del vuoto e controllare periodicamente i sensori e un dispositivo di trasmissione wireless per chiamare o inviare messaggi ai tecnici della manutenzione autonomamente se un sensore rileva una crepa. L'intero sistema è alimentato da una batteria agli ioni di litio, che viene ricaricato da un pannello solare.

I sensori sono stati posizionati lungo diverse saldature su un traliccio a 100 piedi sopra il ponte, o manto stradale pianeggiante, su un ponte sospeso.

I sensori di monitoraggio comparativo del vuoto prodotti da Structural Monitoring Systems sono realizzati in sottili, Teflon flessibile e hanno file di canaline, chiamate gallerie. Possono essere incollati su giunti o saldature critiche o posizionati vicino ad altri punti in cui è probabile che si formino crepe. Quando il metallo è intero, la pompa è in grado di rimuovere tutta l'aria dalle gallerie, formando un vuoto. Quando si forma una piccola crepa nel metallo sotto il sensore, non può più formare un vuoto, simile a come un aspirapolvere smette di funzionare quando il tubo ha una perdita. Questi sensori possono rilevare crepe più piccole dello spessore di una monetina.

I sensori possono essere prodotti in molte forme diverse, a seconda della regione che deve essere monitorata, ad esempio attraverso una saldatura lunga o attorno a una serie di bulloni. Possono anche essere posizionati in serie davanti a una minuscola fessura, per vedere se cresce e in caso affermativo, quanto velocemente. Ogni sensore ha numerose gallerie di controllo e hardware di monitoraggio in modo che possa dire se c'è qualcosa di sbagliato nel sensore o nei tubi di collegamento. A causa di queste gallerie di controllo, i sensori sono praticamente infallibili.

Henry Kroker, un ingegnere dei sistemi di monitoraggio strutturale che ha svolto un ruolo chiave nel progetto di monitoraggio del ponte, disse, "I sensori comparativi per il monitoraggio del vuoto forniscono un'elegante 'Luce verde, Metodo Red-Light' per il rilevamento costante di componenti critici. In molti anni di prova e uso permanente nell'industria aeronautica e ora civile, questi sensori non hanno prodotto false chiamate."

Futuro del monitoraggio della salute strutturale

Il lavoro del team sull'infrastruttura intelligente è iniziato nel 2005 attraverso un progetto di ricerca e sviluppo diretto da un laboratorio sponsorizzato da Sandia. Il progetto ha esplorato l'utilizzo di sensori montati e il trasferimento di dati wireless per monitorare continuamente un'ampia gamma di strutture civili che vanno dalle attrezzature minerarie pesanti ai sistemi ferroviari e ai ponti. Questi sensori possono monitorare lo stato di salute di strutture e dispositivi meccanici rilevando la presenza di corrosione e cricche e persino la condizione di parti mobili critiche.

Roach e il suo team utilizzano anche sensori piezoelettrici, fibre ottiche e sensori a correnti parassite stampati per il monitoraggio della salute strutturale. Sensori a correnti parassite stampati, una tecnologia brevettata da Sandia, può essere installato su superfici curve e utilizzare le variazioni di un campo magnetico per rilevare le crepe. D'altra parte, una rete di sensori piezoelettrici può monitorare una vasta area invece di poche patch. Ogni sensore, a turno, invia una vibrazione attraverso il materiale sottostante che gli altri sensori ricevono. Crepe o altri danni all'interno della rete di sensori modificano il "passo" di queste vibrazioni. Però, questi cambiamenti di tono sono più complessi dei risultati "sì" o "no" dei monitor del vuoto. Il monitoraggio comparativo del vuoto è pronto e certificato per l'uso commerciale, le altre tecnologie sono ancora in fasi diverse di test di laboratorio e sul campo.

Tom Riso, l'ingegnere di prova meccanico incaricato di testare vari sistemi di monitoraggio della salute strutturale, ha dichiarato "In 15 anni di test sui sensori di monitoraggio comparativo del vuoto, hanno raggiunto un eccezionale track record per la produzione di monitoraggio affidabile della salute strutturale. Una volta incorporati in più sistemi, nelle aree di interesse, farà solo aeroplani, treni e ponti più sicuri col passare del tempo."

Il monitoraggio della salute strutturale è particolarmente utile per le aree difficili da raggiungere o remote, ma non è una panacea per tutte le esigenze di ispezione, ha detto Roach. "Ci sono ancora molte volte in cui vuoi un essere umano lì dentro con una torcia o un'altra attrezzatura di ispezione, ragionando." Con questo avvertimento, ha aggiunto:"Il monitoraggio strutturale della salute sta solo iniziando a scalfire la superficie dei vari tipi di infrastrutture per cui potrebbe essere utilizzato".

Vagoni ferroviari e linee ferroviarie, navi, turbine eoliche, centrali elettriche, condotte remote, serbatoi di stoccaggio, veicoli, anche gli edifici potrebbero trarre vantaggio dal tempo reale, monitoraggio della salute strutturale a distanza. "Il settore delle infrastrutture civili sta diventando più consapevole dei benefici che il monitoraggio della salute strutturale può fornire ed è ora interessato a utilizzarli, " ha detto Roach.