Relazione di Ricerca Completa

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Modello di diga marina dell'Università della Catalogna
Vista laterale del modello di diga marina

Protetta dalle onde alte: la tecnologia di misura e prova HBM garantisce risultati affidabili nel contesto di un esperimento scientifico su una diga marina

La progettazione di dighe marine forti e stabili è di estrema importanza in tempi di innalzamento del livello del mare. Cosa succede quando un'onda impatta con grande forza contro la diga? Gli scienziati hanno finora lavorato solo con le formule per calcolar la forza e la pressione, non essendo disponibili dati sperimentali. 

Gli scienziati dell'Università Politecnica della Catalogna di  Barcellona, Spagna, hanno per primi sviluppato un approccio sperimentale finalizzato a determinare le forze prodotte durante l'impatto di un'onda.

I trasduttori di pressione e di forza, insieme agli amplificatori di alta qualità della HBM, hanno giocato un ruolo fondamentale in questo esperimento. 

Parete frontale del modello
Trasduttori di pressione HBM sul modello
Impatto dell'onda sul modello di diga marina

Posizionamento dei Sensori di Pressione sul Modello di Diga Marina

L'impatto dell'onda che si rompe su una parete verticale è un fenomeno rapido e molto potente, in effetti molto difficile da misurare. È importante rilevare la forza totale ed il suo punto di applicazione generati dall'impatto dell'onda, per essere in grado di prevedere i carichi della struttura per progettare adeguatamente la diga marina. Anche la pressione è importante per la progettazione dell'armatura del cemento armato. 

A tale scopo fu realizzato un modello fisico nel Laboratorio di Ingegneria Marittima dell'Università Politecnica della Catalogna (LIM-UPC). Il modello di diga marina fu equipaggiato con 6 trasduttori di pressione P8AP posizionati esattamente nella zona d'impatto, al fine di misurare la distribuzione verticale della pressione.

La struttura è sostenuta da 2 celle di carico a flessione Z6C3 per misurare la forza totale ed il momento generati dall'impatto dell'onda.

Trasduttore di Pressione Assoluta P8AP

Il P8AP è un trasduttore di pressione assoluta basato sulla tecnologia ad estensimetri, con campo di misura di 10 Bar e classe di precisione dello 0,3. I P8AP hanno grado di protezione IP67, il che significa che sono stagni alle intemperie ma non all'acqua, per cui è necessaria una custodia che isoli i sensori dall'acqua. 

Nella parete frontale furono praticati 20 fori allo scopo di verificare differenti modelli di posizionamento dei sensori di pressione. Sei fori furono muniti di sensori di pressione e gli altri furono chiusi con viti, in modo che la parete frontale fosse stagna all'acqua e continua. 

Dopo alcune prove usando varie posizioni dei sensori di pressione, fu determinato il modello definitivo con i sei trasduttori posizionati sulla stessa verticale alla distanza di 25 mm l'uno dall'altro. 

Impiego della Cella di Carico Z6

La Z6 della HBM  è una cella di carico a flessione con carico nominale di 50 kg ed accuratezza dello 0,009 % del fondo scala. Le celle di carico sono fissate meccanicamente alla custodie di protezione dei sensori, montate sulla struttura reticolare anzi descritta. 

È molto importante che la connessione meccanica sia molto rigida in modo da non assorbire alcuna forza influenzando così la misurazione. Viene utilizzata una struttura reticolare fissata alla sovrastruttura del canale dell'onda (indipendente dal canale stesso), poiché in una struttura reticolare esistono solo forze normali ed i nodi sono fissi. La rigidità delle celle di carico deve essere molto inferiore di quella della struttura reticolare, in modo da deformarsi e rilevare l'esatta misura della forza. 

È necessario l'accoppiamento delle due celle di carico in due diverse posizioni al fine di ottenere le serie temporali della forza totale, il momento ed il punto di applicazione della forza. 

Rapporto Tempo / Pressione
Rapporto Forza / Frequenza
Dati della Pressione e del Carico

Un Solo Sistema di Acquisizione Dati per Collegare Tutti i Trasduttori

Poiché il fenomeno è molto veloce (pochi millisecondi), l'amplificatore ad 8 canali QuantumX MX840 della HBM era la miglior opzione disponibile sul mercato, data la sua  massima frequenza di campionamento di 19200 Hz per tutti i canali. Sia i trasduttori di pressione che quelli di carico erano collegati e registrati mediante il QuantumX controllato dal software catman.

La possibilità di collegare i sei trasduttori di pressione e le due celle di carico allo stesso sistema di acquisizione dati e di campionare a cadenza molto elevata è fondamentale per essere in grado di confrontare i risultati ottenuti contemporaneamente dai sensori. 

Per verificare i risultati, il confronto fra i risultati dei trasduttori di pressione con quelli delle celle di carico fu effettuato integrando sulla sezione verticale la distribuzione della pressione determinata con i P8AP. 

A bassa cadenza di campionamento, i risultati preliminari mostrarono una buona concordanza fra i risultati dei trasduttori di pressione e quelli delle celle di carico, che  diminuiva all'aumentare della frequenza di campionamento. Alcuni sensori furono posizionati in una zona umido-asciutta in cui la presenza di una miscela di aria ed acqua durante l'impatto e la geometria dei P8AP potevano provocare problemi durante la misurazione, derivanti dalla comprimibilità dell'aria.

Per risolvere il problema, l'apertura di accesso ai sensori fu riempita di glicerina e venne generato il vuoto, al fine di evitare qualsiasi vibrazione della membrana e la conseguente perdita della glicerina. 

Una delle prossime fasi della campagna di sperimentazione riguarderà il miglioramento della risoluzione in termini di trasduttori di pressione, aggiungendo 8 ulteriori sensori di pressione ed un altro QuantumX MX840.

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