I sensori wireless aprono nuove possibilità per il monitoraggio dei ponti

I ricercatori del College of Engineering della Drexel University hanno sviluppato un sistema di sensori wireless alimentato a energia solare in grado di monitorare continuamente la deformazione del ponte e potrebbe essere utilizzato per allertare le autorità quando le prestazioni del ponte si deteriorano in modo significativo. Con oltre 46.000 ponti in tutto il paese considerati in cattive condizioni, secondo l'American Society of Civil Engineers, un sistema come questo potrebbe essere sia un'importante misura di sicurezza, sia aiutare a valutare gli interventi di riparazione e manutenzione.

Il sistema, che misura la deformazione del ponte e funziona continuamente con energia fotovoltaica, è stato presentato in una recente edizione dell'IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics in un articolo scritto dai ricercatori del Drexel College of Engineering, Ivan Bartoli, PhD, Mustafa Furkan , PhD, Fei Lu, PhD, e Yao Wang, uno studente di dottorato del College.

"Con tutte le infrastrutture obsolete presenti negli Stati Uniti, abbiamo bisogno di un modo per tenere d'occhio queste risorse critiche 24 ore su 24, 7 giorni su 7", ha affermato Bartoli, che guida l'Intelligent Infrastructure Alliance presso il College of Engineering. "Si tratta di una necessità urgente, non solo per prevenire cedimenti calamitosi e spesso tragici, ma per capire quali ponti dovrebbero avere la priorità per la manutenzione e la sostituzione, in modo da poter affrontare in modo efficiente e sostenibile la conservazione e il miglioramento delle nostre infrastrutture".

Oltre il 40% dei 617.000 ponti americani hanno più di 50 anni. Sebbene siano costruiti per durare, devono anche essere ispezionati regolarmente – ogni due anni, secondo Bartoli, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Civile, Architettonica e Ambientale dell'Università. La pratica attuale è quella di effettuare un'ispezione visiva e, in rari casi, di monitorare solo i ponti ritenuti "strutture problematiche", ha affermato.

Ma il numero di ponti che richiedono attenzione è in aumento, secondo la "Report Card for America's Infrastructure" dell'ASCE. Un sistema come quello di Drexel potrebbe aiutare le agenzie federali e gli ispettori ad affrontare la sfida e a ridurre la necessità complessiva di ispezioni man mano che vengono costruiti nuovi ponti.

Il loro sensore di spostamento wireless è costituito da una cella solare fotovoltaica, un dispositivo di misurazione della deformazione – chiamato potenziometro di spostamento – e un ricetrasmettitore di interfaccia di monitoraggio. Tutti e tre sono montati sul ponte per effettuare misurazioni continue della sua deformazione man mano che il traffico lo attraversa e trasmettere tali informazioni a una stazione di monitoraggio remota.

Il potenziometro di spostamento è un dispositivo piccolo, robusto e leggero che si monta sulla trave del ponte. Misura lo spostamento, o movimento della trave, poiché il ponte si deforma temporaneamente quando i veicoli lo attraversano. I cambiamenti in questo modello di deformazione possono essere un indicatore precoce di problemi strutturali.

Poiché il sistema trae energia da una cella solare e da una batteria di riserva, è possibile montare più potenziometri sul ponte senza cablaggio. Il sistema può ospitare una serie di sensori diversi che monitorano i movimenti del ponte, come accelerazione, inclinazione e spostamento, tra gli altri. L’integrazione di più tipi di sensori nel sistema potrebbe fornire un quadro più completo dello stato di salute del ponte.

"Il vantaggio principale di questo sistema è la rimozione di centinaia, e talvolta migliaia, di cavi che sono costosi, possono essere danneggiati, richiedono cure durante l'installazione e aumentano il costo complessivo del sistema di rilevamento", ha affermato Bartoli. "L'altro vantaggio è che con un'unica piattaforma wireless potremmo leggere simultaneamente molti tipi diversi di sensori, non solo spostamenti ma anche accelerometri, tiltmetri ed estensimetri."

Un team di ingegneri elettrici del Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica di Drexel ha progettato l'alimentatore per il sistema e lo ha ottimizzato per garantire resistenza e durata in tutti i climi. Include una cella fotovoltaica da 21,8 x 35 centimetri, 10 watt e una batteria agli ioni di litio da 14,8 volt di grande capacità per immagazzinare e distribuire l'energia raccolta. L'hanno testato in laboratorio e all'aperto in pieno inverno in Pennsylvania, per assicurarsi che potesse continuare a fornire energia anche nelle condizioni meteorologiche più difficili.