Progressi tecnologici nella strumentazione di pali di fondazione

Il monitoraggio durante la battitura dei pali di fondazione (Pile Driving Monitoring – PDM) e le prove di carico dinamiche (Pile Dynamic Testing – PDT) sono tecniche ampiamente utilizzate nel settore, per garantire l’integrità strutturale del palo durante la battitura e ottenere un’installazione sicura ed economica. Il monitoraggio durante la battitura consente di valutare il comportamento del palo durante l’installazione e di confermare le ipotesi assunte in fase di progetto. Inoltre, assicura che l’installazione avvenga secondo i criteri stabiliti e fornisce elementi chiave per il calcolo della resistenza alla penetrazione offerta dal suolo e una stima dell’efficienza del sistema.

Il monitoraggio durante la battitura dei pali prevede l’installazione di trasduttori di deformazione e accelerometri nella parte superiore del palo. L’impatto del battipalo genera onde di compressione che viaggiano lungo il palo mobilitando l’attrito laterale all’interfaccia fusto/terreno e la capacità di base. Le onde di volume vengono quindi riflesse, generando onde che viaggiano in direzione opposta verso la testa del palo.

Le onde incidenti e riflesse vengono registrate, attraverso i sensori installati nella parte superiore del palo, e analizzate, convertendo le deformazioni in tensioni e forze agenti nel palo, mentre le accelerazioni vengono integrate ottenendo velocità e spostamenti. L’onda diretta verso il basso (incidente) e l’onda diretta verso l’alto (riflessa), note le componenti di forza e velocità, possono essere isolate dalle onde totali registrate al livello dei sensori. La capacità portante ultima o la resistenza alla penetrazione del palo possono essere stimate tramite un processo di inversione dell’onda riflessa e un suo confronto con l’onda incidente. Questo processo è comunemente noto come “Signal Matching”. La forza e le velocità registrate, integrate nel tempo, vengono inoltre utilizzate per l’energia effettiva trasmessa dal battipalo al palo, fornendo indicazioni sull’efficienza del sistema di battitura.

An Example of Signal Matching

Lo sviluppo della strumentazione per il monitoraggio dell’installazione di pali di fondazione per la determinazione della capacità portante di pali battuti o gettati in opera (in questo caso prove di carico dinamiche), iniziò negli anni ’50. La strumentazione esistente per il monitoraggio dell’installazione dei pali offre numerosi vantaggi ma anche numerose limitazioni.

Sostituendo le tradizionali prove di carico statiche con prove di carico dinamiche o con la strumentazione dei pali durante la battitura per la determinazione della capacità assiale del palo, è stato possibile ridurre considerevolmente la complessità, i costi e i tempi di esecuzione della prova. Tali miglioramenti risultano ancor più efficaci per il controllo e il collaudo di pali offshore.

Tuttavia, il monitoraggio standard dell’installazione non consente una misura precisa della distribuzioni delle resistenze lungo il fusto del palo, fornendone solamente una stima approssimativa. Le sollecitazioni generate lungo il fusto del palo durante l’installazione sono calcolate sulla base di misure effettuate in testa al palo e di ipotesi di comportamento dinamico del terreno. La conoscenza delle sollecitazioni e della loro distribuzione lungo il palo sono necessarie per determinare la fatica accumulata dall’acciaio durante la battitura e/o per controllare e ridurre il rischio di danneggiamento alla base del palo.

I recenti progressi tecnologici ottenuti per i sensori a fibra ottica e in particolare nelle frequenze di acquisizione disponibili, consentono con successo il loro utilizzo per il monitoraggio della battitura dei pali, permettendo il superamento di alcuni dei limiti riscontrati. Dall’inizio del 2018, G-Octopus ha realizzato diverse strumentazioni di pali con questa tecnologia, sia lungo il fusto del palo (in combinazione con la strumentazione tradizionale installata al testa al palo) sia come parziale sostituzione della strumentazione tradizionale in testa.

Numerosi sono i vantaggi offerti dall’utilizzo di questa tecnologia per il monitoraggio delle fondazioni profonde. Rispetto alla strumentazione convenzionale, l’impatto sulla struttura (in particolare per i pali battuti) è relativamente basso per via del peso e delle dimensioni ridotte di questi sensori. Questi sensori non richiedono fori per il fissaggio o saldature, considerati critici per l’integrità strutturale di pali di fondazioni dei campi eolici. Questi sensori non richiedono inoltre l’utilizzo di angoli di protezione, elementi che negli ultimi tempi hanno causato incidenti durante l’installazione o problematiche di acquisizione dei dati. L’utilizzo di trasduttori di deformazione a fibra ottica (in combinazione con accelerometri) consente il monitoraggio durante l’installazione del palo, ma gli stessi sensori possono essere utilizzati in seguito per un monitoraggio dell’integrità strutturale del palo a lungo termine.

Le prove effettuate hanno portato a misurazioni ad altissima risoluzione e a un incremento del tasso di sopravvivenza dei sensori a fibra ottica installati prossimo al 100 percento, contro il 20-30 percento dei sensori tradizionali ( o anche meno a medio e lungo termine). Il loro impiego lungo il fusto di palo consente la misura delle sollecitazioni generante durante la battitura lungo tutto lo sviluppo del palo. Questa metodologia è particolarmente utile in condizioni di installazione complesse, quando vi è il rischio di danneggiamento alla punta del palo o per la stima del danneggiamento a fatica accumulato dall’acciaio durante la battitura. Grazie alla loro comprovata durabilità, i sensori possono essere riutilizzati per monitorare deformazioni e sollecitazioni durante la vita utile del palo, soddisfacendo le crescenti richieste di nuove soluzioni tecniche nel settore eolico offshore.

In ambiente marino, i sensori a fibra ottica offrono una maggiore durabilità e risultano meno fragili rispetto ai tradizionali sensori resistivi, a un costo comparabile con quest’ultimi. La sensibilità all’acqua è ridotta dall’assenza di corrente, così come del fenomeno di ossidazione. La resistenza agli urti è inoltre maggiore e la perdita di informazioni è ridotta in caso di attenuazione del segnale. L’efficacia e l’efficienza dell’utilizzo dei sensori a fibra ottica non risiede solamente nel monitoraggio del comportamento del palo durante la battitura, ma anche nel monitoraggio delle strutture durante la loro vita utile.

Conclusioni

La qualità delle registrazioni e la possibilità di aumentare i punti di misura per via della ridotta dimensione dei sensori possono ridurre sensibilmente le incertezze in termini di interpretazione. Tuttavia, l’interpretazione dei dati richiede ancora conoscenze ingegneristiche, strutturali e geotecniche, e competenza nella modellistica numerica per comprendere la propagazione delle onde e la loro sovrapposizione durante la battitura dei pali.

Le limitazioni riscontrate nell’utilizzo degli estensimetri a fibra ottica, sono risultate minori. Infatti, la compensazione della temperatura, richiesta per il monitoraggio strutturale a lungo termine, può essere fornita tramite l’utilizzo di sensori a fibra ottica.

L’installazione di sensori a fibra ottica posizionati lungo il fusto del palo, sopra e al di sotto del piano campagna, si sta sviluppando in modo da poter confermare le ipotesi assunte in fase di progettazione, come l’interazione terreno/palo, il comportamento dinamico del terreno e le sollecitazioni indotte durante la battitura e gli effetti della geometria del palo nel processo di installazione. Inoltre questo sviluppo consentirà l’identificazione di un possibile degrado della resistenza del suolo nel tempo o di danneggiamenti alla fondazione stessa, a causa di sollecitazioni cicliche.