Soluzioni hardware/software per il monitoraggo strutturale in zona sismica

Author(s):
C. Rainieri - UNIVERSITÀ DEGLI STUDI “FEDERICO II” DI NAPOLI – DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA STRUTTURALE
G. Fabbrocino - UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DEL MOLISE – LABORATORIO DI DINAMICA STRUTTURALE E GEOTECNICA STREGA

Industry:
Research

Products:
LabVIEW, Sound and Vibration Toolkit

The Challenge:
Realizzare un applicativo integrato per il monitoraggio strutturale che fosse in grado di elaborare in maniera del tutto automatica i risultati delle misure provenienti da sistemi hardware di varia natura (National Instruments e terze parti).

The Solution:
Dovendo realizzare un applicativo integrato nel sistema di monitoraggio e indipendente dalla piattaforma hardware, i risultati delle misure sono convogliati, attraverso specifici drivers, in un DB MySQL operante su server remoto. L’applicativo si interfaccia con tale DB e provvede all’elaborazione completamente automatizzata delle misure e alla restituzione (anche grafica) dei risultati.

Breve riassunto
Il monitoraggio strutturale rappresenta una tecnologia emergente nel campo dell’ingegneria civile. Una delle principali finalità del monitoraggio strutturale è quella di seguire l’evoluzione nel tempo dello stato di salute della costruzione. Tra le tecniche di identificazione del danno vanno annoverati i cosiddetti “metodi globali”, basati sul tracciamento dei cambiamenti nella risposta strutturale direttamente o indirettamente legati alle caratteristiche meccaniche (quali frequenze naturali, etc.) della struttura. Un algoritmo per l’identificazione e il tracciamento delle caratteristiche dinamiche delle strutture è stato ideato e implementato in LabVIEW e fa parte del pannello di controllo del sistema di monitoraggio dell’edificio principale della Facoltà di Ingegneria di Napoli.

Articolo
Il monitoraggio strutturale rappresenta una tecnologia emergente nel campo dell’ingegneria civile. Una delle principali finalità del monitoraggio strutturale è quella di seguire l’evoluzione nel tempo dello stato di salute della costruzione. Tale obiettivo può essere perseguito in vari modi: un primo gruppo di tecniche mira a seguire i cambiamenti nella risposta strutturale, direttamente o indirettamente legati alle caratteristiche meccaniche (quali frequenze naturali, etc.) della struttura. Il secondo approccio, invece, è basato sul post-processing dei dati misurati per individuare anomalie direttamente dalle misure (modelli ARMAV, wavelet decomposition, etc.). In generale, comunque, si tende sempre più ad usare metodi capaci di automatizzare il processo di identificazione del danno sfruttando i recenti progressi nelle tecnologie dell’informazione.
Nel primo caso, uno dei principali ostacoli all’applicazione di tali metodi, cosiddetti “globali”, è legato alla possibilità di automatizzare l’identificazione dei parametri dinamici della struttura: attualmente, infatti, questa operazione richiede l’intervento di un operatore qualificato e fa sì che queste tecniche di identificazione del danno non risultino pienamente integrate in un sistema di monitoraggio automatico.
Per ovviare a tale problema è stato sviluppato uno specifico algoritmo (C. Rainieri, G. Fabbrocino, E. Cosenza (2007): “Automated Operational Modal Analysis as structural health monitoring tool: theoretical and applicative aspects”, Key Engineering Materials Vol. 347 pp. 479-484) in grado di identificare e seguire nel tempo l’evoluzione dei parametri modali (frequenze naturali e forme modali) delle strutture e sulla base delle variazioni di questi ottenere indicazioni circa lo stato di salute della struttura. Tale algoritmo è stato, quindi, implementato in LabVIEW ed è ora completamente integrato nel sistema di monitoraggio dell’edificio principale della facoltà di Ingegneria dell’Università “Federico II” di Napoli (Figura 1).
Poiché il suddetto sistema di monitoraggio deve integrare al suo interno hardware di varia natura (National Instruments, hardware di terze parti), il primo problema da risolvere è legato alla possibilità di gestire hardware differenti con un unico approccio: la soluzione finale ha visto l’impiego di un DB MySQL su cui riversare i dati tramite drivers opportunamente sviluppati per le diverse piattaforme hardware. L’allineamento temporale delle misure all’interno del DB è basato sull’impiego di antenne GPS.
È stato, quindi, sviluppato in LabVIEW il pannello di controllo del sistema di monitoraggio: esso può operare sia in locale sia in remoto (a patto di aver correttamente installato e configurato i driver MySQL) e riceve in continuo i dati dal DB MySQL operante sul server remoto del sistema di monitoraggio.
Il problema della lettura dei dati dal DB è stato, dunque, agevolemente affrontato e risolto richiamando la libreria ADO e lavorando con i metodi di LabVIEW. La fase di lettura dati dal database è stata implementata in un apposito VI (“DB read”; cfr. Figura 2).
L’algoritmo per l’identificazione automatica delle caratteristiche dinamiche della struttura in condizioni output-only è stato, invece, implementato nel subVI “AFDD”: al suo interno è stato impiegato il VI “TSA Detrend” appartenente al Time Series Analysis Toolkit per l’eliminazione di eventali trend spuri nel segnale. Entrambi i subVI sono stati, infine, inseriti in un’architettura del tipo Producer/Consumer.
Il risultato finale è un pannello di controllo (Figura 3) che mostra l’evoluzione nel tempo delle proprietà dinamiche della struttura, lo spettro della stessa e le forme d’onda registrate (il sensore di cui viene visualizzata la forma d’onda è contrassegnato dal blinking). È, inoltre, in corso l’integrazione di uno specifico modulo per la valutazione dello stato di funzionamento dei sensori: a valle dell’implementazione di tale modulo, eventuali sensori non funzionanti saranno contrassegnati da un indicatore di colore rosso (operando opportunamente con le proprietà degli oggetti).
Il software realizzato ha consentito di risolvere il problema del monitoraggio continuo e completamente automatico dell’edificio principale della Facoltà di Ingegneria dell’Università di Napoli, consentendo tra l’altro la semplice realizzazione di un pannello di controllo del sistema stesso (un precedente pannello di controllo era stato realizzato da terze parti con un sistema SCADA ma, utilizzando LabVIEW, è stato possibile integrare analisi dei dati e visualizzazione in maniera semplice e veloce e ricorrendo al know-how interno).
Si tratta, tra l’altro, di un sistema pienamente personalizzabile e orientabile alle specifiche esigenze delle ricerche avviate dall’Università degli Studi “Federico II” di Napoli e dall’Università del Molise nel campo del monitoraggio strutturale.
La modularità dell’applicazione ne consente l’impiego nell’implementazione dei nuovi sistemi di monitoraggio di cui è prevista la realizzazione presso l’Università del Molise: il pannello di controllo potrà interfacciarsi con poche modifiche anche con tali sistemi, basati solo su hardware National Instruments. Infatti, il VI per la lettura dati dal DB sarà sostituito da un opportuno VI per la gestione dell’hardware e la lettura dei dati. L’interfaccia sarà leggermente modificata in relazione alle specificità del sistema di monitoraggio ma il software resterà praticamente inalterato nei suoi aspetti sostanziali, primo tra tutti l’architettura.
L’applicativo realizzato è stato impiegato su PC e computer portatili con sistema operativo Microsoft Windows (XP e Vista). 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 (Time Series Analysis Toolkit) 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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C. Rainieri
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI “FEDERICO II” DI NAPOLI – DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA STRUTTURALE
carlo.rainieri@unina.it

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