Soluzioni software NI per il monitoraggo strutturale in zona sismica

Author(s):
C. Ranieri - UNIVERSITÀ DEGLI STUDI "FEDERICO II DI NAPOLI", UNIVERSITÀ DEL MOLISE
S. Fabbrocino - UNIVERSITÀ DEGLI STUDI "FEDERICO II DI NAPOLI", UNIVERSITÀ DEL MOLISE

Industry:
Research

Products:
LabVIEW, Sound and Vibration Toolkit

The Challenge:
Realizzare un applicativo integrato per il pretrattamento e l’analisi dei segnali accelerometrici ai fini dell’identificazione modale delle strutture in caso di input incognito (Operational Modal Analysis).

The Solution:
L’applicativo realizzato consente un pretrattamento e una validazione dei segnali registrati in un DB MySQL o in un file e la successiva identificazione dei parametri modali della struttura (frequenze proprie, smorzamenti, forme modali) a partire dalla decomposizione in valori singolari della matrice dei cross-spettri (FDD).

Breve riassunto
L’Operational Modal Analysis rappresenta una maniera interessante di investigare le proprietà dinamiche di una struttura in condizioni operative (struttura eccitata in maniera random e forzante non misurabile) ai fini di un miglioramento del modello agli elementi finiti della stessa. Essa, rispetto alla classica Experimental Modal Analysis (EMA), ha il vantaggio di essere più rapida ed economica, non interrompe la fruibilità della struttura e ne determina le proprietà nelle effettive condizioni di esercizio piuttosto che in laboratorio. Un semplice ma efficiente mezzo per effettuare l’identificazione nel dominio della frequenza è rappresentato dalla procedura nota come Frequency Domain Decomposition, implementata in un applicativo appositamente realizzato.

Articolo

L’elevata sismicità del territorio italiano e i gravi collassi strutturali, con conseguenti perdite sia economiche che in termini di vite umane, che possono essere causati dai terremoti spingono gli ingegneri e i ricercatori ad approfondire le proprie conoscenze sul comportamento dinamico delle strutture. Tradizionalmente, l’identificazione dinamica delle strutture nel dominio della frequenza è basata sull’applicazione di una forzante nota e sulla determinazione delle caratteristiche modali a partire dalla funzione di risposta in frequenza misurata.
Questa procedura, tuttavia, può non essere applicabile al caso di grandi strutture (ad esempio, ponti) che richiedono eccitazioni e misure dinamiche in diversi punti contemporaneamente, con il conseguente incremento dei costi e della durata delle campagne sperimentali.
L’Operational Modal Analysis rappresenta, allora, un mezzo interessante per ricavare le proprietà dinamiche di una struttura in condizioni operative, ed in particolare quando essa è soggetta alla sola eccitazione ambientale. Rispetto alla classica analisi modale sperimentale, EMA, essa ha il vantaggio di essere più rapida ed economica, di non interrompere la fruibilità della struttura e di determinarne le caratteristiche dinamiche nelle effettive condizioni di esercizio piuttosto che in laboratorio.
Per effettuare l’dentificazione dei parametri dinamici di una struttura soggetta a forzanti random non misurabili a partire da registrazioni accelerometriche effettuate sulla stessa è stato sviluppato un applicativo LabVIEW per il pretrattamento, la validazione e la successiva analisi delle serie temporali registrate.
Il modulo di pretrattamento legge le serie temporali da file oppure connettendosi a un Database MySQL (sfruttando gli ActiveX Data Objects e le proprietà e i metodi di LabVIEW), provvede alla rimozione della media, al detrending e allo smoothing delle serie temporali, effettua una validazione dei dati sulla base della distribuzione statistica, e consente di identificare eventuali problemi nell’acquisizione del segnale quali clipping, drop-outs, noise spikes.
Effettua, inoltre, il test di stazionarietà sulle serie temporali e un test per valutare la presenza di eventuali forzanti periodiche. Le serie temporali validate e opportunamente pretrattate vengono poi usate per l’effettiva identificazione dei parametri dinamici della struttura.
La procedura implementata per l’identificazione dinamica nel caso di input incognito opera nel dominio della frequenza ed è nota sotto il nome di Frequency Domain Decomposition. Essa è basata sulla decomposizione in valori singolari della matrice dei cross-spettri degli outputs e sull’identificazione dello spettro del sistema a un grado di libertà equivalente (SDOF Bell Function). La decomposizione in valori singolari consente di separare lo spazio del segnale da quello del rumore e le frequenze naturali possono essere ricavate individuando i picchi nel grafico dei valori singolari. Considerando, inoltre, i vettori singolari associati alle frequenze di picco individuate, è possibile ricavare le forme modali.
Per quanto riguarda, infine, il calcolo dello smorzamento, una volta individuata la SDOF Bell Function sulla base di un prefissato Modal Assurance Criterion (MAC) Rejection Level se ne calcola la Inverse Fourier Transform (IFT) e si procede al calcolo dello smorzamento col metodo del decremento logaritmico, effettuando un’interpolazione lineare in un piano semilogaritmico dei valori estremi.
Il software consiste in vari forms, il primo dei quali contiene usa serie di controlli per l’esecuzione dell’analisi mentre gli altri contengono grafici e indicatori per la visualizzazione dei risultati. I principali tools del software sono:
- visualizzazione delle serie temporali analizzate, overlapping e windowing per ridurre i problemi di leakage nel passaggio dal dominio del tempo al dominio della frequenza;
- decimazione per ridurre, se necessario, la quantità di dati da trattare;
- calcolo e visualizzazione degli autospettri, dei cross-spettri e delle funzioni di coerenza per coppie di canali;
- visualizzazione dei grafici dei valori singolari ottenuti dalla Singular Value Decomposition della matrice delle densità spettrali di potenza e selezione dei picchi mediante cursori mostrati a video a partire dai quali viene ricavata la relativa frequenza;
- identificazione della SDOF Bell Function sulla base di un MAC Rejection Level impostabile dall’utente;
- calcolo della relativa IFT e, da essa, del rapporto di smorzamento associato al modo i-esimo con la tecnica del decremento logaritmico;
- calcolo della matrice dei MAC se sono state caricate tramite un file opportunamente preparato le forme modali desunte dal modello agli elementi finiti della struttura e calcolo della matrice degli AutoMAC tra i vettori delle forme modali ricavati sperimentalmente per una prima validazione dei risultati ottenuti;
- visualizzazione e animazione delle forme modali;
- redazione di un report dei parametri modali identificati.
Il software realizzato ha consentito di risolvere il problema dell’identificazione nel caso di input incognito senza ricorrere a soluzioni commerciali ma risultando di per sé pienamente personalizzabile e orientabile alle specifiche esigenze della ricerca avviata dall’Università degli Studi “Federico II” di Napoli e dall’Università del Molise nel campo del monitoraggio strutturale, essendo stato integrato all’interno di un più ampio sistema di Structural Health Monitoring (SHM) interessante l’edificio principale della Facoltà di Ingegneria. L’applicativo realizzato è stato impiegato su PC e computer portatili con sistema operativo Microsoft Windows. Sebbene per la specifica applicazione per cui è stato realizzato il software non è stato impiegato hardware NI, comunque disponibile, (le misure del sistema sono, infatti, convogliate in un MySQL DB), è possibile, con leggere modifiche, sfruttarlo come strumento di campo. Particolarmente utili per lo sviluppo del software si sono rivelati i VI per le operazioni di algebra matriciale e per le analisi statistiche, i tools per l’analisi delle serie temporali per l’eliminazione della media e dei trend dalle serie temporali ed, infine, il Sound and Vibration Toolkit per il calcolo e la visualizzazione degli spettri.

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