Fibre Ottiche in Enea

Ingegneria per il monitoraggio strutturale di edifici storici con sensori in fibra ottica da Enea al #TFA2016

Nella sessione del Forum TECHNOLOGYYforALL 2016 dedicata al monitoraggio e diagnosi delle strutture ENEA presenterà l'attività svolta per il monitoraggio di edifici storici utilizzando la tecnologia di sensori Fibre Bragg Grating (FBG). Precede la presentazione delle applicazioni una breve introduzione ai principi della tecnologia, per evidenziarne le caratteristiche che la rendono di grande potenziale interesse per il settore dei Beni Culturali ed in particolare di monitoraggi strutturali dei complessi architettonici monumentali.

I sensori FBG sono sensori integrati nel corpo di una fibra ottica, senza alterarne né le dimensioni, né le caratteristiche meccaniche. Una fibra ottica è un sottile ‘filo’ di vetro, di diametro pari a pochi decimi di millimetro e lungo anche decine di Km. All’interno della fibra ottica, un sensore FBG è integrato in un segmento di lunghezza pari a pochi millimetri. Il sensore FBG è intrinsecamente sensibile alla temperatura ed alla deformazione della struttura con la quale è a contatto. La piccola dimensione del sensore FBG implica  che la misura di deformazione è di tipo ‘puntuale’, ovvero riferita al ‘punto’ della struttura in cui il sensore stesso è applicato. Se serve misurare la deformazione in più punti, si applicano più sensori FBG, uno in ciascun punto di interesse. In tal caso, tutti i sensori possono essere integrati su di una unica fibra ottica, a qualsiasi distanza l’uno dall’altro (da pochi centimetri a svariati chilometri).

Il sensore FBG è un sensore in fibra ottica così detto ‘intrinseco’: non necessita di alcuna altra fonte di energia per funzionare, se non la luce che si propaga lungo la fibra ottica stessa (non serve alimentazione elettrica presso il punto di misura); non necessita di alcuna altro tipo di collegamento per la propagazione del segnale, se non la fibra ottica stessa. Il sensore FBG funziona ‘in riflessione’: la stessa fibra ottica che ‘alimenta’ il sensore, ne trasporta indietro anche il segnale.

I sensori FBG offrono numerosi vantaggi rispetto ad i tradizionali sensori di tipo elettrico, come ad esempio una intrinseca stabilità per applicazioni a lungo termine (monitoraggio permanente di strutture per l’individuazione precoce del degrado strutturale), una assoluta immunità da disturbi elettromagnetici (monitoraggio di strutture in prossimità di elettrodotti), una maggiore semplicità di cablaggio (una unica fibra ottica da cablare anche per centinaia di sensori), una maggiore resistenza ad agenti atmosferici ed ambienti corrosivi (intrinseca stabilità chimica del vetro). Pur essendo intrinsecamente dei sensori di temperatura e di deformazione, consentono di eseguire varie misure fisiche e chimiche: pressione, massa, umidità, temperatura, spostamenti, accelerazione, etc. In tutti i casi, la misura avviene mediante un opportuno ‘espediente’ che consente di correlare la misura di deformazione o temperatura alla misura del parametro di interesse. Un semplice esempio è il caso della pressione: applicando semplici relazioni matematiche, la misura della deformazione di una membrana consente di determinare la pressione che ha deformato la lamina.

Non deve sembrare stano, è ciò che si fa per tante altre misure come ad esempio con una bilancia elettronica: applicando relazioni matematiche, il peso di un oggetto posto sul piatto della bilancia viene determinato dalla misura della tensione elettrica generata da un componente elettronico compresso sotto il piatto della bilancia.

Come primo esempio di applicazione si presenta la installazione eseguita presso la chiesa San Giacomo dell’Orio in Venezia, con sensori installati su catene trasverse del campanile e su catene degli archi delle navate. Come secondo esempio di applicazione si presenta la installazione eseguita  presso il complesso museale Scuola Grande di San Rocco in Venezia, con sensori installati per il monitoraggio di una fessura fra i conci dell'arco della scalinata grande e sulle catene del porticato esterno. Come terzo esempio di applicazione si presenta la installazione eseguita su opere del camminamento delle Mura Aureliane presso Porta San Sebastiano in Roma, con sensori installati su catene e su fessure. Come quarto esempio di applicazione si presenta installazione eseguita presso il campanile della cattedrale Santa Maria Assunta in Rieti, con sensori installati sulle catene.

(a cura di Michele Arturo Caponero, ENEA)