Stadio Meazza di S.Siro: una Nuova Frontiera nel Monitoraggio di Grandi Strutture

Author(s):
A. Caprioli - POLITECNICO DI MILANO, DIPARTIMENTO DI MECCANICA
A. Cigada - POLITECNICO DI MILANO, DIPARTIMENTO DI MECCANICA
M. Vanali - POLITECNICO DI MILANO, DIPARTIMENTO DI MECCANICA
G. Moschioni - POLITECNICO DI MILANO, DIPARTIMENTO DI MECCANICA

Industry:
Research

Products:
LabVIEW, CompactRIO

The Challenge:
Creare un sistema di monitoraggio continuo ed in tempo reale per le vibrazioni ed altre grandezze di interesse nella valutazione dello stato di salute dello stadio Meazza di Milano.

The Solution:
Una rete di sensori nei punti importanti della struttura, con acquisizione e memorizazione distribuite, basata su NI CompactRIO.

Il Comune di Milano, a seguito di una serie di indagini preliminari, ha incaricato il Politecnico di Milano di valutare approfonditamente lo stato di salute dello stadio Meazza, comunemente e famigliarmente chiamato S.Siro.
Lo stadio risale al 1925 (primo anello); ha subito un importante ampliamento nei primi anni ‘50, con la costruzione del secondo anello ed ha raggiunto l’estensione attuale con la realizzazione del terzo anello in occasione dei campionati del Mondo del 1990.

Lo stadio era stato concepito per uso strettamente calcistico (fatto testimoniato dall’assenza della pista di atletica). Successivamente, a partire dagli anni 80, l’utilizzo è stato esteso ad eventi non sportivi, fra cui, in primis, i concerti di musica pop.
In occasione dei concerti (Figura 2) e, in misura minore, delle partite di calcio, si sono talora verificati fenomeni vibratori percepibili dal pubblico, che hanno dato luogo a preoccupazioni di ordine pubblico, legate soprattutto alla possibilità di insorgenza di psicosi da panico in presenza di rilevanti affollamenti (la capienza dello stadio supera 80.000 persone)

In tempi recenti il Comune di Milano ha inteso andare a fondo della questione, attraverso uno studio organico che comprendesse: valutazioni strutturali, analisi modale, misurazioni dinamiche e statiche, valutazioni sullo stato corrosionale. In una prima fase si è proceduto alla valutazione sistematica di tutti questi ambiti attraverso una sperimentazione capillare che permettesse la conoscenza dello stadio e dei fenomeni che lo coinvolgono. Successivamente si è rivelata necessaria l’installazione di un sistema di misura delle grandezze principali (accelerazione, deformazione, temperatura ecc.) perchè sia possibile seguire l’evoluzione dei fenomeni nel tempo ed anche come sistema di caratterizzazione dinamica e, soprattutto, di allarme on-line.
A titolo di esempio si veda la storia temporale del livello di accelerazione durante un concerto di un gruppo pop, gli U2, in presenza di 70.000 persone (Figura 3).


Si distinguono perfettamente i vari brani cantati dal gruppo: il pubblico inconsapevolmente si sincronizza, ondeggiando, con la canzone; se il ritmo della canzone coincide con una delle frequenze strutturali proprie dello stadio, la vibrazione aumenta di ampiezza fino a raggiungere livelli ragguardevoli. Nella Figura 3 si identificano chiaramente cinque brani, durante le tre ore di concerto, che più degli altri danno luogo a vibrazioni forti.
È quindi abbastanza comprensibile la necessità di misurare i fenomeni e tenerli sotto controllo.
La Sezione di Misure e Tecniche Sperimentali del dipartimento di Meccanica ha condotto una approfondita analisi numerica e sperimentale al fine di caratterizzare la struttura. Il risultato di questa ricerca è la conoscenza dello stato attuale della struttura e la definizione dei punti critici e significativi ai fini del sistema di monitoraggio dello stadio.
Al sistema, in sostanza, è richiesto di funzionare con continuità, misurando grandezze di diverso tipo con range in frequenza fra 0 e 50 Hz, garantendo la massima sicurezza nell’acquisizione, salvataggio e trasmissione dei dati.
La Sezione ha una lunga tradizione nella creazione di sistemi di monitoraggio a lungo termine, su strutture moderne ed antiche. In tempi relatvimante recenti la scelta era caduta su una rete mista basata su schede di acquisizione dati e sistemi NI FieldPoint.

In questo caso la scelta è ricaduta su una rete distribuita lungo lo stadio, basata su tecnologia NI CompactRIO, come illustrata nella Figura 4, con una serie di nodi distribuiti ed una rete Ethernet che li collega fra loro e ad una unità centrale. Rimandiamo all’articolo recentemente presentato al XXV congresso IMAC di Orlando, Florida, “The System for Structural Measurement Diagnosis and Surveillance in Meazza Stadium in Milan” per i dettagli tecnici del sistema di misura.
In questa sede ci limitiamo a rappresentare lo schema di Figura 4 ove è possibile osservare i vari piani della rete (segnale analogico, A; nodi di acquisizione e memorizzazione, B; la rete di comunicazione, C; l’unità centrale di memorizzazione finale e comunicazione con punti remoti, D).

La filosofia di base risiede nella necessità di distribuire, fino a livelli economicamente e logisticamente ottimali, i nodi di acquisizione; questo permette la riduzione del percorso dei cavi di segnale con un rilevantissimo miglioramento della qualità delle misure, in un ambiente dove sono attivi decine di migliaia di telefoni cellulari, antenne radio televisive e potenze elettriche ragguardevoli.
La scelta di nodi di acquisizione distribuiti comporta la possibilità di disporre di memorie periferiche in grado di memorizzare dati, indipendentemente dal funzionamento della rete e dell’unità centrale. In normale attività il sistema coordina i vari nodi e gestisce il prelievo e l’archiviazione dei dati. Se l’unità centrale o la rete sono in failure, ciascun nodo NI CompactRIO è in grado di memorizzare ed accumulare dati per svariati giorni, indipendentemente dagli altri.
È previsto un sistema di sincronizzazione, che non viene dettagliato in questa sede, che garantisce rigorosa sincronia fra i dati dei vari nodi.

La scelta del sistema CompactRIO, di cui viene sfruttata solo una parte delle potenzialità, risiede nella necessità di disporre di buone capacità di calcolo e memorizzazione, grande robustezza meccanica, ridotte dimensioni e possibilità di installazione senza problemi di protezione rispetto all’umidità ed agli agenti atmosferici.

Non di meno è rassicurante, in una fase del progetto come quella attuale, che la scelta di moduli disponibili per l’acquizione permetterà di risolvere qualsiasi necessità di monitoraggio insorga nel futuro. Allo stesso modo uno dei punti più critici dei sistemi di misura dinamici, il filtraggio, può essere risolto agilmente attraverso una opportuna scelta di filtraggio analogico e digitale possibile attraverso acquisizioni ad alta frequenza e decimazione in linea.

Il software per la gestione del sistema è studiato per garantire flessibilità totale ed utilizzo a livelli diversi, in maniera tale che sia possibile l’accesso sia per controlli routinari, sia per configurazione di basso livello. Non di meno è da considerare che sugli orizzonti lunghi di servizio per cui il sistema è progettato i processi di autodiagnosi e calibrazione sono fondamentali per le necessarie garanzie di corretto funzionamento e qualità metrologica.

Conclusioni
In realtà più che di conclusioni si tratta di un punto di partenza.

A breve la rete, recentemente collaudata, verrà messa in funzione e successivamente ampliata fino ad entrare a regime in un tempo atteso circa due anni.

Naturalmente confidando sull’affidabilità di NI CompactRIO e di S.Siro.

Author Information:
For more information on this Case Study, contact:
A. Caprioli
POLITECNICO DI MILANO, DIPARTIMENTO DI MECCANICA

Browse All Case Studies »