Un'applicazione innovativa per la taratura dei sismometri: l'apparecchiatura STASI - Tecnologie antisismiche

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QUALCHE SPUNTO SU...

Un'applicazione innovativa per la taratura dei sismometri: l'apparecchiatura STASI


Intervista ad Aldo Renato Terrusi 

 Menzione Speciale tra le "Eccellenze ENEA 2008"

 

Presso i laboratori di Qualificazione Materiali, Componenti e Sistemi della Casaccia si trovano due Tavole Sismiche (con caratteristiche molto particolari: hanno movimenti combinati tali da simulare un sisma in tutti i suoi aspetti, oltre a supportare carichi di diverse tonnellate che permettono la sperimentazione su modelli di edifici anche in scala naturale, ponendosi tra le più sofisticate del mondo) e Vibratori elettrodinamici indispensabili per verificare praticamente la resistenza meccanica di qualsiasi manufatto prima che questi possa essere prodotto in serie: in poche ore di prova è possibile simularne l’intera vita. Gli oggetti che hanno necessità di essere sottoposti a prove di vibrazione, per poter essere certificati, sono i più vari: dai semplici componenti di un elettrodomestico ai satelliti artificiali imbarcati sulle navette spaziali.

Sulle Tavole Sismiche è possibile invece sperimentare la resistenza di strutture, l’efficacia di prodotti antisismici e mettere a punto strategie e strumenti per la ristrutturazione dell’edilizia, oltre che sviluppare sistemi di calcolo predittivi.

Ad occuparsi della manutenzione, sia delle Tavole Sismiche che dei Vibratori elettrodinamici (del valore complessivo di oltre 11 milioni di Euro), è il tecnologo Aldo Terrusi, specialista di sensoristica innovativa, con un ricco bagaglio professionale acquisito negli anni sia sugli impianti pilota che nella sperimentazione di nuovi sistemi.

Proprio in questi laboratori all’avanguardia in Italia è stato realizzato STASI, che ha consentito a Terrusi di ottenere la Menzione Speciale per l’invenzione per le Eccellenze ENEA 2008.    

Terrusi ci può spiegare cosa è e a che cosa serve STASI?
La destinazione dello STASI sta già nel suo acronimo: Sistema per la Taratura di Accelerometri e Sismometri.
Prima ancora di entrare nel merito dello strumento STASI forse è bene accennare a che cosa sono e a cosa servono gli accelerometri e i sismometri.
Gli accelerometri o i sismometri sono trasduttori, cioè elementi che devono acquisire un segnale meccanico e trasformarlo in un’unità ingegneristicamente comprensibile come la tensione o la corrente. In particolare, i trasduttori di cui parliamo sono strumenti sensibili alle accelerazioni ovvero alle variazioni di velocità nel tempo. Essi sono quindi in grado di misurare delle vibrazioni che si possono definire come l’insieme delle oscillazioni attorno ad un punto di equilibrio. Le oscillazioni sono determinate essenzialmente dalla frequenza (ovvero dal  numero di oscillazioni al secondo) e dalla ampiezza ( il massimo valore della grandezza).
In particolare, per quanto riguarda le vibrazioni meccaniche, le possiamo dividere in due grandi gruppi: vibrazioni a bassa frequenza, da 0,01 a 50 Hz e quelle a frequenza più alta, da 50 a 20.000 Hz. Ovviamente l’estensione delle frequenze vibratorie si estende sia sotto lo 0,01 Hz sia oltre i 20 KHz.
Le vibrazioni indotte a bassa frequenza sono tipicamente di tipo sismico cioè determinate da un movimento tellurico che raramente supera l’accelerazione di 1 g (10 ms-2 ) equivalente, a circa 10-12 gradi della scala sismica Mercalli che significa praticamente distruzione completa di tutto ciò che si trova nell’epicentro. Ricordiamo che g sta per accelerazione di gravità.
Vi sono comunque anche altri fenomeni naturali come le onde oceaniche, ecc., che hanno lunghezze d’onda piuttosto ampie, le vibrazioni a frequenze più alte invece sono indotte tipicamente da sistemi meccanici in movimento  con accelerazioni che possono raggiungere svariati g.
Premesso ciò, i sismometri (per le basse frequenze) e gli accelerometri (per frequenze più alte) vengono progettati e costruiti per coprire in modo più efficiente la loro destinazione d’uso.

Perché lo  STASI è considerato uno strumento innovativo?
Dunque, anche qui facciamo un piccolo passo in dietro.
Gli strumenti da sempre utilizzati per la taratura degli accelerometri e dei sismometri sono apparati di eccitazione di tipo lineare, cioè sistemi che producono un movimento alternato conosciuto in frequenza ed in ampiezza. Lo STASI invece sviluppa un metodo decisamente innovativo ed alquanto inconsueto: invece di eccitare il trasduttore, sotto taratura, con uno spostamento oscillante, lo fa ruotare su se stesso, utilizzando come unità primaria di confronto direttamente l’accelerazione di gravità terrestre.
Il campo di misura coperto da questo sistema (frequenze comprese tra 0,01 e 10 Hz ad una accelerazione di 1 g) è tipico del settore sismico in cui si verificano i maggiori danni alle strutture edili (dighe, ponti, palazzi, ecc.) ma allo stesso campo di misura sono interessati anche accelerometri per sistemi nautici, aeronautici e più in generale quelli usati nel settore dell’automazione.
Il metodo della rotazione, adottato dallo STASI gli permette di ottenere prestazioni uniche a livello mondiale, impossibili con la strumentazione tradizionale.
Un esempio per tutti: se un apparato tradizionale di tipo lineare dovesse tarare un sismometro alla frequenza di 0,01 Hz e all’accelerazione di 1 g (caso limite) dovrebbe essere lungo circa 5000 metri e la gondola che ospita il trasduttore in prova dovrebbe muoversi alla velocità di circa 570 Km/ora, per contro l’apparato rotativo dello STASI ha una cubatura di circa mezzo metro.

Qual è lo stato dell’arte di questo tipo di strumenti?
Le apparecchiature normalmente utilizzate dai laboratori accreditati, a livello internazionale, per tarare accelerometri e sismometri ad 1 g sono vibratori o shakers che presentano limiti di funzionamento sotto i 5 Hz.
Per ovviare alla carenza intrinseca dei vibratori meccanici sono stati studiati e sviluppati sistemi a traslazione lineare con campo magnetico variabile. Ottime apparecchiature che però, come si è detto hanno limiti dimensionali. Per questo motivo detti sistemi sono di costruzione estremamente complessa ed inoltre devono essere supportati da sofisticati sistemi di controllo che concorrono a lievitarne i costi in modo esponenziale rendendone la commercializzazione praticamente impossibile.
Per fare solo un esempio presso l’Istituto Primario di Taratura tedesco PTB (Physikalisch-Technischen Bundesanstalt) di Berlino, per ovviare alla carenza dei vibratori elettrodinamici tradizionali, è stato studiato, progettato e costruito un sistema a traslazione lineare (lungo oltre due metri) con campo magnetico variabile, che permette di tarare accelerometri ad una frequenza minima di circa 0,5 Hz a 10 ms-2, del costo di oltre 500.000 Euro a cui è necessario aggiungere una somma non indifferente per l’acquisto dell’indispensabile interferometria Laser.
Effettivamente lo STASI è l’unico strumento, a livello internazionale, di dimensioni e costi notevolmente contenuti (circa 30.000 euro), che è in grado di tarare accelerometri  su tre decadi di frequenza (0,01-10 Hz) ad un’accelerazione di 10 ms-2 avendo oltretutto come riferimento diretto un’Unità di riferimento primaria come l’Accelerazione di Gravità e come riferimento secondario un inclinometro con un’incertezza di 0,01 gradi. Tutti gli altri Sistemi di taratura, non avendo le specifiche  tecniche dello STASI, hanno la necessità di un confronto o con un accelerometro campione o con l’interferometria Laser.
Lo STASI si integra bene anche con la strumentazione già esistente in quanto amplia la possibilità di tarare trasduttori a frequenze più basse con l’accelerazione di 1g.
Sull’onda dell’entusiasmo si potrebbe pensare che uno strumento del genere potrebbe anche essere adottato, con le migliorie e i necessari approfondimenti, come Riferimento Primario.

Come è nata questa idea?
Nei laboratori ENEA della Casaccia sono installati impianti per la simulazione sismica che costituiscono un complesso di attrezzature tecnologicamente all’avanguardia nel campo della sperimentazione dinamica di grandi strutture. I laboratori dispongono di due tavole vibranti a 6 gradi di libertà, (in grado di cioè di muoversi in diverse direzioni) tra le più grandi d’Europa, con cui è possibile effettuare prove sismiche di manufatti civili, industriali e storico/monumentali.
Queste tavole sono controllate mediante l’uso di sensori di spostamento ed accelerometri ed hanno un campo di prestazioni compreso tra 0,1 e 100 Hz con accelerazioni che vanno da 0,1 a 5 g.
Quando si è trattato di verificare la risposta degli accelerometri al di sotto dei 5 Hz ad 1 g di accelerazione i vari Laboratori sparsi per il mondo hanno risposto che al di sotto dei 5 Hz non potevano garantire la riferibilità della misura.
Come fare a tarare quegli accelerometri? Poteva essere sufficiente il certificato iniziale rilasciato dalla casa costruttrice all’atto dell’acquisto? Era comunque necessaria una certificazione o quantomeno una verifica dei sensori dopo qualche tempo d’uso.
In laboratorio, in modo empirico, certi accelerometri possono essere verificati (staticamente) semplicemente capovolgendoli (±1g), altri per loro costituzione rispondono solo dinamicamente. Quindi, comunque, non sarebbe stato possibile fare una taratura completa e corretta.
Perché non provare a far ruotare i trasduttori su se stessi a diverse velocità in modo da simulare le diverse frequenze?
Da questa ipotesi è partita l’idea della taratura mediante la rotazione, quindi il progetto ed immediatamente dopo il Brevetto (N° RM2004A000147 del 22 Marzo 2004).

Come è stata portata avanti la realizzazione del progetto?
Dopo l’idea e la conseguente progettazione che aveva portato al Brevetto era comunque necessario constatare sperimentalmente ciò che sulla carta poteva essere una buona idea ma che nella realtà si sarebbe potuta rivelare di difficile realizzazione.
E’ stato quindi necessario riunire una serie di competenze di alto profilo di meccanica, elettronica, elettrotecnica ed informatica per poter constatare quanto ipotizzato.
Una società di Milano, la BPS che già collaborava con ENEA, si è proposta per la realizzazione del prototipo.
La sperimentazione e l’analisi del principio di funzionamento del Sistema è stato eseguito presso il Laboratorio di Metrologia Centro SIT N° 10 dell’ENEA Casaccia. In tale ambito è stato possibile apportare diverse modifiche necessarie per rendere lo strumento efficiente ed affidabile. Presso il Centro SIT si è proceduto alla verifica teorica della sperimentazione dello STASI concludendo che il progetto, così come era stato pensato, aveva una reale applicabilità. Altre modifiche al prototipo furono apportate successivamente tenendo conto delle osservazioni dell’Istituto Primario I.N.RI.M (Istituto Nazionale per la Ricerca Metrologica) a cui era stata richiesta una consulenza.
Ulteriori verifiche incrociate, tra il Centro SIT n° 10 e la BPS, hanno poi portato all’industrializzazione finale dell’apparato.

Lo STASI ha avuto o potrà avere in futuro uno sviluppo commerciale?
E necessario premettere che lo STASI, essendo un’apparecchiatura adibita alla taratura di altri strumenti di misura, deve presentare caratteristiche tecniche ineccepibili che richiedono particolare cura nella costruzione e nella messa a punto. In particolare essendo il suo uso focalizzato verso prodotti di non grande diffusione, esso è utile soprattutto a Istituti di Metrologia o Laboratori di taratura. Il Sistema, pertanto, è da considerarsi decisamente come un prodotto di nicchia e quindi non è ipotizzabile una grande diffusione ed é prevedibile la vendita di pochi esemplari, almeno in Italia.
Alla luce dei primi dati positivi, sia sperimentali che teorici, la BPS ha acquistato dall’ENEA la licenza per la produzione e la vendita del Sistema.
Successivamente, a sperimentazione avvenuta, è stata presentata una memoria sul prototipo dello STASI al  V Congresso di Metrologia & Qualità di Torino e sono stati pubblicati alcuni articoli su riviste nazionali ed internazionali.
Al momento sembrano interessati all’acquisto sia l’I.N.RI.M che il Politecnico di Torino oltre ad alcuni Laboratori nazionali.
Attualmente è stata accettata una memoria al VI Congresso di Metrologia & Qualità di Torino sulla industrializzazione dello STASI così come saremo presenti al prossimo Congresso Internazionale di Metrologia a Parigi.

 

Laboratorio di taratura accelerometri SIT N.10 della Casaccia: in primo piano l'apparecchiatura STASI

Primo esemplare di STASI pronto per essere commercializzato

Panoramica del Laboratorio di dinamica strutturale della Casaccia, dove si svolgono prove di simulazione sismica con le tavole 2x2 e 4x4.

Aldo Terrusi nel laboratorio di taratura accelerometri accanto a STASI

 

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