Scansione a infrarossi mobile - Un'alternativa high-tech e accurata ai tradizionali metodi di ispezione dei ponti

Gli ingegneri civili hanno un grosso problema: decine di migliaia di ponti, sparsi in tutti gli Stati Uniti, sono in uso da ben oltre i previsti 50 anni per cui erano stati progettati. Secondo la Federal Highway Administration (FHWA), circa un quarto dei 611.845 ponti statunitensi sono strutturalmente carenti o funzionalmente obsoleti. Questi ponti richiederanno interventi di manutenzione, riparazione o sostituzione significativi, con un costo stimato di 20,5 miliardi di dollari all'anno nei prossimi 12 anni.

I metodi tradizionali oggi utilizzati per identificare carenze strutturali nell'impalcato dei ponti in cemento possono essere dispendiosi in termini di tempo, imprecisi e poco sicuri sia per gli ispettori che per gli automobilisti. Si basano infatti sulla valutazione soggettiva di un ispettore. Richiedono inoltre la chiusura delle corsie del ponte durante l'ispezione, con conseguente blocco o grave rallentamento del traffico. Ma un nuovo metodo high-tech, che combina una termocamera portatile con un software analitico, offre una soluzione più sicura e più obiettiva.

Identificazione della delaminazione del ponte

I due maggiori fattori che provocano danni ai ponti in cemento armato sono la delaminazione e la scagliatura. La delaminazione consiste nella separazione del calcestruzzo in strati o il distacco del rivestimento superiore dal substrato. Le barre di rinforzo integrate (armatura) col tempo si corrodono, provocando un'espansione che spezza il calcestruzzo in senso orizzontale attraverso gli strati (delaminazione) o in blocchi che si sbriciolano sopra l'area danneggiata (scagliatura).

 

La ricerca di delaminazioni nel calcestruzzo generalmente implica una forma di test non distruttivo (NDT) denominato ispezione acustica per mezzo di catena trascinata. L'ispettore trascina una pesante catena lungo l'impalcato del ponte, ascoltando il caratteristico suono cavo prodotto dalle zone delaminate. Può quindi utilizzare queste informazioni per mappare la delaminazione dell'impalcato del ponte.

Vi sono degli svantaggi nel metodo con catena trascinata. Anche se questo tipo di indagine prevede la chiusura delle corsie stradali da ispezionare, gli ispettori sono spesso costretti a lavorare lungo tratti aperti al traffico. Il rumore dei veicoli rende difficile distinguere i suoni prodotti dalla catena quando incontra zone in cui il cemento è delaminato. Inoltre, il metodo basato sul trascinamento di una catena dipende in larga misura dalla conoscenza e dall'esperienza dell'ispettore: è perciò soggettivo e potenzialmente inaccurato. In effetti, uno studio della FHWA sulle perizie di delaminazione dell'impalcato di ponti ha concluso che questo metodo non ha sistematicamente fornito risultati accurati.

Un'alternativa high-tech alle ispezioni acustiche per mezzo di catena trascinata utilizza una termocamera montata su camion per individuare aree delaminate sull'impalcato di ponti in calcestruzzo. NEXCO-West USA ha sviluppato questa tecnica di ispezione NDT, che incorpora le immagini acquisite da una termocamera raffreddata FLIR in mappe create con un software proprietario di NEXCO-West. Gli ingegneri dell'azienda stanno collaborando con la University of Central Florida allo sviluppo di procedure obiettive ed efficienti per l'ispezione dei ponti, che potrebbero essere utilizzate dalle società autostradali degli Stati Uniti.

Immagini di delaminazione visive, grezze ed elaborate da perizie con infrarossi sull'impalcat di un ponte
Fonte: "Comparison of Infrared Cameras for Concrete Bridge Deck Scanning (Confronto tra termocamere per la scansione dell'impalcato di ponti): - Vol.2 Field Test at Haymarket Bridge", dicembre 2014, NEXCO-West USA, Inc.

Un metodo sicuro, efficiente, portatile

"La strategia di NEXCO-West per i test di delaminazione dei ponti è basata su un metodo mobile, che utilizza una termocamera installata sulla sommità di un veicolo", afferma il presidente e amministratore delegato dell'azienda, Masato Matsumoto. "Il nostro approccio non richiede chiusure di corsie o riduzioni dei limiti di velocità, perciò garantisce il flusso del traffico e allo stesso tempo la sicurezza degli ispettori".

Le scansioni vengono solitamente eseguite durante il giorno o entro poche ore dopo il tramonto, quando si possono osservare notevoli variazioni di temperatura. Il calcestruzzo che si è riscaldato durante il pomeriggio inizierà infatti a raffreddarsi dopo il tramonto, creando un cambiamento misurabile di temperatura. La maggior parte dell'impalcato si riscalda o si raffredda in modo uniforme, ma la delaminazione ostacola la conduzione. La temperatura del calcestruzzo danneggiato aumenta più rapidamente durante il giorno e diminuisce più velocemente durante la notte e tali anomalie sono facilmente rilevabili dalla termocamera.

Esempio di differenziale di temperatura per calcestruzzo sano e danneggiato
Fonte: "Comparison of Infrared Cameras for Concrete Bridge Deck Scanning:
- Vol.2 Field Test at Haymarket Bridge", dicembre 2014, NEXCO-West USA, Inc.

Le ispezioni vengono eseguite con una termocamera montata su un camion che attraversa il ponte a 80 chilometri l'ora, in condizioni di traffico normali. Matsumoto dichiara che alla termocamera bastano pochi minuti per registrare una scansione completa di una corsia su un ponte lungo 1600 metri.

Il sistema di scansione NEXCO-West impiega una termocamera scientifica FLIR A6701sc MWIR. "Utilizziamo la termocamera della serie A6700 perché può fotografare immagini termiche ad alta risoluzione in marcia a velocità sostenuta", spiega Matsumoto. Il sensore raffreddato ad antimoniuro di indio di questa termocamera offre tempi di integrazione fino a 0,48 μs, consentendo al team di registrare immagini termiche a 640 x 512 pixel senza alcuna sfocatura. Matsumoto afferma che in genere la termocamera è impostata a una frame rate di 10 Hz, che permette di registrare un'immagine termica nitida ogni due metri a velocità autostradale. La termocamera è collegata a un laptop all'interno del veicolo che esegue il software IrBAS (Sistema di perizia ponti a infrarossi) della NEXCO-West, che consente al team di esaminare l'analisi in tempo reale e riconoscere aree potenzialmente delaminate.

Il laptop mostra le riprese a infrarosso in diretta attraverso il software IrBAS di NEXCO-West

Immagine termica utilizzata per creare una mappa di deficit dell'impalcato del ponte

Elaborazione dei dati

Dopo che il team ha raccolto i dati su ciascuna corsia del ponte, è possibile iniziarne l'elaborazione. "Quasi tutti i processi di analisi e reporting dei dati sono automatizzati dal software IrBAS, che consente di risparmiare in modo significativo tempo e costi nella preparazione delle mappe di deficit", afferma Matsumoto. Il software usa la mappa di deficit per calcolare la percentuale di area delaminata dell'impalcato del ponte e successivamente classifica le condizioni in base ai criteri dell'American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO).

Vi sono tre categorie di danni:

1. Segnalazione (Indication): La delaminazione è presente entro 4 cm dalla superficie del calcestruzzo
2. Attenzione (Caution): La delaminazione è presente entro 2 cm dalla superficie del calcestruzzo
3. Criticità (Critical): La delaminazione sta raggiungendo la superficie del calcestruzzo

Le zone dell'impalcato classificate come Segnalazione (Indication) sono considerate soddisfacenti, mentre le aree di Attenzione (Caution) richiedono stretta sorveglianza. Qualsiasi zona classificata come Criticità (Critical) esige un'azione immediata.

Migliori decisioni, ponti più sicuri

Classificazione dei danni per mezzo del software IrBAS
Fonte: "Comparison of Infrared Cameras for Concrete Bridge Deck Scanning:
- Vol.2 Field Test at Haymarket Bridge", dicembre 2014, NEXCO-West USA, Inc.

La soggettività e le possibili inesattezze del metodo basato sul trascinamento di una catena giustificano un riesame di questo tipo tradizionale di ispezione dell'impalcato dei ponti. La scansione a infrarosso fornisce risultati più oggettivi e la mobilità del sistema evita gli svantaggi correlati alla chiusura delle corsie, inclusi rischi per la sicurezza, ritardi al traffico e aumento delle emissioni.

Un ulteriore vantaggio nel metodo esauriente e oggettivo per la raccolta dati di NEXCO-West è che consente alle società autostradali di monitorare le prestazioni a lungo termine del ponte. "La mappatura a infrarosso di NEXCO-West supporta il processo decisionale basato sui dati per la gestione dei ponti e, in definitiva, aiuta a evitare costose riparazioni", afferma Matsumoto. Sovrapponendo le mappe dei deficit a documentazioni precedenti, gli ingegneri possono determinare le condizioni e il tasso di degrado dei ponti. Queste informazioni contribuiscono a prevedere la progressione del deterioramento e a stabilire piani per i lavori di ristrutturazione.

Scansione termica di un ponte (a sinistra) e immagine elaborata da IrBAS, utilizzata per creare una mappa di deficit dell'impalcato (a destra)