Nel panorama della costruzione moderna, il controllo qualità (CQ) dei materiali strutturali rappresenta il pilastro fondamentale per garantire sicurezza, durabilità e conformità normativa. In particolare, nei test di flessione del calcestruzzo armato, la curva momento-deflessione non è solo un indicatore qualitativo, ma un parametro critico che riflette direttamente la capacità portante e la duttilità della struttura. In questo articolo si analizza, con dettaglio tecnico e pratico, come implementare il controllo qualità in tempo reale mediante sensori IoT, partendo dalle normative UNI EN 206 e UNI 10873, fino all’automazione avanzata dell’analisi e integrazione con modelli BIM, con focus esclusivo su processi operativi, errori frequenti e soluzioni consolidate nel contesto italiano.

Fondamenti tecnici: flessione, normative e correlazione con le prestazioni strutturali

  1. Definizione tecnica della flessione: Nel calcestruzzo armato, la flessione rappresenta la deformazione a momento che si verifica quando il materiale è sottoposto a carichi distanti dal suo asse neutro. Secondo l’equazione della trave elastica M. Bettini, «Strutture in calcestruzzo: analisi e progetto», Edizioni Ambiente, 2022, il momento flettente $ M(x) $ è legato alla curvatura $ \kappa $ e al modulo di elasticità $ E $ tramite $ M(x) = E \cdot I \cdot \kappa $, dove $ I $ è il momento d’inerzia della sezione. La curvatura $ \kappa = d²y/dx² $, con $ y $ deflessione, permette di calcolare il momento e, di conseguenza, la resistenza a flessione $ M_f = M_{max} $.
  2. Normative di riferimento: Le norme UNI EN 206 (classificazione del calcestruzzo) e UNI 10873 (prova di flessione su provini non armati e armati) stabiliscono i criteri per definire i limiti di deformazione, la resistenza a flessione ($ f_{m,max} $) e le soglie di allarme per anomalie strutturali. Per il calcestruzzo armato, la resistenza a flessione deve rispettare valori minimi pari al 90% o al 120% del valore progettuale a seconda della categoria strutturale (strutture semplici, continue, a campata lunga).
  3. Soglie di allarme: Basate sul progetto strutturale e sulle certificazioni, le soglie temporanee si calcolano come deviazioni del 15% rispetto alla curva teorica o come soglie assolute derivate da $ f_{m,max} = 0.85 \cdot f_{c,max} $ (dove $ f_{c,max} $ è la resistenza a compressione caratteristica). Un allarme si attiva quando la deflessione locale o la curva momento supera tali limiti, indicando possibile danneggiamento o sovraccarico.

«La flessione non è solo un dato, ma un segnale vitale dello stato strutturale: misurarla in tempo reale consente interventi proattivi che evitano collassi e costi di riparazione elevati»

Integrazione IoT: architettura, sensori e installazione critica

  1. Scelta dei sensori: Per test di flessione in cantiere, si prediligono estensimetri a filo (strain gauge) con precisione ≥ 0.01%, tipicamente modelli come il Meggitt M-131 o sensori industriali Siemens SIMATIC EMC 5020, resistenti a vibrazioni e umidità elevata (classe IP67). Si evitano sensori a filamento resistivo per la scarsa stabilità. La selezione considera anche il range dinamico: per campioni fino a 50 MPa, sensori con sensibilità 5 mV/V e range 0-200 με sono ottimali.
  2. Installazione su campioni: Il collamento avviene con adesivi polimerici speciali (es. Loctite 565) approvati per calcestruzzo, applicati in strati uniformi (1-2 mm) per non compromettere la resistenza a compressione (test compressivo post-installazione ≤ 95% del valore di progetto). Si evita il contatto diretto con armature per non alterare la misura; il punto di fissaggio deve essere centrato nella trave e protetto da rivestimenti impermeabili durante il carico.
  3. Gateway IoT: Si utilizza un gateway industriale come Siemens SIMATIC IOT2000 o AWS IoT Greengrass per la raccolta e trasmissione dati. La configurazione prevede:
    • Condizionamento del segnale con filtro anti-rumore a banda stretta (1-100 Hz), amplificazione differenziale per ridurre interferenze elettromagnetiche (EMC compliance EN 55032)
    • Protocollo MQTT con TLS 1.3 per trasferimento sicuro a cloud
    • Sincronizzazione temporale tramite NTP o GPS per garantire tracciabilità temporale con precisione < 10 ms

    4. Pipeline tecnica: condizionamento, validazione e archiviazione in tempo reale

    1. Condizionamento del segnale: Il segnale grezzo degli estensimetri è amplificato con amplificatori operazionali a basso rumore (es. OPA216), filtrato con filtro passa-banda analogico (10 Hz–200 Hz) per eliminare interferenze ad alta frequenza. Si applica una correzione non lineare basata su curve di calibrazione multiple (mappa Gamma) per compensare deriva termica e drift.
    2. Validazione in tempo reale: Algoritmi di controllo qualità implementati a livello di gateway includono:
      • Controllo outlier via deviazione standard (±3σ) su finestre scorrevoli 5 secondi
      • Sincronizzazione temporale tra sensori tramite protocollo NTP o segnale GPS (latenza < 50 ms)
      • Validazione della continuità del segnale con checksum ciclici

      Dati validati vengono salvati in formato JSON con timestamp preciso (precisione microsecondi) e memorizzati localmente (edge storage su Raspberry Pi industriale) e in cloud (AWS S3 o Azure Blob Storage) con policy di backup multi-regione.

    3. Aggregazione e integrazione: I dati vengono estratti tramite API MQTT o REST, trasformati in JSON strutturato con campi {"timestamp": "2024-05-20T10:30:15.123Z", "bending_moment": "125.6 kN.m", "deflection": "4.2 mm", "sample_id": "S-047"}, e inviati a piattaforme di monitoraggio come ThingWorx o Azure IoT Hub per visualizzazione e analisi.

    Fase 1: calibrazione e sincronizzazione del sistema di misura

    1. Pianificazione della calibrazione: La frequenza ideale è trimestrale, ma dopo eventi sismici o modifiche strutturali, si procede con calibrazione immediata. Il protocolto include:
      • Confronto delle letture del sensore con un référence certificato (es. cella di carico dinamica di classe 5)
      • Calibrazione in laboratorio su campioni standard con deformazioni note (0.5% a 2%)
      • Documentazione certificata con tracciabilità ISO/IEC 17025
    2. Sincronizzazione temporale: Si configura un server NTP locale con server di riferimento (es. time.gov.it), o si installa un modulo GPS PPS per sincronizzazione GPS (precisione sub-millisecondo). La verifica avviene con test di round-trip < 20 ms tra nodi.
    3. Test di rete IoT: In condizioni simulate di cantiere (umidità 85%, interferenze RF da gru e macchinari), si esegue un test end-to-end con invio di 1000 dati/ora. Si monitora la latenza media (target < 100 ms) e la percentuale di pacchetti persi (target < 0.