I sensori di forza HBM misurano l’impatto delle onde sulle strutture anti-allagamento

Il livello del mare è in costante aumento; per questo, è sempre più urgente costruire strutture anti-allagamento efficaci. Per lo sviluppo di tali strutture è indispensabile poter misurare l’impatto delle onde sulle stesse. Nell’estate del 2018, presso il Laboratorio di Meccanica dei Fluidi della Facoltà di Ingegneria Civile dell’Università di Delft, il brasiliano Ermano de Almeida ha realizzato un progetto finalizzato a misurare l’impatto delle onde sulle strutture anti-allagamento con sporgenze. Per questo studio, ha utilizzato i sensori di forza di HBM. Il progetto ha coinvolto anche altri partner, come la Netherlands Organisation for Scientific Research (NWO), Rijkswaterstaat, Witteveen+Bos, PT Structural e Deltares, l’istituto olandese di conoscenza e innovazione per acqua e sottosuolo. I risultati della ricerca saranno fondamentali per sviluppare strutture idrauliche nuove e aggiornate, come i sistemi di deflusso delle acque sulla diga Afsluitdijk.

Problema: Gli allagamenti e la rottura degli argini stanno causando gravi danni e problemi in tutto il mondo.
Soluzione: Ottenendo maggiori informazioni riguardo alla potenza dell’impatto delle onde, la ricerca consentirà di realizzare strutture robuste e sicure con dimensioni compatte (diversamente da come potrebbero essere realizzate oggi). 
Risultati: Verranno elaborati e analizzati i dati grezzi derivati dai test fisici. I risultati saranno estremamente importanti per la progettazione e la costruzione di nuove strutture anti-allagamento.

 

 

 

Misurare la forza dell’impatto esercitato dalle onde sulle strutture verticali

Attualmente, Ermano de Almeida sta studiando l’impatto delle onde su modelli di strutture anti-allagamento in acciaio nell’ambito di una ricerca per il suo PhD presso il Dipartimento di Ingegneria Idraulica dell’Università di Delft. De Almeida ha studiato ingegneria civile a Madrid e Aachen e ha ottenuto una laurea specialistica presso l’università di Delft.  Quando gli si è presentata l’occasione di portare avanti un progetto sulle strutture anti-allagamento, non se l’è lasciata sfuggire, non soltanto perché riteneva che il progetto fosse interessante sia dal punto di vista teorico che da quello pratico, ma anche perché ha capito che la gestione e il controllo dell’acqua sarà una delle sfide più importanti dei prossimi anni.

La ricerca che De Almeida sta portando avanti al momento riguarda le strutture idrauliche verticali in acciaio e calcestruzzo. Queste strutture sono diffuse nei porti e nei sistemi di chiusura e di deflusso delle acque e sono state usate con frequenza nelle strutture anti-allagamento lungo la costa olandese del Mare del Nord, in combinazione con altre installazioni idrauliche e meccaniche per chiudere i sistemi di deflusso o di passaggio delle acque in caso di alta marea o durante un temporale. Questo tipo di costruzione è particolarmente adatta nei casi in cui sia necessario aprire le barriere per far scorrere l’acqua o far passare mezzi di trasporto, con la possibilità di chiuderle per evitare allagamenti in caso di temporali.

Il progetto di ricerca ha lo scopo di misurare la forza dell’impatto esercitato dalle onde sulle strutture verticali. Queste forze sono particolarmente potenti sulle strutture verticali con sporgenze, poiché la forza dell’onda non può essere deviata verso l’alto. Questa condizione aumenta anche la pressione sulla porzione verticale della struttura e le onde esercitano una forza molto intensa sulla sporgenza, che può essere costituita da una protezione in calcestruzzo sopra la struttura anti-allagamento o dalla parte superiore di un’apertura su cui sono sospese le pareti divisorie. De Almeida ritiene che sia molto interessante studiare l’effetto che la risonanza e la vibrazione delle piastre in metallo relativamente sottile in queste condizioni esercitano sulla durata di vita della struttura e sul materiale usato.

“Queste strutture idrauliche hanno avuto grossi problemi solo in pochi casi” ci spiega, “ma siamo a conoscenza di numerosi casi in cui una conoscenza non approfondita delle caratteristiche di carico e della risposta della struttura ha portato a condizioni poco sicure e, a volte, a cedimenti strutturali. Raccogliendo maggiori informazioni sulla potenza dell’impatto delle onde, saremo in grado di realizzare più facilmente strutture robuste e sicure senza eccedere con le dimensioni, come invece avverrebbe oggi. Tutto questo ci permetterà di risparmiare tempo, materiale e denaro in fase di costruzione. La ricerca potrebbe addirittura permetterci di sviluppare nuovi metodi di costruzione di queste strutture anti-allagamento.”

Bacini d’acqua e sensori di forza

I test sono stati eseguiti nel laboratorio di meccanica dei fluidi dell’Università di Delft. Questo laboratorio ha un’area di circa 5.000 m², 1.700 m² dei quali sono utilizzati per la realizzazione di esperimenti. Dispone di otto canali d’acqua destinati agli esperimenti che possono fornire una portata di 2 metri cubi al secondo. Gli esperimenti di De Almeida sono stati realizzati in uno dei canali d’acqua più grandi del laboratorio, lungo 42 m, largo 80 cm e profondo 1 m. Alla fine del canale, c’è un blocco di calcestruzzo solido di 80 x 80 x 100 cm, su cui è montata, tramite sezioni in alluminio, una piastra di alluminio dello spessore di 1 cm. Nove sensori di forza U3 di HBM  sono installati su una fila tra il telaio in alluminio e la piastra in metallo, con un intervallo di 1.0 kN. HBM ha richiesto che i ricercatori utilizzassero queste particolari celle di carico perché sono in acciaio inossidabile, non subiscono gli effetti della temperatura e sono idealmente adatte a test in ambiente umido. Inoltre, hanno una rigidezza intrinseca, compensano i momenti flettenti e non subiscono gli effetti delle forze laterali, permettendo così di ottenere misure estremamente affidabili.

I sensori sono collegati a degli amplificatori di misura sviluppati proprio dalla TU di Delft. Questi sensori registrano l’impatto delle onde con una frequenza di campionamento di 5000/s. De Almeida può vedere i dati di misura in tempo reale su un monitor che mostra l’altezza delle onde e l’impatto sulla struttura. L’impostazione è flessibile e consente di regolare l’altezza della piastra metallica, le dimensioni della sporgenza e le posizioni dei sensori di forza.

Nel canale d’acqua viene creata una serie di onde regolari e irregolari, tramite un generatore di onde dotato di compensazione attiva della riflessione che neutralizza le onde di ritorno al fine di non influenzare i dati di misura. A una distanza di circa quaranta centimetri sull’acqua, a pochi metri dalla piastra di metallo, sono posizionati otto sensori che misurano le caratteristiche delle onde. Le immagini dei test sono registrate da tre fotocamere grazie alle quali è possibile studiare le immagini associate per risultati di misura speciali.

Le chiuse di scarico di Afsluitdijk come punto di riferimento

In fase di progettazione dell’avvio del test, sono state prese come punto di riferimento iniziale le chiuse di scarico del IJsselmeer nella diga di Afsluitdijk, perché i tipi di onde e il loro impatto esaminato nella ricerca erano molti simili a quelli osservati in queste strutture. Nella parte inferiore della diga sono presenti dei punti di uscita dell’acqua che vengono chiusi da grate in acciaio in caso di alta marea e temporale. Le onde che colpiscono le grate in questi punti situati sotto la barra di protezione orizzontale vengono immediatamente bloccate durante il temporale ed esercitano quindi forze enormi sulla struttura. Questa struttura è stata progettata 80 anni fa ed è ora in fase di restauro insieme all’intera diga di Afsluitdijk. De Almeida intende anche applicare le conoscenze sviluppate durante la sua ricerca ad altre località del mondo, ad esempio negli Stati Uniti, dove esiste un grande interesse per i risultati della ricerca dovuto sia agli incidenti provocati da pesanti allagamenti nel Paese sia all’ottima reputazione dell’Università di Delft nel campo dell’ingegneria idraulica.

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