Monitoraggio strutturale dei giunti strutturali con l’uso di estensimetri

In che modo è possibile monitorare in maniera permanente la condizione di un giunto strutturale in funzione? È possibile rilevare i danni tempestivamente e in modo affidabile applicando il monitoraggio strutturale (SHM)?

I ricercatori dell’Istituto di meccanica strutturale e costruzioni leggere dell’Università tecnica di Aquisgrana stanno indagando queste possibilità. Con l’aiuto di estensimetri specifici per il cliente, è stato possibile compensare le deviazioni correlate alla produzione nella posizione calcolata dell'estensimetro nella fase di post-processing. 

Problema

Per rilevare la condizione strutturale di un giunto incollato e garantire una trasmissione della forza affidabile, è stato necessario usare un estensimetro che potesse compensare anche disallineamenti minimi.

Soluzione

Lo sviluppo su misura di una griglia di misura dell’estensimetro garantisce una distribuzione uniforme delle deformazioni intorno alla posizione di misurazione, per migliorare la precisione di misura.

Risultati:

Utilizzando la griglia di misura personalizzata, è possibile registrare anche piccoli cambiamenti della deformazione su una distanza di misurazione breve. La disposizione esatta delle griglie di misura in relazione l’una all’altra consente di trarre conclusioni sul posizionamento scorretto dell’estensimetro, in modo che i valori misurati possano essere corretti alla posizione desiderata.

Monitoraggio permanente dei giunti

I giunti adesivi non possono essere testati in maniera completamente non distruttiva. Da qui la motivazione a monitorare in maniera permanente i giunti incollati per registrarne la condizione strutturale e garantire una trasmissione della forza affidabile.

Tale monitoraggio può essere già effettuato in modo molto semplice con un singolo estensimetro collegato al componente in una posizione particolarmente sensibile ai danni, il cosiddetto punto a deformazione zero[1]. Questa speciale posizione, un semplice accoppiamento con sovrapposizione sulla superficie delle parti unite, è caratterizzata dal fatto che non sono presenti deformazioni se l’accoppiamento non è danneggiato. Non appena si verifica un danno, la distribuzione della deformazione si sposta ed è possibile registrare un chiaro segnale di misura.

La sfida posta da questo promettente approccio SHM è posizionare l’estensimetro nel modo più preciso possibile nella posizione calcolata in precedenza. Tuttavia, sia i piccoli spostamenti (<200 µm) sia le variazioni dello spessore dell’accoppiamento causano uno spostamento del segnale di misura. È dunque necessario correggere la conseguente variazione della deformazione.

Per misurare la distribuzione della deformazione in diversi punti definiti in prossimità dei punti di misura, è stato progettato e realizzato un estensimetro personalizzato in collaborazione con HBK. Le griglie di misura sono state sfasate nel senso longitudinale di 0,5 mm e posizionate l’una di fianco all’altra sulla lamina del supporto (vedere Fig. 2).

Test

Per valutare l’idoneità all’uso, gli estensimetri sviluppati sono stati applicati a entrambi i lati dell'accoppiamento e l’accoppiamento con sovrapposizione è stato caricato con un carico di rottura in un test di trazione. Come previsto, le tre griglie di misura hanno prodotto tre curve di misura sfasate.

L’utilizzo di tre griglie di misura, spostate l’una in relazione all’altra, ha reso possibile la correzione dei valori misurati in seguito alla posizione ottimale effettiva (vedere Fig. 3).  

Per il metodo di valutazione del danno particolarmente sensibile, questo apporta un grande valore aggiunto, poiché reagisce già in modo sensibile alle minime deviazioni dal posizionamento ottimale.

Gli esiti del primo test mostrano chiaramente che sono stati ottenuti risultati notevoli con gli estensimetri personalizzati di HBK e che è stato possibile portare a termine in modo completo questo impegnativo compito di misura.

Informazioni sull’Istituto di meccanica strutturale e costruzioni leggere dell’Università tecnica di Aquisgrana

La Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH Università di Aquisgrana) è il maggiore ateneo per gli studi tecnici in Germania. L’Istituto per le strutture leggere è stato fondato nel 1955 e collabora strettamente con l’istituto tedesco di aeronautica e astronautica (Deutsche Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V.). Recentemente, gli ambiti di insegnamento e ricerca sono stati ampliati e ora includono meccanica strutturale e monitoraggio strutturale, come indica anche il nome Istituto di meccanica strutturale e costruzioni leggere (SLA).

[1] Sadeghi, M. Z.; Weiland, J.; Preisler, A.; Zimmermann, J.; Schiebahn, A.; Reisgen, U.; Schroeder, K. U. Damage Detection in Adhesively Bonded Single Lap Joints by Using Backface Strain: Proposing a New Position for Backface Strain Gauges. Int. J. Adhes. Adhes. 2020, 97, 102494.