Argomenti Monitoraggio e stima di pericolosità

◦ Reti di monitoraggio sismico: ◦ EARLY WARNING

Monitoraggio a grande scala: Immagini satellitari e data base GIS: Image

processing per stima rapida e grossolanamente quantitativa del danno sismico

Radar satellitare e radar scanner

Monitoraggio di singoli oggetti e opere strutturali: ◦ Monitoraggio in fase di costruzione e

monitoraggio in servizio ◦ Manutenzione programmata e manutenzione

flessibile ◦ Sensori ◦ Sistemi di monitoraggio

Monitoraggio e stima di pericolosità ◦ Reti di monitoraggio sismico: ◦ EARLY WARNING

Monitoraggio a grande scala: Immagini satellitari e data base GIS: Image

processing per stima rapida e grossolanamente quantitativa del danno sismico

Radar satellitare e radar scanner

Monitoraggio di singoli oggetti e opere d’arte: ◦ Monitoraggio in fase di costruzione e

monitoraggio in servizio ◦ Manutenzione programmata e manutenzione

flessibile ◦ Sensori ◦ Sistemi di monitoraggio

EARLY WARNING

Quando avviene un terremoto il suo effetto si propaga dall’epicentro al territorio circostante.

La propagazione avviene con ritardo che dipende dalla differenza di percorso delle onde di massa.

L’EARLY WARNING E’ UN ALLARME PREVENTIVO CHE SFRUTTA I SEGNALI DEI SENSORI DELLE RETI SISMOMETRICHE, SOPRATTUTTO DI RETI DEDICATE E IL RITARDO DI PROPAGAZIONE D’ONDA

L’intensità sismica nei siti si attenua con la distanza dall’epicentro tanto più rapidamente quanto più ridotta è la profondità della sismogenesi.

EARLY WARNING I terremoti italiani superano raramente la magnitudo 7.0

La sismogenesi avviene spesso a profondità modeste (9-10 km.)

CONSEGUENZE:

nei siti dove il terremoto è pericolosamente intenso la distanza dall’epicentro è modesta ed l’intervallo di tempo di preavviso molto breve.

Nei siti più lontani, dove l’intervallo di preavviso è più lungo, il sisma arriva fortemente attenuato.

LA’ DOVE L’EARLY WARNING SERVE NON C’E’ IL TEMPO NECESSARIO PER PRENDERE DECISIONI UTILI ED ATTUARLE.

E’ POSSIBILE, PERO’, ATTIVARE DIRETTAMENTE IN MODO AUTOMATICO AZIONI COME ALLERTARE LE SALE OPERATORIE E LE SALE DI MEDICINA INTENSIVA O FERMARE I TRENI AD ALTA VELOCITA’

Monitoraggio e stima di pericolosità ◦ Reti di monitoraggio sismico: ◦ EARLY WARNING

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Radar satellitare e radar scanner (eg. frane)

Monitoraggio di singoli oggetti e opere d’arte: ◦ Monitoraggio in fase di costruzione e

monitoraggio in servizio ◦ Manutenzione programmata e manutenzione

flessibile ◦ Sensori ◦ Sistemi di monitoraggio

ripetibilità, aggiornamento immediato della cartografia

Pancromatiche

Cromatiche

Radar

Non acquisibili con cielo coperto. Limite

attuale di risoluzione: circa 30 cm. In futuro il

limite di risoluzione sarà legato più a rispetto

della privacy che a ragioni tecnologiche

Ognitempo. Minore risoluzione e definizione

Molto utili usandole: 1.per confronto, prima e dopo un evento catastrofico(sisma, alluvione,

frana...)

1.Come supporto cartografico per data-base interattivi su manutenzione,

monitoraggio e analisi di rischio

Uso civile di immagini satellitari

Immagini satellitari hi.res Uso per confronto

............ ............

INTEGRATIONINTEGRATION INTEGRATIONINTEGRATION

sourcesource 11 sourcesource 22 sourcesource 11 sourcesource 22

Local Node LocalLocal NodeNode

............

GEOREFERENTIATIONGEOREFERENTIATION

CENTRAL NODECENTRAL NODE

satellite

IMAGES

Diagramma a blocchi del sistema di rilievo del danno

Diagramma a blocchi del sistema di rilievo del danno PostPost--evento evento PrePre--evento evento

Confronto Confronto

Diagramma a blocchi del sistema di rilevamento del danno

Confronto immagini pre e post-evento con riconoscimento automatico

delle variazioni Superficiali e volumetriche

progetto RADATT (F. Casciati, PV)

Uso immagini satellitari hi.res. come supporto database GIS

• Georeferenziazione immagine satellitare Ikonos dell' Alta Val di

Susa con un metro di risoluzione;

• Analisi di rischio strutturale e idrogeologica su elementi

strategici presenti sul territorio;

• Creazione di un database GIS per la gestione e il controllo delle

informazioni derivanti dall’analisi di rischio e dal monitoraggio.

ESEMPIO:

STUDIO PILOTA DI INTEGRITA’ DI UN SISTEMA INFRASTRUTTURALE DI

TRASPORTO (Valle di Susa, Torino)

FASI DEL PROGETTO

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Monitoraggio a grande scala: Immagini satellitari e data base GIS: Image

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Radar satellitare e radar scanner

Monitoraggio di singoli oggetti e opere d’arte: ◦ Monitoraggio in fase di costruzione e

monitoraggio in servizio ◦ Manutenzione programmata e manutenzione

flessibile

◦ Sensori ◦ Sistemi di monitoraggio

Che cosa misurare e come: sinopsi redatta dal WG 1 CSHM1,Waikiki,Honolulu

Monitoraggio delle strutture civili

Analisi di rischio

Aggiornamento

Analisi di rischio

Monitoraggio? Si No

Monitoraggio

Progetto

strutturale

-Piano di

manutenzione

flessibile

-Incertezza elevata

-Dimensionamento

più oneroso

-Piano di

manutenzione

rigido

COSTRUZIONE

ISIS Canada SHM Guidelines

FHWA USA Guide 9-8 – SHM Guidelines

FIB Europe Task Group 5-1 – SHM Guidelines

ISO – SHM Guidelines

UNI – (in preparazione)

Eventi chiave nel prossimo futuro: SHMII-7, Torino, Luglio 2015: proposta istruttoria di

armonizzazione delle linee-guida;

Workshop IWSHM su monitoraggio, Stanford, settembre 2015: analisi, comparazione e armonizzazione delle linee-guida.

Alcune delle linee guida internazionali

Evoluzione delle risposte attese

Descrizione soggettiva dei sintomi osservati di danno e degrado

Indici sommari di danno e degrado ottenuti con scheda a punti

Variazione oggettiva misurata dei sintomi di danno e degrado

Valutazione su base oggettiva e misurata della resistenza e vita residua

Conseguante evoluzione delle strategie di monitoraggio

Ispezione visiva periodica con descrizione verbale delle condizioni

Ispezione visiva periodica con

scheda a punti per vulnerabilità e degrado

Ispezione visiva periodica con sperimentazione dinamica

Monitoraggio con sensori in stazione

permanente ed ispezione visiva periodica

Monitoraggio in linea remoto con analisi di rischio ed ispezione visiva su allarme

Strutture “intelligenti”

Possibile evoluzione futura: le strutture “smart”

molti sensori miniaturizzati o sensori distribuiti ed a basso costo capaci di rilevare il naturale degrado dei materiali e di misurare la risposta ad azioni esterne, quali azioni termiche, eventi sismici o impatto di atti umani.

controllo pressoché continua nello spazio e nel tempo, basato su un monitoraggio diffuso ed “in linea”. “smart” = capace, alla stregua di un organismo vivente, di tenere sotto controllo, in modo complessivo e compatto, l’informazione proveniente da una moltitudine di terminazioni sensoriali, tali da coprire l’intera estensione, superficiale o volumica della struttura. Come in un essere animato:

◦ regole gerarchiche di riduzione che fanno cogliere solo una informazione complessiva e sintetica sullo stato del sistema e le sue alterazioni (DATA MINING-DATA FUSION; Clustering stocastico, regolarizzazione, funzioni di soglia, ottimizzazione compatitiva o collaborativa, soft-computing e calcolo parallelo.)

Rete gerarchica di sensori gerarchica del percorso di trasmissione :

localmente a ciascun livello, l’informazione è opportunamente pretrattata e ridotta prima di proseguire verso il sistema centrale deputato alla fase interpretativa e decisionale.

Intranet Intranet

Database

Structure

Analysis

Data

Process

Data

Acquir

Data

Inquire

Server

Server Server

center

Inquire, print, show

SISTEMI INTEGRATI DI MISURA E DIAGNOSI

Nella valutazione della sicurezza si integrano misure e data-base

Courtesy of OU Jimping, HIT, PRC

Load

Measured

response

Structure and

sensors

Dynamics

Health model

Damage models

Safety evaluation

Database

Inquire

Report

Copy

Virus User Diary T -Stripper

IDEAL

Data

repair

Safety means for data

Safety

Il trattamento del monitoraggio in dettaglio

Courtesy of OU Jimping, HIT, PRC

La disponibilità di basi di dati manutentivi e di rilievi strumentali associati alla osservazione dello stato delle strutture è strumento importantissimo di affinamento diagnostico. In Cina la gestione centralizzata ed autoritaria delle attività pubbliche rende accessibile un tale strumento.

In Italia i dati manutentivi sono tra i segreti meglio custoditi e le osservazioni dirette reali devono per lo più essere sostituite da simulazioni numeriche

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Radar satellitare e radar scanner

Monitoraggio di singoli oggetti e opere d’arte: ◦ Monitoraggio in fase di costruzione e monitoraggio

in servizio ◦ Manutenzione programmata e manutenzione

flessibile

◦ Sensori

◦ Sistemi di monitoraggio

Da “wired” a MEMS

MicroSistema Base

Si devono integrare quattro diversi aspetti:

Sensore (SE),

Elemento di calcolo (PE),

Parte di Comunicazione (CE)

Alimentazione (PS)

SE

CE PS

PE

grandezza

fisica

energia

rete

Flessibili inseribili anche nei compositi

Trasmettono dati e agiscono da sensori

Leggere, immune da disturbi EM

Robuste a corrosione e fatica

Sicure e sensibili

Fibre ottiche

Caratteristiche

Come sono realizzate

Scopo del «cladding è creare una

superficie riflettente capace di

catturare l’energia luminosa

confinandola nel «core» attraverso

riflessioni multiple.

Tecniche di misura

Grating Pitch

Optical Fiber Bragg Grating

Sistemi di monitoraggio strutturale

Grating Pitch

: Bragg Wavelength

Sistema FO con reticoli di Bragg

Sensore FO a polarizzazione

Polarization sensing il sensore ruota il piano di polarizzazione della luce

Esempio: un campo di pressione comprime un materiale fotoelastico racchiuso tra due filtri polarizzatori

Il secondo polarizzatore

converte la rotazione del

piano di polarizzazione in

riduzione di intensità

luminosa

PFO (plastic fiberoptics) for crack evolution measure

a

a

PFO crack opening sensors

measure light intensity changes

locally, due to the change of the

gap width of an Interrupted plastic

fiber.

The monochromatic non- coherent

light used for this sensor is

generated by a led.

The POF is fit for this use because

the Numerical Aperture is large and

the intensity is sensitive to the gap

evolution.

The cost is very low, the first

validation tests show a good

repeatability.

Light in

Attenuated

light out

a

Numerical Aperture, NA

aS inN A

Acceptance cone

crack

Sensori PVDF ( Polyvinylidene Fluoride )

Piezoelectricità: il materiale piezoelettrico genera

tensione se soggetto a deformazione

Materiali piezoelectrici :

Piezoceramiche

Polyvinylidene Fluoride

PVDF

PVDF-1PVDF-2

PVDF-1PVDF-2

a)· ½Ê½1

b)· ½Ê½2

c)· ½Ê½3

Sviluppo delle fessure osservato con PVDF

V-t

SMA (Shape Memory Alloy) Sensors (Li Hui, HIT, PRC, 2002)

0.0 0.5 1.0 1 .5 2.0 2.5 3.0 3.5

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Specimen

Str

ess

(M

pa)

Stra in (%)

Diam eter 1.2m m

Strain Amplitude 3 %

Exciting Freq uency 0.0 04 Hz

Cy cles 10

0 5 10 15 20 25

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Unloading

Loading

Specimen

Str

ess

(Mpa)

R/R0 (%)

Diameter 1.2mm

Strain Amplitude 3%

Exciting Frequency 0.004 Hz

Cycles 10

(a) Stress versus strain (b) Electric resistance versus stress

SMA Sensors

CF- NP

cement

Cemento con

fibre di

carbonio

nano-particelle

＋

Calcestruzzo usato come

Sensore ( HIT, 2001)

Calcestruzzo “smart”

Alta durabilità per monitoraggio di lunga durata

Compatibilità con il getto in cui è inserito

Sensore proposto da

azienda start-up I3P

(incubatore imprese

Politecnico di Torino)

Invenzione

pluri-premiata

Stralli “smart”

Sensori OFBG embedded

OFBG

光纤光栅

钢丝

PE 保护层

Smart Cable Patent：03132592；03260480.7

Monitoraggio delle fondazioni

3rd Nanjing Bridge

Yangzhi River

Luce: 648m

80.5m

160m

80.5m

160m

江 侧

岸 侧

水 流

Bare

OFBG

FRP-OFBG

Bar

The olympic Lingotto footbridge Torino, 2005

The “Lingotto” olympic foot-bridge

18 OFBG sensors for cable dynamics

12 wired accelerometers (capacitive, 1 V/g)

12 wireless MEMS (2axes inclinometers+

temperature )

2 differential displacement sensors

(pull-down cable to support)

Two strain gauge sets (pull-down

cable and supporting cantilever))

135 m

+

In conclusione….. Monitoraggio

significa: ◦ inseguire un più alto

livello di conoscenza;

◦ ridurre le incertezze;

◦ costruire un supporto per scegliere meglio;

◦ passare da maintenance on program a maintenance on demand;

◦ attivare sistemi di allarme tempestivo