Applicazioni delle reti wireless di sensori nel monitoraggio delle strutture civili

Fabio Federici

Fabio Graziosi 27 giugno 2013

Università degli Studi dell’Aquila

Monitoraggio delle strutture

• Caratterizzazione

– Identificazione dei parametri strutturali

• Rilevazione del danno

– Analisi delle variazioni delle caratteristiche della struttura nel corso del tempo

• Model Updating

– Raffinamento di modelli agli elementi finiti della struttura

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Identificazione strutturale

Experimental Modal Analysis

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Operational Modal Analysis

𝑴𝒚 𝑡 + 𝑲𝒚 t + 𝐂𝐲 t = 𝒇(t) 𝑦 (𝑡) 𝑓 (𝑡)

White Noise

𝑴𝒚 𝑡 + 𝑲𝒚 t + 𝐂𝐲 t = 𝒇(t) 𝑦 (𝑡)

• Forced Vibration Response

• Free Vibration Response

• Environmental Noise (white noise) response

Wireless Sensor Networks

Vantaggi rispetto a sistemi cablati – Minori costi

– Minore ingombro

– Smart Sensors

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Progettazione, sviluppo e validazione di reti wireless di sensori per monitoraggio strutturale

• DEWS (F. Federici, F. Graziosi, A. Colarieti)

• CERFIS (V. Gattulli, F. Potenza, M. Lepidi, J. Toti)

• WEST Aquila S.r.l.

Problematiche

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• Sincronizzazione – La mancanza di sincronizzazione tra le misure può causare

errori nelle caratteristiche identificate

• Tempo di vita – Misure su periodi lunghi, trasmissione di quantità rilevanti

di dati

• Affidabilità nel lungo periodo – I nodi sensori sono spesso piazzati in posizioni non

accessibili, per cui non è possibile una manutenzione frequente

Attività in corso Studio di strategie di identificazione distribuite F. Federici, F. Graziosi, M. Faccio, V. Gattulli, M. Lepidi and F. Potenza. An integrated approach to the design of Wireless Sensor Networks for structural health monitoring. International Journal of Distributed Sensor Networks, 2012

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Progettazione e verifica di nodi sensori custom

Applicazioni su strutture reali V. Gattulli, F. Graziosi, F. Federici, F. Potenza, A. Colarieti, M. Lepidi. Structural Health Monitoring of the Basilica S. Maria di Collemaggio. SEMC 2013

Tecniche di analisi

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ResponseTime Series

𝑦 (𝑡)

Modal Parameters

𝑓𝑖 𝜉𝑖

𝜙𝑖

Data DrivenStochastic Subspace Identification

NExT

CorrelationCovariance

Random Decrement Signature

PSD Estimation

COV driven SSI

Ibrahim Time Domain

Eigensystem Realization Algorithm

RD - ITD

RD - ERA

Peak Picking

Frequency Domain Decomposition

Strategie distribuite (FDD)

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S1

S2

Sn

Coordinator 𝐺(𝑗𝜔) =𝐺11(𝑗𝜔) ⋯ 𝐺1𝑛(𝑗𝜔)

⋮ ⋱ ⋮𝐺𝑛1(𝑗𝜔) ⋯ 𝐺𝑛𝑛(𝑗𝜔)

𝑦1(𝑡)

𝑦2(𝑡)

𝑦𝑛(𝑡)

𝑓𝑖

𝜙𝑖

SVD

Elaborazione Comunicazione

.

.

.

Situazione classica

Strategie distribuite (FDD)

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S1

S2

Sn

Coordinator 𝐺(𝑗𝜔) =𝐺11(𝑗𝜔) ⋯ 𝐺1𝑛(𝑗𝜔)

⋮ ⋱ ⋮𝐺𝑛1(𝑗𝜔) ⋯ 𝐺𝑛𝑛(𝑗𝜔)

𝐹 𝑦1 𝑡

𝐹 𝑦2 𝑡

𝐹 𝑦𝑛 𝑡

𝑓𝑖

𝜙𝑖

n x n SVD

Elaborazione Comunicazione

.

.

.

Parallelizzazione

Strategie distribuite (FDD)

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S1

S2

Sn-1

Sn

Coordinator

𝑮12(𝑗𝜔) =𝐺11(𝑗𝜔) 𝐺12(𝑗𝜔)𝐺21(𝑗𝜔) 𝐺22(𝑗𝜔)

𝐹 𝑦2 𝑡

𝐹 𝑦𝑛 𝑡

𝑓𝑖12

𝜙𝑖12

𝑮𝑛−1,𝑛(𝑗𝜔)

𝑓𝑖𝑛−1,𝑛

𝜙𝑖𝑛−1,𝑛

2 x 2 SVD

𝑓𝑖

𝜙𝑖

Composizione

Elaborazione Comunicazione

Distribuzione

2 x 2 SVD

𝑓𝑖𝑛−1,𝑛

𝜙𝑖𝑛−1,𝑛

𝑓𝑖12

𝜙𝑖12

.

.

.

Monitoraggio della Basilica di Collemaggio

• 13 nodi sensori Imote2 – Accelerometro triassiale

LIS3DSH

• Misurazione continua dell’accelerazione ai nodi

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Monitoraggio della Basilica di Collemaggio

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0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

a [g]

0 50 100 150 200 250 3002

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12x 10

-3

a [g]

Risposta alla sollecitazione sismica (20 maggio 2012, terremoto dell’Emilia) E. Antonacci, A. Colarieti, F. Federici, V. Gattulli, F. Graziosi, M. Lepidi, F. Potenza. Caratteristiche del sistema di monitoraggio della Basilica di S. Maria di Collemaggio. Report CERFIS n.6 – 2011

Prove con sollecitazione controllata

(martello strumentato)

WestMote

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Nodo sensore wireless per applicazioni di monitoraggio strutturale sviluppato da WEST Aquila S.r.l. • Alimentazione a batteria • Monitoraggio a lungo termine • Stack di comunicazione 802.15.4 • Over the air programming • Librerie software per analisi

numerica (FFT, SVD) per l’implementazione di algoritmi di analisi strutturale

F. Federici, R. Alesii, A. Colarieti, F. Graziosi, M. Faccio. Design and Validation of a Wireless Sensor Node for long term Structural Health Monitoring. IEEE Sensors 2013

Sviluppi futuri

• Installazione dei nodi sensori sviluppati nella Basilica di Collemaggio

– Monitoraggio delle fratture

– Monitoraggio del grado di inclinazione delle pareti

• Verifica sperimentale delle strategie di identificazione distribuita con il telaio CERFIS

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