Abstract
Il progetto di ricerca del Dottorato mira a sviluppare nuove procedure di valutazione real-time e a lungo termine, fortemente basate sull’ICT e sull'uso di sensoristica diffusa (pervasive sensing), per il monitoraggio dell’insorgenza di danneggiamento (damage detection) nelle strutture e delle infrastrutture civili. STATO DELL’ARTE Attualmente, il monitoraggio strutturale (Structural Health Monitoring, SHM) è considerato un'attività fondamentale nella gestione di importanti strutture ed infrastrutture; il suo utilizzo deve essere assicurato nel tempo, sia per la pianificazione delle attività di manutenzione, sia per rilevare possibili malfunzionamenti dopo eventi eccezionali. Tuttavia, la maggior parte dei sistemi di monitoraggio adottati oggi richiede tempo e costose attività umane per l'analisi dei dati. Di conseguenza, in molti casi tali sistemi vengono utilizzati solo durante i primi mesi / anni dopo la costruzione e più raramente nel caso di costruzioni esistenti. Infatti, l’analisi dei dati, forniti dai sistemi di monitoraggio, al fine di tracciare possibili danni e fenomeni di degrado, può essere molto complessa e dispendiosa in termini di tempo se i dati non sono precedentemente post-elaborati. Per questo motivo, il monitoraggio viene ancora eseguito molto spesso in modo tradizionale, con la stesura di report a seguito di sopralluoghi fisici, molto soggettivi, e tuttavia da redigere necessariamente in breve tempo per evitare che il livello di sicurezza si abbassi al di sotto di quello minimo accettabile. Tuttavia, senza un monitoraggio continuo, che deve tenere conto delle inevitabili modifiche della risposta dinamica nel tempo, è impossibile valutare se una variazione registrata delle caratteristiche dinamiche è dovuta a danni, o ad interazioni ambientali, o ancora solo ad una variazione della massa. Infatti, una struttura è soggetta a condizioni ambientali in continua evoluzione, ad esempio, temperatura e umidità, durante tutto il suo ciclo di vita, spesso mascherando i cambiamenti indotti dal danno o dal deterioramento effettivo. Inoltre, per problemi di costo e difficoltà nella gestione di grandi quantità di dati, il monitoraggio tradizionale si basa sull'uso di un piccolo numero di punti di misurazione sulla costruzione, con l’utilizzo di sensori costosi, rendendo così impossibile un rilevamento efficace dei danni sulla costruzione, nonché la definizione di soglie di allarme efficaci da utilizzare per la gestione delle attività di manutenzione della struttura. METODO ED APPROCCIO ALLA RICERCA A differenza dei sensori di alta precisione e costo elevato tipicamente utilizzati, si proporrà l’utilizzo di sensori a basso costo (in genere MEMS), con minore precisione, ma distribuiti in modo diffuso sulla struttura per raccogliere dati su parametri di spostamento e meccanici (accelerazioni, inclinazioni, deformazioni, sollecitazioni). Lo schema che sarà utilizzato intende compensare la diminuzione della precisione dei dati con un aumento di almeno un ordine di grandezza del numero di sensori e quindi di quantità misurate. Anche gli strumenti che saranno utilizzati, sviluppati in collaborazioni con esperti di Ingegneria Elettronica che saranno coinvolti nel progetto di Dottorato e presenti nel Collegio dei docenti dello stesso, prevedono che una parte significativa dell'elaborazione dei dati sia eseguita a bordo di ogni sensore e al livello gateway, con una prima archiviazione dei dati ed analisi degli stessi nel cloud. Il rilevamento real-time e l’utilizzo di una risoluzione spaziale molto superiore a quella usualmente utilizzata consentiranno di rilevare possibili variazioni nelle caratteristiche strutturali, a seguito dell’insorgenza di qualche danneggiamento o degrado sulla struttura, in tempo reale, con un livello di risoluzione senza precedenti e con un intervento umano limitato. Successivamente, i dati del monitoraggio saranno utilizzati per verificare l’insorgenza di possibili danneggiamenti strutturali, che provochino modifiche delle caratteristiche della struttura, durante la vita della struttura o dopo eventi accidentali. Ciò sarà effettuato mediante lo sviluppo di modelli numerici della struttura oggetto del monitoraggio. I modelli dovranno essere in grado di distinguere variazioni delle caratteristiche dinamiche (frequenze, smorzamenti) conseguenti al danno da quelle dovute a cambiamenti delle condizioni ambientali diurne o stagionali. Verranno inoltre costruiti modelli digitali gemelli (twin models) delle strutture, continuamente aggiornati, che consentiranno di mettere in relazioni diretta le variazioni delle caratteristiche dinamiche a livello globale con i potenziali danneggiamenti di porzioni strutturali. Con tale approccio sarà possibile anche definire soglie di allarme che consentano di individuare quando l’insorgenza di un evento eccezionale può aver danneggiato la struttura, consentendo così la messa a punto di piano di manutenzione programmata intelligente della struttura/infrastruttura. RILIEVO DEL DANNO NELLE STRUTTURE DA DATI DI MONITORAGGIO La ricerca mirerà a definire nuovi algoritmi e indici di danno, su base statistica, per valutare correttamente se il danno è presente o meno, in base alla previsione dell'errore valutata a partire dai modelli delle serie temporali delle registrazioni del sistema di monitoraggio. L'idea principale è quella di costruire un modello di riferimento dal set di dati del segnale con la struttura in condizioni di assenza del danno, e utilizzarlo come base per il confronto, per valutare se successivamente a qualche evento particolare la struttura si trovi in una condizione potenzialmente danneggiata. L'accuratezza ottenibile con le procedure di rilevamento del danno con il nuovo sistema di monitoraggio distribuito, le stime di sensibilità e incertezza, saranno valutate attraverso confronti riferiti a problemi documentati in letteratura. L'efficacia e l'efficienza delle procedure e del sistema di monitoraggio proposto saranno anche confrontati con i risultati ottenibili con le tradizionali procedure basate sulle vibrazioni e con le prestazioni di reti di sensori tradizionali. Le tecniche sviluppate saranno quindi testate con riferimento a test di laboratorio in scala ridotta e, se disponibili, da misure condotte su casi reali.
Dettagli del progetto
Strutture Unibo coinvolte:
Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali
Coordinatore:
ALMA MATER STUDIORUM - Università di Bologna(Italy)
Partner:
STMicroelectronics S.r.l.
(Italy)
Sacertis Tecnologia S.p.A.
(Italy)
Contributo totale di progetto: Euro (EUR) 86.743,44
Durata del progetto in mesi: 36
