tipo, estensione e sulla prognosi che il danno comporta viene data dall’utilizzo di algoritmi
supervised learning accoppiati all’uso di modelli analitici.
2.2.2 Le funzioni del monitoraggio strutturale
Il monitoraggio strutturale comprende diverse funzioni, ognuna delle quali dovrà essere progettata accuratamente. Tale funzioni sono: 1) strumentazione, 2) eccitazione, 3) acquisizione dati, 4) elaborazione del segnale, 5 )identificazione dei sensori difettosi, 6) estrazione delle caratteristiche, 7) elaborazione delle caratteristiche, 8) rilevamento del danno, 9) allarmi e resoconti40. Ogni funzione sarà di seguito discussa e spiegata.
Figura 6 - Rappresentazione delle fasi e dello schema funzionale del processo del monitoraggio.
1) Strumentazione
La strumentazione riguarda la selezione dei trasduttori da posizionare e la loro posizione sulla base delle quantità che si è deciso di misurare. Nel monitoraggio strutturale con ripetute misurazioni, la strumentazione utilizzata è di tipo permanente, anche se sono possibili anche altre soluzioni. Solitamente vengono utilizzati sensori cablati, ma sono in fase di sviluppo e ricerca tipologie di sensori wireless e reti di sensori,specialmente nelle applicazioni ad edifici storici dove è richiesta una bassa invasività dell’intervento di monitoraggio. Il vantaggio dei sensori wireless sta nel fatto
40 Kullaa J., Functions of a Structural Health Monitoring System, 2008.
Valutazione operativa Acquisizione dati Estrazione delle caratteristiche Sviluppo di modelli statistici Strumentazione Eccitazione Acquisizione Elaborazione Sensori difettosi Estrazione Rilevamento del danno Allarmi
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che non c’è bisogna di stendere cavi per la loro installazione, questo risulta un aspetto molto importante nel caso di sistemi di monitoraggio molto estesi e complessi che utilizzano un elevato numero di sensori; inoltre, cavi e connettori sono soggetti ad usura. Per controparte i principali svantaggi dei sensori wireless sono l’elevato consumo di alimentazione, il lento trasferimento dati e la sincronizzazione, pertanto per tali sistemi devono essere studiati ed applicati caratteristici algoritmi.
Il numero dei sensori può variare da uno a diverse centinaia in relazione alla complessità della struttura e alle caratteristiche che devono essere rilevate. La tipologia di sensori dipende dallo scopo del monitoraggio. Solitamente sono accelerometri, strain gauges, fibra ottica e laser. Le misurazioni richiedono che la strumentazione abbia una elevata sensibilità, ad esempio, nel caso di
Ambient Vibration Test (AVT) le vibrazioni indotte sulla struttura sono di piccola ampiezza e
avvengono a basse frequenze. La posizione dei sensori può essere determinata usando un modello ad elementi finiti della struttura per poter anticipare gli scenari di danno utilizzando ottimizzazioni o metodi euristici.
2) Eccitazione
L’eccitazione può essere di tipo ambientale oppure artificiale. Nelle tipiche applicazioni del monitoraggio strutturale su sistemi dell’ingegneria civile, l’eccitazione non può essere misurata. Le vibrazioni possono essere causate dal vento, dal traffico, dal ghiaccio o da eventi di micro sismicità. L’eccitazione artificiale viene usata quando non è presente l’eccitazione ambientale. Il vantaggio di poter disporre di una eccitazione artificiale sta nella possibilità che questa può essere controllata e misurata. Disporre di eccitazione artificiale è utile poiché in questa maniera si può indagare su tutta la banda delle frequenze di interesse. Si possono ottenere questi risultati utilizzando vibrodine, dispositivi di impatto o un attuatore già presente nella macchina. L’eccitazione artificiale può essere usata per piccole strutture oppure in laboratorio. Va tenuto presente, però, che nella maggior parte delle strutture dell’ingegneria civile, con frequenze naturali basse, l’eccitazione artificiale è difficile da applicate e molto costosa e necessita di un largo uso di attuatori idraulici e di molta potenza. L’eccitazione artificiale permette di monitorare la struttura in condizioni straordinarie, ma non va dimenticato che vanno acquisiti dati anche sulle condizioni operative. Spesso , infatti, le strutture sono soggette a disturbi dovuti al vento, a vibrazioni ambientali dovuta al traffico o ad altre fonti che non possono essere misurate e controllate. I vantaggi dell’eccitazione ambientale stanno nella economicità, nella presenza
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costante dei carichi e nella eccitazione anche a basse frequenze, come già accennato, gli svantaggi riguardano l’impossibilità di quantificare la forza dell’eccitazione e il range delle frequenze investigate è ridotto.
3) Acquisizione dati
I sensori convertono una quantità misurata in un segnale elettrico analogico. L’obiettivo del sistema di acquisizione è quello di raccogliere le serie temporali di dati in un computer per una futura analisi. Se le caratteristiche dipendono da più di un sensore, allora tali sensori devono essere campionati simultaneamente. La frequenza di campionamento e la lunghezza delle registrazioni devono essere adattate alle necessità delle caratteristiche da estrarre. L’acquisizione dati automatica può essere basata su un orologio o su trigger.
La digitalizzazione del segnale deve essere effettuata con attenzione. Se la frequenza di campionamento è fs, la frequenza massima che può essere osservata fmax risulta pari a : 𝑓𝑚𝑎𝑥 =fs
2 Se la frequenza di campionamento è bassa, frequenze sopra fs/2 non sono correttamente interpretate coma frequenza basse, questo fenomeno viene definito aliasing. Dopo la conversione A/D il fenomeno dell’aliasing non può più essere corretto, perciò è necessario applicare sempre un filtro analogico anti-aliasing prima della conversione A/D.
Il segnale analogico viene convertito (quantizzato) al valore discreto più vicino del convertitore A/D. Tipicamente i convertitori A/D hanno una risoluzione di 10 -24 bit. Nel campo delle misurazioni viene diviso in 2n intervalli uniformi. Per una miglior risoluzione dovrebbe essere utilizzata l’intera gamma dinamica. In ogni caso il segnale non deve eccedere i limiti, i quali portano ad un sovraccarico e di conseguenza ad un taglio del segnale. Il sistema di acquisizione deve essere capace di individuare un sovraccarico e respingere le misurazioni. Il range dinamico può essere trovato in misurazioni preliminari della struttura monitorata.
4) Elaborazione del segnale
L’elaborazione del segnale viene usata per estrarre direttamente le caratteristiche oppure per operare una fase di pre-processing dei dati per l’estrazione delle caratteristiche. Tipicamente l’elaborazione del segnale estrae alcune informazioni utili dalle serie temporali usando le proprietà stocastiche oppure basandosi su alcune assunzioni. Spesso si applica un filtro per limitare il campo delle frequenze del segnale. Nella misurazione delle vibrazioni il valore medio viene solitamente rimosso poiché non contiene informazioni utili. La trasformata di Fourier è lo strumento che
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permette di convertire il segnale dal dominio del tempo nel dominio delle frequenze. Questo metodo è veloce e non prevede perdita di informazioni nella trasformazioni. La trasformata di Fourier presuppone serie temporali periodiche, se il segnale non è periodico, provoca perdite di energia per la adiacente serie temporali. La perdita può essere diminuita ma non del tutto eliminata attraverso l’utilizzo di tecniche di windowing.
Diverse funzioni vengono estratte dalle serie temporali. Alcune delle funzioni più utilizzate sono le funzioni di correlazione, funzioni densità spettrale di potenza, funzioni risposta dell’impulso e funzioni risposta in frequenza FRP. Queste possono essere direttamente usate come caratteristiche o come passo nel pre-processing nell’estrazione di altre caratteristiche.
5) Identificazione dei sensori difettosi
I sistemi di monitoraggio che misurano le vibrazioni si basano su dati raccolti durante la vita utile della struttura. È perciò importante individuare possibili sensori difettosi per mantenere l’affidabilità del sistema. I sistemi di monitoraggio includono diversi sensori che misurano il moto globale, oppure modi minori, della struttura. La correlazione incrociata dei sensori può essere utilizzata per individuare sensori mal funzionanti o difettosi e per correggere il segnale di tali sensori.
6) Estrazione delle caratteristiche
Le serie temporali includono molti dati, i quali devono essere compressi per poter essere elaborati e poter ricavare le caratteristiche della struttura. Queste caratteristiche sono considerate come le “impronte digitali” del sistema a sono estratte dalle misurazioni delle serie temporali. L’obiettivo è di trovare caratteristiche che sono sensibili al danno ma non sensibili alle normali variazioni dell’ambiente (carichi, temperatura, ecc.). Un cambiamento nelle caratteristiche è sintomo di presenza di danno. Poiché il sistema di monitoraggio esegue ripetute misurazioni durante la vita della struttura, l’estrazione delle caratteristiche deve essere automatica. Alcune caratteristiche sono facili da estrarre automaticamente, mentre altre hanno bisogno di supervisione e regole da automatizzare. L’estrazione di caratteristiche viene classificata in metodi parametrici e non parametrici. Altri metodi di classificazione sono input/output oppure output-only, dipende dalla misurabilità dell’eccitazione. In molti applicazioni dell’ingegneria civile, l’unica identificazione possibile è quella output-only. Le caratteristiche dovrebbero essere indipendenti dall’ampiezza
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dell’eccitazione, la quale rende alcune caratteristiche meno interessanti per il monitoraggio strutturale.
7) Elaborazione delle caratteristiche
La dimensione del vettore caratteristico rispetto alle serie temporali è sensibilmente inferiore. Ogni singola caratteristica può essere usata per la prevenzione del danno, in alternativa potrebbe essere usata una statistica a più variabili. Il primo passo è quello di selezionare i dati dalla struttura non danneggiata la quale rappresenta la condizione strutturale di riferimento. I dati iniziali devono comprendere l’intera gamma delle condizioni ambientali od operative, poiché influenzano le caratteristiche e possono fornire false indicazioni di danno se non propriamente analizzate.
Ci sono essere differenti tipi di caratteristiche e gli intervalli da cui dipendono le proprietà scelte possono variare considerevolmente. Per esempio le frequenze naturali possono variare da 0,2 a 200 Hz, mentre i rapporti di smorzamento variano solitamente tra 0,001 e 0,1. Quando si considera l’identificazione del danno, le proprietà con alti valori assoluti o variazioni tendono a dominare. Pertanto tutte le caratteristiche vengono standardizzate per avere una media tendente a zero e una varianza unitaria all’interno dei dati di formazione.
Il numero delle caratteristiche osservate potrebbe essere troppo alto per realizzare analisi statistiche affidabili, anche dieci proprietà possono essere troppe anche in presenza di una quantità di dati finiti. Vanno perciò osservate solo le caratteristiche sensibili al danno. Comunque, le informazioni di solito richieste non sono sempre disponibili. Un’altra possibilità è quella di lasciare decidere i dati quali siano le caratteristiche più sensibili al danno, selezionando tutte le proprietà e utilizzando tutte le informazioni disponibili. Solo le caratteristiche con frequenti anomalie devono essere rimosse, così come le caratteristiche costanti. Il problema della dimensione dei risultati può essere risolto applicando tecniche di riduzione.
8) Rilevamento del danno
L’obiettivo dell’identificazione del danno è quello di stabilire se effettivamente il danno è presente nella struttura. La decisione deve essere presa usando metodi statistici, poiché tutte le caratteristiche variano in base alle misurazioni effettuate per cui le decisioni devono essere fatte solo sui cambiamenti significativi. Costruire un grafico di controllo è una delle tecniche primarie nel processo statistico di controllo e può essere utilizzato anche nella pratica del monitoraggio strutturale. Vengono tracciate le caratteristiche qualitative come funzioni del numero dei