Monitoraggio statico e dinamico di strutture architettoniche

Author(s):
E. Bello - IRS

Industry:
Research

Products:
Sound and Vibration Toolkit, LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
Calibrare sulla base di osservazioni sperimentali i modelli numerici implementati per la simulazione del comportamento statico e dinamico di monumenti storici

The Solution:
Realizzare sia un sistema trasportabile su base PXI con schede di acquisizione specifiche per sensori piezoelettrici, utilizzabile direttamente in sito per l’esecuzione di indagini sperimentali, ed un sistema di monitoraggio sempre su base PXI e con schede per sensori piezoelettrici e potenziometrici (…T – RH - anemometro…), per il controllo del comportamento della struttura nel tempo.

Breve Riassunto
Per eseguire la calibrazione dei modelli numerici dei modi di vibrare di strutture, si è realizzato un sistema trasportabile su piattaforma PXI di National Instruments. Basato su software LabVIEW e librerie Sound and Vibration Toolkit, acquisisce misure da sensori piezoelettrici (misure sismiche) e capacitivi (prove soniche). Le varie misure acquisite, vengono rielaborate da formule appositamente studiate per lo studio di modelli. Il sistema può essere gestito remotamente, tramite diversi protocolli, dipendenti dall’ambiente in cui viene utilizzato. (UMTS, TCP-IP, WI-FI).

Articolo
Nell’ambito dell’analisi strutturale di monumenti ed edifici storici è essenziale disporre di dati sperimentali sulla base dei quali calibrare i modelli comportamentali utilizzati. Tale necessità deriva dalle numerose difficoltà che si devono affrontare nella definizione di modelli strutturali sufficientemente “affidabili”, dove i molteplici fattori in gioco, che influiscono in maniera sostanziale nell’esito della simulazione, sono generalmente difficilmente controllabili (proprietà dei materiali, interventi antropici…).
Molto importante è anche il reperimento di dati su base temporale, ovvero il monitoraggio, che è in grado di fornire un quadro sulle condizioni strutturali (ad. es. apertura delle lesioni…) di un edificio storico o un monumento in momenti successivi. Per il reperimento continuativo dei dati sperimentali si è realizzato un sistema di acquisizione dati con relative funzioni avanzate di analisi. Le condizioni talvolta severe di utilizzo, hanno fatto ricadere la scelta su un sistema di acquisizione (datalogger) trasportabile e sufficentemente robusto.
Il monitoraggio prevede l’acquisizione di segnali di accelerazione, per valutare le caratteristiche dinamiche della struttura, congiuntamente alla registrazione di parametri “statici” (apertura delle lesioni) ed ambientali come la temperatura, l’umidità, la direzione e la velocità del vento. Il sistema può essere ubicato di volta in volta nei pressi della struttura sotto esame, in condizioni ambientali “difficili” come ad esempio cantieri, monumenti, ponti.
I dati durante l’acquisizione sono visualizzati in forma grafica. I dati acquisiti dagli accelerometri (segnali veloci) vengono rielaborati con analisi specifiche per poter essere poi utilizzati nel confronto del modello matematico. Sui dati acquisiti vengono verificate delle condizioni o trigger. Il verificarsi di una condizione di trigger (ad esempio, sollecitazione sismica) causa l’archiviazione dei segnali veloci. I trigger sono configurabili per permettere l’archiviazione in corrispondenza del superamento di un valore di soglia, sui segnali veloci in frequenza, o di un valore massimo sull’intensità dei segnali lenti. Inoltre è possibile archiviare ad intervalli prestabiliti i valori dei parametri ambientali e i dati da accelerometri. E’ possibile anche archiviare su comando i segnali. Le misure possono essere eseguite senza il presidio di un operatore, ed eventualmente trasmesse ad un server. L’utilizzo del software prevede una fase di start-up sequenziale, per poter eseguire il tuning del sistema.
Inizialmente l’operatore deve configurare i canali, tutte le configurazioni vengono registrate su file ini.
Per i canali veloci viene configurato il fattore di sensitività, e per i lenti le curve di taratura per la conversione unità elettrica, unità ingegneristica. Successivamente si passa alla definizione dei livelli di sogliatura in condizioni statiche e al settaggio delle condizioni da interfaccia utente.
Dopo una fase di test su varie strutture, il sistema è stato installato sul minareto del complesso monumentale Qutb (Qutb Minar) a Nuova Delhi, in India. L’edificio è alto 72.5 metri, il diametro è di 14,3 metri alla base, mentre misura 2,75 metri di sommità. Nel 1993 è stato inserito nell’elenco del Patrimonio dell’Umanità dell’ UNESCO.
I sensori di accelerazione sono stati installati (dopo uno studio dettagliato della struttura mediante modellazione numerica) in combinazione biassiale, alla base ed in sommità del minareto. Per lo sviluppo del sistema sono stati utilizzati LabVIEW e le librerie di elaborazione dei segnali comprese nel Sound and Vibration Toolkit di National Instruments. Si è deciso di implementare il sistema PXI di National Instruments; il sistema combina la tecnologia commerciale PC in una configurazione industriale ad alte prestazioni e di facile ubicazione e trasportabilità. La configurazione hardware scelta, ha permesso di installare il sistema direttamente in loco, in un ambiente ostile. Il sistema è basato su PXI, con scheda PXI-4472B per l’acquisizione segnali dinamici, da 8 canali, 24 bit ed una scheda PXI-6220, 8 canali differenziali, per i segnali analogici dai trasduttori per le misure ambientali.
Il sistema ha permesso di ricavare i modi di vibrare della struttura e l’incidenza dei fattori ambientali sul comportamento strutturale. IRS ha inoltre sviluppato un tool per la trasmissione dei dati ad un server remoto e l’invio può essere gestito in modalità on demand dall’utente o programmaticamente via software. Le possibili soluzioni prevedono l’utilizzo di sistemi wi-fi per reti locali, UMTS per server remoti. E’ inoltre possibile fornire il pieno controllo della centralina di acquisizione per “setting” dei parametri, controllo soglie e interventi di manutenzione da remoto. Il sistema è stato realizzato da I.R.S. in collaborazione con l’Università degli studi di Padova, dipartimento di Costruzioni e Trasporti.

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E. Bello
IRS
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