Crepe nascoste? Utilizza l'imaging IR per l'analisi dello stress termico del granito

Presso ZHHIMG® siamo specializzati nella produzione di componenti in granito con precisione nanometrica. Ma la vera precisione va oltre la tolleranza di fabbricazione iniziale; comprende l'integrità strutturale a lungo termine e la durabilità del materiale stesso. Il granito, sia utilizzato in basi di macchine di precisione che in costruzioni su larga scala, è soggetto a difetti interni come microfessure e vuoti. Queste imperfezioni, combinate con lo stress termico ambientale, determinano direttamente la longevità e la sicurezza di un componente.

Ciò richiede una valutazione avanzata e non invasiva. La termografia a infrarossi (IR) si è affermata come metodo fondamentale per i controlli non distruttivi (NDT) del granito, fornendo un mezzo rapido e senza contatto per valutarne lo stato di salute interno. In abbinamento all'analisi della distribuzione delle sollecitazioni termiche, possiamo andare oltre la semplice individuazione di un difetto e comprenderne appieno l'impatto sulla stabilità strutturale.

La scienza della visione del calore: principi dell'imaging IR

La termografia IR funziona catturando l'energia infrarossa irradiata dalla superficie del granito e traducendola in una mappa di temperatura. Questa distribuzione di temperatura rivela indirettamente le proprietà termofisiche sottostanti.

Il principio è semplice: i difetti interni agiscono come anomalie termiche. Una crepa o un vuoto, ad esempio, ostacolano il flusso di calore, causando una differenza di temperatura rilevabile rispetto al materiale sano circostante. Una crepa potrebbe apparire come una striscia più fredda (che blocca il flusso di calore), mentre una regione altamente porosa, a causa delle differenze di capacità termica, potrebbe mostrare un punto caldo localizzato.

Rispetto alle tecniche NDT convenzionali, come l'ispezione a ultrasuoni o a raggi X, l'imaging a infrarossi offre vantaggi distintivi:

• Scansione rapida su ampie aree: una singola immagine può coprire diversi metri quadrati, il che la rende ideale per la scansione rapida di componenti in granito di grandi dimensioni, come travi di ponti o basamenti di macchinari.
• Senza contatto e non distruttivo: il metodo non richiede alcun accoppiamento fisico o mezzo di contatto, garantendo l'assenza di danni secondari alla superficie incontaminata del componente.
• Monitoraggio dinamico: consente l'acquisizione in tempo reale dei processi di variazione della temperatura, essenziale per identificare potenziali difetti indotti termicamente man mano che si sviluppano.

Sbloccare il meccanismo: la teoria dello stress termico

I componenti in granito sviluppano inevitabilmente sollecitazioni termiche interne dovute a fluttuazioni della temperatura ambiente o a carichi esterni. Questo fenomeno è regolato dai principi della termoelasticità:

• Disallineamento della dilatazione termica: il granito è una roccia composita. Le fasi minerali interne (come feldspato e quarzo) hanno coefficienti di dilatazione termica diversi. Al variare della temperatura, questo disallineamento porta a un'espansione non uniforme, creando zone concentrate di sollecitazione a trazione o compressione.
• Effetto di limitazione dei difetti: difetti come crepe o pori limitano intrinsecamente il rilascio di sollecitazioni localizzate, causando elevate concentrazioni di sollecitazioni nel materiale adiacente. Questo agisce come un acceleratore per la propagazione delle cricche.

Simulazioni numeriche, come l'analisi agli elementi finiti (FEA), sono essenziali per quantificare questo rischio. Ad esempio, in presenza di un'escursione termica ciclica di 20 °C (simile a un tipico ciclo giorno/notte), una lastra di granito contenente una crepa verticale può subire sollecitazioni di trazione superficiali che raggiungono i 15 MPa. Dato che la resistenza a trazione del granito è spesso inferiore a 10 MPa, questa concentrazione di sollecitazioni può causare l'espansione della crepa nel tempo, con conseguente degrado strutturale.

Ingegneria in azione: uno studio di caso sulla conservazione

In un recente progetto di restauro di un'antica colonna di granito, la termografia a infrarossi ha identificato con successo un'inaspettata fascia fredda anulare nella sezione centrale. Successive perforazioni hanno confermato che si trattava di una crepa orizzontale interna.

È stata avviata un'ulteriore modellazione dello stress termico. La simulazione ha rivelato che il picco di stress a trazione all'interno della fessura durante il caldo estivo ha raggiunto i 12 MPa, superando pericolosamente il limite del materiale. La bonifica richiesta è stata un'iniezione di resina epossidica di precisione per stabilizzare la struttura. Un controllo IR post-riparazione ha confermato un campo di temperatura significativamente più uniforme e la simulazione dello stress ha convalidato che lo stress termico era stato ridotto a una soglia di sicurezza (inferiore a 5 MPa).

L'orizzonte del monitoraggio sanitario avanzato

L'imaging termico a infrarossi, abbinato a una rigorosa analisi delle sollecitazioni, fornisce un percorso tecnico efficiente e affidabile per il monitoraggio strutturale dello stato di salute (SHM) delle infrastrutture critiche in granito.

Il futuro di questa metodologia punta verso una maggiore affidabilità e automazione:

1. Fusione multimodale: combinazione di dati IR con test a ultrasuoni per migliorare l'accuratezza quantitativa della valutazione della profondità e delle dimensioni dei difetti.
2. Diagnostica intelligente: sviluppo di algoritmi di apprendimento profondo per correlare i campi di temperatura con i campi di stress simulati, consentendo la classificazione automatica dei difetti e la valutazione predittiva del rischio.
3. Sistemi IoT dinamici: integrazione di sensori IR con tecnologia IoT per il monitoraggio in tempo reale degli stati termici e meccanici in strutture in granito di grandi dimensioni.

Grazie all'identificazione non invasiva dei difetti interni e alla quantificazione dei rischi di stress termico associati, questa metodologia avanzata prolunga significativamente la durata di vita dei componenti, offrendo una garanzia scientifica per la conservazione del patrimonio e la sicurezza delle principali infrastrutture.