Sedimetro Bless per il monitoraggio dello scavo localizzato. Analisi sperimentale di laboratorio

L’erosione del terreno intorno alle pile di un ponte durante un evento di piena fluviale è una delle principali cause del crollo strutturale [Ballio F. & Orsi E.,2001, Melville BW. & Coleman CF., 2000]. Le formule presenti in letteratura per descrivere questo fenomeno non risultano affidabili [Johnson P. et al., 2015]. Da qui la necessità di implementare un sistema di monitoraggio che consenta una valutazione real-time dell’evoluzione dello scavo localizzato, al fine di garantire durante gli eventi di piena una migliore gestione della struttura (es. permettere la circolazione, limitarla o chiudere il ponte). Nel panorama delle strumentazioni ad oggi disponibili manca un sistema che possa essere considerato “standard” e universalmente applicabile per questa tipologia di misura. Lo strumento BLESS, brevetto del Politecnico di Milano [Cigada A. et al., 2008], è stato sviluppato allo scopo di determinare l’interfaccia solido liquida tramite misure puntuali di differenza di scambio termico. Si compone di una fibra ottica, con inseriti al suo interno sensori di Bragg (misurano la temperatura dell’ambiente in cui sono immersi), e un sistema scaldante. La strumentazione, adeguatamente protetta, viene parzialmente infissa nel terreno in prossimità della pila di un ponte. Il calore introdotto con il sistema scaldante, in parte scalda i sensori, che percepiscono un aumento di temperatura, in parte viene dissipato verso l’ambiente esterno con differenti meccanismi: conduzione per la parte interrata, convezione per la parte esposta all’acqua corrente. Viene misurata la differenza di scambio termico tra i sensori posti in terra, che si scaldano maggiormente, e i sensori posti in acqua, che presentano salti termici inferiori poiché dissipano più calore. Le prime analisi sperimentali in laboratorio sono iniziate nel 2007, mentre la pubblicazione del primo articolo scientifico risale al 2011. Nello stesso anno è stata completata la prima applicazione di campo, all’interno di un sistema di monitoraggio su una pila del ponte stradale di Borgoforte che attraversa il fiume Po (grazie ad una collaborazione con la Provincia di Mantova). Nel 2014 è stato posizionato un secondo BLESS presso il ponte che collega due edifici della ditta Loccioni (Angeli di Rosora, Ancona); infine nel 2015 è stata effettuata un’installazione in una vasca di raccolta di sedimenti dovuti al trasporto solido di un torrente montano (Tissino, Cerreto di Spoleto, Umbria) grazie alla collaborazione con il centro funzionale della protezione civile Umbra. In tutte le applicazioni sono state apportate alcune modifiche al BLESS cercando da un lato di rendere lo strumento adatto alle specifiche misure da effettuare e al tipo di ambiente e dall’altro sviluppando soluzioni sempre più performanti e robuste per applicazioni di campo. A seguito delle 3 installazioni e dell’esperienza maturata in questi anni si è deciso di creare diverse versioni di BLESS da testare in laboratorio, associando un modello termico per l’interpretazione fenomenologica al fine di sviluppare una configurazione “definitiva” dello strumento. Il presente lavoro di tesi si inserisce in questo filone di ricerca con lo scopo di realizzare la prima campagna sperimentale di confronto tra 4 varianti di BLESS a disposizione, differenti per metodi costruttivi, materiali e struttura. Il Capitolo 1 fornisce una panoramica delle strumentazioni utilizzate per il monitoraggio dei fenomeni erosivi localizzati negli alvei fluviali. È presentata la ricerca bibliografica svolta (incentrata su sistemi testati in laboratorio) e la descrizione delle tipologie trovate. Il Capitolo 2 presenta lo strumento BLESS e lo descrive nelle sue componenti. Vengono illustrate le equazioni dei processi fisici che stanno alla base del suo funzionamento e si descrive il comportamento del sistema. Il Capitolo 3 presenta le 4 differenti configurazioni BLESS testate, soffermandosi sulle componenti specifiche ed evidenziando le differenze strutturali. Il Capitolo 4 descrive il setup utilizzato per la campagna sperimentale e le procedure svolte per effettuare una generica prova. Il Capitolo 5 presenta l’analisi dati delle prove svolte, descrivendo qualitativamente il comportamento delle 4 varianti BLESS. Nel Capitolo 6 viene svolto il confronto tra i risultati ottenuti con le 4 configurazioni al fine di valutare quale fornisce migliori prestazioni per l’individuazione della superficie di separazione solido liquida. Nelle appendici si trovano i dati tecnici relativi a: - Appendice A: disposizione delle paratoie a valle del canale per la regolazione della velocità della corrente idrica; - Appendice B: parametri di settaggio delle prove sperimentali e calcoli sui circuiti elettrici dei BLESS; - Appendice C: presentazione dell’interfaccia del codice LabView utilizzato per l’acquisizione dati nella campagna sperimentale; - Appendice D: tabelle con i valori dei salti termici ∆λ a regime registrati nelle prove sperimentali.