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La misura del rumore magnetico di Barkhausen rappresenta una possibile soluzione non distruttiva per la valutazione dello stato tensionale dei trefoli impiegati nei sistemi di post-tensione. Una ricerca presentata da Isabella Mazzatura a FABRE 2026 ha analizzato la correlazione tra la risposta magnetica dell’acciaio e le tensioni applicate, attraverso una campagna sperimentale condotta su trefoli sottoposti a differenti livelli di carico. I risultati evidenziano le potenzialità della metodologia, ma anche la necessità di approfondire l’influenza delle caratteristiche del materiale, delle condizioni superficiali e delle modalità di esecuzione delle misure.
Il rumore magnetico di Barkhausen per la valutazione delle tensioni nei cavi post-tesi
La valutazione dello stato tensionale nei sistemi di post-tensione rappresenta un tema di particolare interesse nell’ambito della diagnostica e del monitoraggio delle infrastrutture esistenti. Conoscere l’effettivo livello di sollecitazione presente nei trefoli costituisce infatti un elemento importante per l’analisi del comportamento strutturale delle opere in calcestruzzo precompresso e per la valutazione delle loro condizioni di sicurezza.
In questo contesto si inserisce la ricerca illustrata da Isabella Mazzatura nel corso di FABRE 2026, sviluppata in collaborazione con l’Università di Padova, S&T&T e Boviar, e dedicata all’applicazione della misura del rumore magnetico di Barkhausen per la valutazione delle tensioni agenti nei trefoli dei cavi post-tesi.
L’obiettivo dello studio è approfondire le possibilità di impiego di una tecnica di indagine non distruttiva basata sulle proprietà magnetiche dell’acciaio, verificando attraverso prove sperimentali la relazione tra il segnale misurato e lo stato tensionale del materiale.
La metodologia presenta aspetti di particolare interesse per le applicazioni infrastrutturali, poiché potrebbe contribuire allo sviluppo di strumenti diagnostici capaci di fornire informazioni sulle sollecitazioni presenti negli elementi metallici senza ricorrere necessariamente a prove distruttive. La sua applicabilità alle strutture reali richiede tuttavia un’attenta caratterizzazione del comportamento del materiale e dei fattori che possono influenzare la risposta magnetica.
Il principio fisico del rumore di Barkhausen e la relazione con lo stato tensionale dell’acciaio
Il rumore magnetico di Barkhausen è un fenomeno che si manifesta nei materiali ferromagnetici quando vengono sottoposti a un campo magnetico variabile.
In condizioni iniziali di magnetizzazione macroscopica pressoché nulla, i domini magnetici presenti nel materiale possono avere orientazioni differenti, tali da compensare complessivamente i rispettivi contributi. Quando viene applicato un campo magnetico esterno, questi domini tendono progressivamente a orientarsi nella direzione del campo.
Il processo di magnetizzazione, tuttavia, non avviene in maniera perfettamente continua. Il movimento delle pareti dei domini magnetici è caratterizzato da variazioni improvvise, dovute anche all’interazione con le discontinuità e i difetti presenti nella microstruttura del materiale.
Questi cambiamenti producono un segnale magnetico discontinuo, noto appunto come rumore di Barkhausen, che può essere rilevato attraverso un opportuno sistema di misura.
L’aspetto più interessante ai fini della diagnostica strutturale riguarda la sensibilità del fenomeno allo stato tensionale del materiale. Le sollecitazioni meccaniche, infatti, possono modificare il comportamento magnetico dell’acciaio e influenzare le modalità con cui avviene il processo di magnetizzazione.
Nel caso di materiali ferromagnetici caratterizzati da magnetostrizione positiva, come gli acciai considerati nella ricerca, l’applicazione di una sollecitazione di trazione può favorire l’orientamento della magnetizzazione lungo la direzione della tensione applicata. In determinate condizioni, questo comportamento facilita la risposta magnetica del materiale, modificando l’intensità del segnale rilevato.
Le sollecitazioni di compressione possono invece determinare effetti differenti, influenzando in maniera diversa l’orientamento dei domini magnetici.
La possibilità di correlare queste variazioni allo stato tensionale costituisce il presupposto dell’impiego del rumore di Barkhausen come tecnica diagnostica.
Gli autori della relazione, presentata a FABRE 2026, sono: Flora Faleschini, Francesca Mattei, Isabella Mazzatura, Anna Pierobon, Carlo Pellegrino, Stefano Tirelli e Filippo Bovio.
La correlazione tra tensione applicata e risposta magnetica non è sempre monotona
Uno degli aspetti maggiormente approfonditi nella ricerca riguarda il comportamento del segnale magnetico al crescere della tensione applicata.
Come evidenziato durante la presentazione, la letteratura scientifica ha già documentato applicazioni della tecnica su trefoli provenienti da infrastrutture esistenti. In particolare, studi condotti su elementi estratti da viadotti hanno mostrato che la relazione tra rumore di Barkhausen e tensione meccanica può modificarsi sensibilmente al superamento di determinati livelli di sollecitazione.
In una prima fase, l’aumento della tensione può essere associato a una variazione del segnale secondo una determinata tendenza. Oltre una certa soglia, tuttavia, tale andamento può invertirsi, dando origine a una risposta non monotona.
Questo fenomeno rappresenta un elemento fondamentale per l’interpretazione delle misure, poiché uno stesso livello di rumore magnetico potrebbe essere associato, in determinate condizioni, a stati tensionali differenti.
Di conseguenza, l’impiego della metodologia non può basarsi esclusivamente sull’ipotesi di una relazione lineare e univoca tra il segnale rilevato e la tensione presente nel trefolo.
La risposta magnetica dipende inoltre da numerosi fattori, tra cui i processi di produzione dell’acciaio, le caratteristiche microstrutturali, lo stato del reticolo cristallino superficiale e le condizioni della superficie analizzata.
Anche la presenza di impurità, fenomeni di ossidazione, corrosione e vaiolatura (pitting) può influire sul segnale, introducendo elementi di variabilità che devono essere considerati nella definizione e nella calibrazione dei protocolli sperimentali.
FABRE 2026: ponti, viadotti e gallerie tra manutenzione, norme e rischi climatici
Il terzo Convegno FABRE 2026 ha riunito ricerca, istituzioni e gestori per migliorare metodi e criteri nella gestione di ponti, viadotti e gallerie. Al centro: nuove norme tecniche, valutazione del rischio, monitoraggio e impatti di eventi estremi e dissesto idrogeologico. INGENIO è media partner e il nostro Direttore Andrea Dari ha moderato l’evento.
LEGGI L’APPROFONDIMENTO
La campagna sperimentale: prove di trazione e confronto con le misure estensimetriche
Per approfondire il comportamento del rumore magnetico di Barkhausen nei trefoli da post-tensione, il gruppo di ricerca ha sviluppato una campagna sperimentale articolata in due successive fasi di prova.
La prima serie di sperimentazioni, svolta a Padova, ha previsto l’applicazione di differenti livelli di tensione a un trefolo, con l’obiettivo di analizzare la variazione del segnale magnetico rispetto alle condizioni iniziali e ai successivi incrementi di carico.
Le misure di Barkhausen sono state affiancate da rilevazioni estensimetriche, utilizzate come riferimento per il confronto con le deformazioni e le tensioni applicate.
Un ulteriore aspetto indagato ha riguardato l’eventuale influenza della posizione del punto di misura. Le acquisizioni sono state pertanto effettuate in differenti zone del trefolo, per verificare se la distanza dalla macchina di prova potesse determinare variazioni significative nei risultati.
Nella prima fase sperimentale, ciascuna acquisizione del rumore magnetico è stata effettuata su un intervallo temporale di 30 secondi, assumendo il valore medio del segnale come parametro rappresentativo.
I parametri di magnetizzazione adottati sono stati scelti facendo riferimento alle configurazioni comunemente impiegate nella letteratura scientifica per questa tipologia di acciaio.
I risultati hanno evidenziato una buona correlazione tra il segnale di Barkhausen e il livello di tensione applicato, fornendo una prima indicazione positiva circa la sensibilità della metodologia alle variazioni dello stato tensionale.
La ricercatrice ha tuttavia sottolineato come il numero di misure effettuate fosse ancora limitato e non consentisse di formulare conclusioni definitive sull’affidabilità del metodo.
In questa prima campagna non è stata inoltre osservata l’inversione di tendenza documentata in alcuni studi precedenti. Tale risultato è stato ricondotto al fatto che le prove non avevano raggiunto livelli di tensione superiori a circa 800 MPa.
Per quanto riguarda la posizione di acquisizione, non sono emerse differenze particolarmente significative tra i vari punti del trefolo. È stata comunque rilevata la possibilità che le misure effettuate in prossimità della macchina di prova presentassero una maggiore variabilità, un aspetto che necessita di ulteriori verifiche sperimentali.
Prove a carichi più elevati: osservata l’inversione della risposta magnetica tra 500 e 700 MPa
La seconda fase della ricerca è stata sviluppata con l’obiettivo di estendere l’intervallo delle sollecitazioni investigate e verificare l’eventuale presenza dell’inversione di tendenza osservata nella letteratura scientifica.
Sono state quindi eseguite nuove prove di trazione a livelli di carico più elevati, mantenendo il confronto tra le acquisizioni del rumore di Barkhausen e le misurazioni estensimetriche.
Rispetto alla prima campagna, è stato necessario modificare la durata delle acquisizioni. Le maggiori difficoltà operative legate al posizionamento del sistema di misura e dell’operatore hanno infatti richiesto tempi più lunghi per ottenere un segnale sufficientemente stabile.
Per questa ragione, l’intervallo temporale utilizzato per la determinazione del valore medio del rumore magnetico è stato aumentato da 30 a 100 secondi.
Questa modifica ha comportato un incremento delle deviazioni standard associate alle misure, evidenziando come anche le condizioni operative possano incidere sulla dispersione dei risultati.
L’analisi dei dati sperimentali ha comunque permesso di individuare un comportamento particolarmente significativo.
A differenza della prima fase, le prove a carichi più elevati hanno evidenziato un’inversione dell’andamento del segnale di Barkhausen per livelli di tensione compresi indicativamente tra 500 e 700 MPa.
Il risultato è coerente, dal punto di vista qualitativo, con quanto documentato in precedenti studi sperimentali e conferma che la relazione tra risposta magnetica e tensione applicata può presentare un andamento non monotono.
Il confronto tra il segnale magnetico e le tensioni nominali, valutate anche attraverso le misure estensimetriche, ha consentito di osservare il cambiamento di tendenza e di rappresentare la variabilità delle acquisizioni mediante le rispettive deviazioni standard.
Questo comportamento assume particolare rilevanza dal punto di vista applicativo. La presenza di una soglia oltre la quale il segnale modifica il proprio andamento rende infatti necessario individuare procedure di calibrazione capaci di interpretare correttamente le misure nell’intero intervallo tensionale di interesse.
La sola misura dell’intensità del rumore di Barkhausen, in assenza di informazioni aggiuntive sulle caratteristiche del materiale e sulle condizioni di sollecitazione, potrebbe non essere sufficiente a determinare in maniera univoca lo stato tensionale del trefolo.
Per questo motivo, la definizione di un protocollo affidabile richiederà ulteriori approfondimenti sia sul piano sperimentale sia su quello dell’interpretazione dei risultati.
Le prospettive della ricerca: corrosione, geometria del trefolo e processi produttivi
I risultati presentati a FABRE 2026 delineano prospettive interessanti per l’utilizzo del rumore magnetico di Barkhausen nella valutazione dello stato tensionale degli elementi metallici impiegati nei sistemi di post-tensione.
Le prove hanno mostrato una correlazione tra la risposta magnetica e le tensioni applicate, confermando al tempo stesso la presenza di comportamenti non lineari che devono essere adeguatamente caratterizzati.
La ricerca si colloca tuttavia in una fase ancora sperimentale, nella quale la priorità è comprendere in maniera più approfondita i fattori che possono alterare la risposta del materiale e condizionare la ripetibilità delle misurazioni.
Tra le attività future illustrate da Isabella Mazzatura rientra l’esecuzione di nuove campagne di prova finalizzate a valutare l’influenza dell’ossidazione e della corrosione sulla qualità del segnale.
Si tratta di un aspetto di particolare importanza per le possibili applicazioni alle infrastrutture esistenti, dove i trefoli possono essere interessati da fenomeni di degrado che modificano le caratteristiche superficiali e, potenzialmente, la risposta magnetica.
Un secondo ambito di approfondimento riguarda la geometria del trefolo, la cui configurazione costituita da fili avvolti elicoidalmente potrebbe influenzare le condizioni di magnetizzazione e la rappresentatività delle acquisizioni.
Ulteriori indagini saranno dedicate ai processi di produzione dell’acciaio, che possono determinare differenze nelle caratteristiche microstrutturali e nelle proprietà magnetiche del materiale.
L’obiettivo complessivo è comprendere quanto ciascuno di questi parametri contribuisca alla variabilità del segnale e individuare le condizioni necessarie per ottenere misure affidabili e riproducibili.
Verso nuove metodologie non distruttive per la diagnostica delle infrastrutture precompresse
Lo studio presentato da Isabella Mazzatura evidenzia come l’impiego delle proprietà magnetiche dei materiali possa offrire nuove opportunità nell’ambito delle tecniche non distruttive applicate all’ingegneria strutturale.
La possibilità di ricavare informazioni sullo stato tensionale dei trefoli attraverso il rumore magnetico di Barkhausen costituisce una prospettiva di interesse per la valutazione dei sistemi di post-tensione, soprattutto in relazione alla necessità di sviluppare strumenti sempre più efficaci per l’analisi delle infrastrutture esistenti.
Al tempo stesso, i risultati sperimentali sottolineano la complessità del fenomeno fisico e la necessità di non considerare la risposta magnetica come un indicatore automaticamente univoco della tensione applicata.
L’inversione di tendenza osservata tra 500 e 700 MPa, la variabilità delle acquisizioni e la possibile influenza delle condizioni superficiali dimostrano quanto sia importante procedere attraverso una caratterizzazione sperimentale approfondita.
Il rumore magnetico di Barkhausen si configura quindi come una tecnica promettente, ma ancora da validare compiutamente per la determinazione quantitativa delle tensioni nei trefoli post-tesi.
Il proseguimento della ricerca, con particolare attenzione agli effetti del degrado, alla geometria degli elementi e alle caratteristiche produttive dell’acciaio, potrà contribuire a definire procedure di misura più robuste e a chiarire le reali possibilità di trasferimento della metodologia dal laboratorio alle applicazioni sulle infrastrutture.
In prospettiva, questi sviluppi potrebbero ampliare gli strumenti a disposizione dei tecnici per la diagnostica dei sistemi di precompressione, contribuendo a una conoscenza più approfondita del comportamento e delle condizioni di conservazione delle opere esistenti.
DI SEGUITO L’INTERVENTO INTEGRALE DI ISABELLA MAZZATURA.
Il testo è stato elaborato grazie alla videoregistrazione dell’intervento, con l’utilizzo di strumenti di IA (ChatGpT).
IN SINTESI
– Il rumore magnetico di Barkhausen rappresenta una tecnica non distruttiva promettente per valutare lo stato tensionale dei trefoli impiegati nei sistemi di post-tensione delle infrastrutture.
– La metodologia si basa sulle proprietà ferromagnetiche dell’acciaio e sulla relazione tra le variazioni del segnale magnetico e le sollecitazioni meccaniche applicate.
– Le prime prove sperimentali hanno evidenziato una buona correlazione tra rumore di Barkhausen e tensione applicata, senza rilevare particolari influenze legate alla posizione del punto di misura.
– Le prove a carichi più elevati hanno mostrato un’inversione della risposta magnetica per tensioni comprese tra 500 e 700 MPa, confermando un comportamento già osservato nella letteratura scientifica.
– La ricerca proseguirà con ulteriori sperimentazioni per valutare l’influenza di corrosione, ossidazione, geometria dei trefoli e processi produttivi, con l’obiettivo di sviluppare protocolli di misura affidabili per la diagnostica infrastrutturale.