Estensimetria

Tecniche Estensimetriche

La tecnica estensimetrica è una delle tecniche fondamentali nell'analisi dello stato di sollecitazione. Attraverso questa tecnica è possibile valutare lo stato di sollecitazione di un elemento a partire dalla misura delle deformazioni. Le deformazioni possono essere causate dall'applicazione o dalla rimozione dei carichi. Sia nell'uno che nell'altro caso la struttura risentirà della variazione della sollecitazione dando
luogo alle deformazioni. Si assume che valori di segno positivo indicano sforzi di trazione in quanto determinano un allungamento della zona di misura e quindi un aumento del valore misurato. Valori di segno negativo indicano sforzi di compressione in quanto si determina una contrazione del materiale quindi si misurano diminuzioni del valore.
La misura avviene con l'utilizzo di estensimetri elettrici a resistenza, di seguito ER. L'estensimetro consiste di una griglia di metallo laminato incollata su un supporto di materiale polimerico. Gli estensimetri sono disponibili in migliaia di configurazioni per adattarsi ad una vasta gamma di applicazioni. Un estensimetro è più sottile di un francobollo e per alcuni modelli le griglie possono arrivare a 0.5mm.
L'estensimetro viene incollato alla superficie di una struttura e quando la struttura è sollecitata, le deformazioni prodotte sulla sua superficie, nel punto di applicazione, sono trasmesse alla griglia causando una variazione di resistenza elettrica. Questa variazione di resistenza elettrica, che è proporzionale alla
deformazione, può essere misurata con grande precisione da apposita strumentazione. Tipicamente si possono misurare delle deformazioni con una risoluzione dell'ordine di un micrometro/metro, cioè di una parte su un milione. Per determinare le tensioni principali e le relative direzioni si usano estensimetri, denominati rosette, con 2 o 3 griglie su uno stesso supporto ma orientati in direzioni diverse. La risposta dell'estensimetro è istantanea, ciò che permette di individuare sia le deformazioni statiche che le deformazioni dinamiche con frequenze che possono arrivare a diverse migliaia di Hertz.

Il principio di funzionamento degli ER è basato sulla variazione di resistenza che ha un conduttore filiforme quando è sottoposto a trazione, si osserva sperimentalmente che la sua resistenza elettrica aumenta proporzionalmente alla forza esercitata. Inoltre se la deformazione non è eccessiva, la relazione tra variazione di resistenza e deformazione è lineare e reversibile. Solitamente per gli estensimetri il
condizionamento del segnale avviene attraverso il ponte di Wheatstone, esso è in grado di commutare una variazione di resistenza in una variazione di tensione. Il circuito a ponte è un tipo di circuito assai comune le cui proprietà sono ben note dall'elettrotecnica. Si tratta di un circuito costituito da due coppie di resistenze ( R1,R2,R3 eR4 ), messe a quadrato, sulle cui diagonali vi si trova un generatore di tensione E ed un circuito di misura M. Quando si ha un solo estensimetro attivo connesso al ponte si parlerà di collegamento a quarto di ponte, quando gli estensimetri attivi sono su due lati adiacenti si parlerà di collegamento a mezzo ponte infine, quando tutti gli estensimetri sono attivi il collegamento si definisce a ponte intero.
L'installazione degli estensimetri viene eseguito da personale con Certificazione Tecniche d'Indagine PND - III Livello Metodo Estensimetrico nonchè da Sperimentatore riconosciuto dal Servizio Tecnico Centrale presso il Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti.

Applicabilità

Solitamente l'estensimetro va installato sulla superficie esterna degli elementi su cui si deve indagare.
Ci sono invece, situazioni in cui l'istallazione viene fatta nelle armature già in opera come nel caso della determinazione della stato tensionale in situ, in tali circostanze è inevitabile provocare qualche leggero danno alla struttura. Può capitare il caso di istallazione su barra di armatura lenta oppure, su un trefolo di
armatura tesa. Queste particolari tipologie di applicazione necessitano della rimozione del copriferro per accedere all'armatura, dopo l'incollaggio e le misure iniziali, l'elemento viene tagliato per misurare la deformazione elastica restituita.
La tecnica in situ prevede l'applicazione degli ER sulla superficie esterna e dopo la misura iniziale viene tagliato l'elemento di cls, così facendo si avrà una deformazione della superficie dovuta alla restituzione elastica della deformazione.
Alcune applicazioni particolari, molto utili nei casi di misura delle tensioni interne, si realizzano inglobando gli estensimetri all'interno dell'elemento. Spesso questo tipo di applicazioni prevedono l'istallazione prima che l'oggetto venga prodotto, sono un esempio gli estensimetri inglobati nei modelli realizzati in materie plastiche oppure, che rientra più da vicino nei nostri scopi, nel caso di estensimetri istallati in barre di armatura prima che avvenga il getto di cls per la formazione dell'elemento strutturale. Quest'ultimo esempio si realizza quando si vogliono determinare le curve di mobilitazione nei pali di fondazione. In
questi casi vengono strumentate le armature dei pali, a maturazione avvenuta, durante le prove di carico statiche vengono monitorate le deformazioni alle varie quote dei pali in corrispondenza delle sezioni strumentate.
Gli estensimetri possono essere applicati su parti meccaniche, su strutture in cls, su barre di armatura del cemento armato, su strutture in acciaio ecc. essi trovano grande utilizzo nella costruzione di sensori come le celle per la misura della forza, della coppia, della pressione etc.

Modalità esecutive

Dalla scelta dei punti di applicazione degli ER dipende la significatività dei risultati che si otterranno. Dunque, la prima operazione da compiere è appunto l'individuazione dei punti di istallazione, essi dipendono, principalmente, dallo scopo che si prefigge la misura. Ad esempio, se si deve determinare una
tensione su una barra sottoposta ad uno stato di tensione monoassiale parallelo all'asse della barra, l'estensimetro dovrà essere istallato con l'asse della griglia parallelo all'asse della barra stessa. Per le diverse combinazioni che si possono verificare in termini di sollecitazione, l'estensimetria prevede altrettanti schemi di istallazione che consentono di misurare le deformazioni prodotte dagli stati tensionali.
Per una corretta istallazione estensimetrica occorre seguire diverse fasi che devono susseguirsi in una sequenza cronologica La prima fase di un'istallazione riguarda la pulizia della superficie, da questa attività dipende il corretto incollaggio dell'ER. Un buon incollaggio deve assicurare la perfetta aderenza tra l'ER e la superficie del supporto, questo garantirà un totale trasferimento delle deformazioni conferendo una
elevata affidabilità alla misura.
Si procede, inizialmente, all'asportazione dello strato di protezione dell'elemento sino ad ottenere la superficie dell'acciaio completamente priva di impurità. Dopo la prima pulitura, si esercita un'azione meccanica con carta abrasiva variando progressivamente il grado di abrasione. Si inizia con
carte a grana più grossa (tipo 80/100) sino ad arrivare a quelle di grana più fine (tipo 250/300), quando è raggiunto il giusto grado di irruvidimento si procede ad una più accurata pulizia.
Si può procedere con solventi chimici a base organica che asportano le impurità grazie alla loro azione solvente, oppure si può procedere attraverso l'attacco chimico combinando l'azione di un acido debole con una successiva neutralizzazione per mezzo di una sostanza basica. incollaggio e la perfetta aderenza tra estensimetro e supporto. Quando la superficie ha raggiunto il grado di irruvidimento necessario si è passati alla ulteriore pulizia mediante attacco chimico con sostanza acida, poi neutralizzata con un neutralizzatore.
Di seguito si è passati all'incollaggio dell'ER. Atteso il tempo necessario alla catalizzazione dell'adesivo, si è proceduto all'applicazione del primo strato di protettivo. È da precisare che la protezione degli Er è di fondamentale importanza, essi, infatti, risentono molto dell'umidità ambientale e della polvere. Nell'ultima fase si è proceduto alla saldatura dei cavi con l'ER ed al loro corretto fissaggio in modo da evitare  distacchi del sensore a causa del movimento dei cavi stessi.