La strategia di monitoraggio che può essere applicata include una distinzione tra monitoraggio statico, volto alla continuo rilevamento di graduali, lente variazioni di alcuni parametri in periodi di tempo piuttosto lunghi, e monitoraggio dinamico, orientato al controllo di proprietà dinamiche della struttura monitorata sia in condizioni operative sia durante eventi straordinari (ad esempio terremoti).
Il monitoraggio statico richiede vengano regolarmente misurate piccole variazioni su lunghi periodi. Possono essere sufficiente poche misurazioni per minuto, in alcuni casi per ora, al fine di ottenere indicazioni sul parametro soggetto a variazione che può essere causata da cicli climatici giornalieri o da periodi effetti graduali.
Il monitoraggio dinamico ha lo scopo di fornire una caratterizzazione dinamica o di risposta sismica della struttura. Il monitoraggio dinamico può essere portato avanti puntualmente o
44
Worden K., Manson G.; Structural Health Monitoring using Pattern Recognition; in New Trends in Vibration-Based SHM, CISM, Udine, September, 2008.
Pre-processing
System identification Post-processing
Post-processing Model updating
Symptom-based decision
34
periodicamente attraverso strumenti in grado di eseguire test dinamici misurando le vibrazioni caratteristiche della struttura indotte da forzanti esterne o da fenomeni naturali. Un’altra possibilità è quella di installare sistemi permanenti capaci di auto attivarsi e catturare il moto della struttura ogniqualvolta avviene un microsisma oppure una significativa fonte di vibrazione supera una determinata soglia (monitoraggio trigger-based). Il monitoraggio dinamico continuo necessita di grandi disponibilità di memoria dati per la raccolta nel sistema di acquisizione. Il monitoraggio dinamico è stato molto sviluppato sia per implementare l’individuazione del danno basata su algoritmi che riguardano il cambiamento delle forme modali dei parametri del sistema strutturale (come la frequenza naturale, i modi di vibrare e il rapporto di smorzamento) che possono essere relazionati al danno e sia per controllare la risposta dinamica duranti eventi eccezionali (forti venti, microsismi o terremoti).
2.3 Requisiti del monitoraggio strutturale
Nella fase di progettazione di sistemi di monitoraggio automatici si devono valutare attentamente i seguenti aspetti:
- Condizioni ambientali: la scelta della strumentazione e dello schema dei cavi deve essere deciso dopo una analisi dettagliata sulle condizioni ambientali affinché si possa garantire la necessaria protezione del sistema, l’assenza di rumore elettrico e condizioni accessibili per l’installazione dei sensori.
- Accuratezza: si devono considerare tutti i tipi di errore (sistematici o casuali) che possono influire sui dati rilevati dalla strumentazione. È importante valutare non solo la precisione di ogni trasduttore ma anche quella dell’intero sistema.
- Affidabilità: se un sistema di monitoraggio viene lasciato permanentemente in una struttura, viene richiesto un alto grado di affidabilità. È inoltre necessario individuare automaticamente possibili sensori difettosi o malfunzionamenti del sistema.
- Flessibilità: gli aggiornamenti del sistema, sostituzione o integrazione di alcuni sensori è necessaria durante il ciclo di vita del sistema.
- Manutenzione: devono essere programmate periodiche ispezioni per garantire l’affidabilità del sistema, qualora si verificassero eventi eccezionali tali manutenzioni sono fortemente richieste.
35
2.4 Elaborazione automatica dei dati
Il monitoraggio strutturale può essere definito come un controllo continuo sul comportamento di una struttura, basato sul comportamento passato di tale struttura durante il suo ciclo di vita, in termini di risposta e prestazioni sotto condizioni operative di carico e condizioni ambientali. Il nucleo centrale di ogni sistema di monitoraggio è la capacità di identificare automaticamente il danno strutturale, quali cause determinano certe tipologie di danno, la sua collocazione, estensione e gravità45. L’automatizzazione del monitoraggio strutturale è di fondamentale importanza per attuare un continuo controllo in tempo reale della struttura.
Lo sviluppo di efficaci metodi di monitoraggio dipende da due fattori: le tecnologie di acquisizione del segnale e gli algoritmi di interpretazione del segnale. Per quanto concerne il primo fattore si è raggiunto un buon livello di accuratezza negli ultimi anni, mentre, per quanto riguarda il secondo fattore, sono stati proposti diversi metodi di identificazione del danno basati sulla dinamica, relazionati a diversi sistemi strutturali46.
Molte applicazioni sono state implementate e documentate in letteratura, come diversi metodi rivolti alla valutazione delle prestazioni di strutture dell’ingegneria sotto condizioni operative. Alcuni di questi metodi si basano sul controllo diretto o indiretto delle variazioni della risposta strutturale, strettamente legate alle caratteristiche dinamiche del sistema (frequenze naturali di vibrazione, forme modali, ecc.), specialmente come risultato del danno causato da eventi straordinari. Tuttavia una delle limitazioni principali di queste tecniche è che hanno bisogno di un certo grado di intervento dell’utente durante la fase di estrazione dei parametri modali della struttura. Questo aspetto non soddisfa le richieste del sistema di monitoraggio, il quale dovrebbe essere, teoricamente, totalmente autonomo. Non si tratta di un problema di facile risoluzione, infatti le tecniche di identificazione dinamica richiedono interazioni con utenti esperti. Inoltre lo sforzo computazionale è un altro fattore che influisce negativamente sulla diffusione di metodi per l’identificazione dinamica da applicare a sistemi di monitoraggio strutturale e alla valutazione del danno.
Nello stato dell’arte attuale non esiste una chiara distinzione in letteratura tra stima dei parametri modali (Modal Parameter Estimation, MEP), che riguarda l’estrazione di parametri modali da una singola registrazione di dati, e il monitoraggio modale cioè dello studio dell’evoluzione dei parametri modali della struttura attraverso ripetuti MEP.
45Sikorsky C., Development of a Healthy Monitoring System for Civil Structures Using a Level IV Non-destructive Damage Evaluation Method, F.K. Chang, Structural Health Monitoring, 2000, pag.68–81.
46Kim J.T., Ryu Y.S., Cho H.M., Stubbs N., Damage Identification in Beam-type Structures: Frequency-based Method vs Mode-shape-based
36
Negli ultimi anni, in parallelo, anche le procedure di rilevazione del danno basate su monitoraggi statici sono diventate sempre più importanti specialmente attraverso una combinazione di entrambi gli approcci.
I sistemi che si autogestiscono sono capaci di valutare continuamente il comportamento strutturale. Inoltre questi approcci permettono di supportare attivamente l’operatore che si occupa del sistema di monitoraggio. Sulla base di precise conoscenze delle condizioni strutturali, il danno e il deterioramento della struttura possono essere accuratamente previsti. In aggiunta, il ciclo di vita del sistema può essere esteso con tempestività con costi di manutenzione relativamente bassi. Come risultato, i costi operativi e di riparazione risultano più bassi e la sicurezza strutturale significativamente incrementata. Sistemi indipendenti devono soddisfare due basilari richieste che fanno la differenza tra i sistemi convenzionali e i sistemi automatici:
Provvedere ad una autogestione del sistema come proprietà intrinseca, la quale include auto-recupero, auto-configurazione, auto-ottimizzazione e auto-protezione.
Verificare ed applicare qualsiasi processo di monitoraggio indipendentemente.
Figura 9 - Processo di acquisizione delle conoscenze con SHM e caratteristiche fondamentali che devono essere fornite dai moderni sistemi.
Questi processi di monitoraggio, che vengono ciclicamente eseguiti dai sistemi SHM automatici, sono esposte nella figura 10. Attraverso una rete di sensori installati sulla struttura (1), i dati strutturali ed ambientali vengono raccolti da strumenti di rilevamento (2) che li processano e li trasferiscono in una unità di acquisizione dati per una memorizzazione permanente (3) e per le successive e maggiormente approfondite analisi (4). I risultati delle elaborazioni serviranno da base per la fase decisionale (5). Infatti, se il software è il cuore del sistema di monitoraggio, l’operatore è il cervello in quanto è l’unico con le capacità e le conoscenze necessarie per
37
prendere decisioni sui risultati dell’elaborazione dei dati: ispezioni e controlli sulla struttura, progetto di interventi strutturali e di misure di riparazione, azioni di emergenza.