Monitoraggio sismico: stato dell`arte e prospettive

Argomenti

Monitoraggio e stima di pericolosità

Monitoraggio a grande scala:

Monitoraggio di singoli oggetti e opere
strutturali:
◦ Reti di monitoraggio sismico:
◦ EARLY WARNING
 Immagini satellitari e data base GIS: Image
processing per stima rapida e grossolanamente
quantitativa del danno sismico
 Radar satellitare e radar scanner
◦ Monitoraggio in fase di costruzione e
monitoraggio in servizio
◦ Manutenzione programmata e manutenzione
flessibile
◦ Sensori
◦ Sistemi di monitoraggio

Monitoraggio e stima di pericolosità

Monitoraggio a grande scala:

Monitoraggio di singoli oggetti e opere
d’arte:
◦ Reti di monitoraggio sismico:
◦ EARLY WARNING
 Immagini satellitari e data base GIS: Image
processing per stima rapida e grossolanamente
quantitativa del danno sismico
 Radar satellitare e radar scanner
◦ 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’
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Monitoraggio e stima di pericolosità

Monitoraggio a grande scala:

Monitoraggio di singoli oggetti e opere
d’arte:
◦ Reti di monitoraggio sismico:
◦ EARLY WARNING
 Immagini satellitari e data base GIS: Image
processing per stima rapida e grossolanamente
quantitativa del danno sismico
 Radar satellitare e radar scanner (eg. frane)
◦ Monitoraggio in fase di costruzione e
monitoraggio in servizio
◦ Manutenzione programmata e manutenzione
flessibile
◦ Sensori
◦ Sistemi di monitoraggio
Uso civile di immagini satellitari
ripetibilità, aggiornamento immediato
della cartografia

Pancromatiche
Cromatiche
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

Radar
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
Immagini satellitari hi.res
Uso per confronto
Diagramma a blocchi del sistema di rilevamento del danno
Confronto immagini pre e post-evento con riconoscimento automatico
delle variazioni Superficiali e volumetriche
satellite
Diagramma
Diagramma aa blocchi
blocchi del
del
sistema
sistema di
di rilievo
rilievo del
del danno
danno
PrePre-evento
PostPost-evento
IMAGES
CENTRAL NODE
GEOREFERENTIATION
Confronto
......
Local Node
Local Node
INTEGRATION
source 1
source 2
INTEGRATION
......
source 1
source 2
......
progetto RADATT (F. Casciati, PV)
Uso immagini satellitari hi.res.
come supporto database GIS
ESEMPIO:
STUDIO PILOTA DI INTEGRITA’ DI UN SISTEMA INFRASTRUTTURALE DI
TRASPORTO (Valle di Susa, Torino)
FASI DEL PROGETTO
• 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.
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Monitoraggio e stima di pericolosità
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Monitoraggio a grande scala:

Monitoraggio di singoli oggetti e opere
d’arte:
◦ Reti di monitoraggio sismico:
◦ EARLY WARNING
 Immagini satellitari e data base GIS: Image
processing per stima rapida e grossolanamente
quantitativa del danno sismico
 Radar satellitare e radar scanner
◦ 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
-Incertezza elevata
-Dimensionamento
più oneroso
-Piano di
manutenzione
rigido
No
Monitoraggio?
Progetto
strutturale
COSTRUZIONE
Monitoraggio
Si
-Piano di
manutenzione
flessibile
Alcune delle linee guida internazionali





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.
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.
SISTEMI INTEGRATI DI MISURA E DIAGNOSI
Nella valutazione della sicurezza si integrano misure e data-base
Structure
Analysis
Data
Acquir
Server
center
Server
Data
Process
Intranet
Database
Inquire, print, show
Courtesy of OU Jimping, HIT, PRC
Data
Inquire
Il trattamento del monitoraggio in dettaglio
Courtesy of OU Jimping, HIT, PRC
Load
Measured
response
Inquire
Structure and
sensors
Database
Safety means for data
Virus
Safety
Dynamics
Report
Health model
Damage models
Safety evaluation
Copy
User
IDEAL
Diary
r

rippe
T -St
Data
repair

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

Monitoraggio e stima di pericolosità
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Monitoraggio a grande scala:

Monitoraggio di singoli oggetti e opere d’arte:
◦
Sensori
◦
Sistemi di monitoraggio
◦ Reti di monitoraggio sismico:
◦ EARLY WARNING
 Immagini satellitari e data base GIS: Image
processing per stima rapida e grossolanamente
quantitativa del danno sismico
 Radar satellitare e radar scanner
◦ Monitoraggio in fase di costruzione e monitoraggio
in servizio
◦ Manutenzione programmata e manutenzione
flessibile
Da “wired” a MEMS
Si devono integrare quattro diversi aspetti:
 Sensore (SE),
 Elemento di calcolo (PE),
 Parte di Comunicazione (CE)
 Alimentazione (PS)
energia
MicroSistema Base
grandezza
fisica
rete
PS
CE
SE
PE
Fibre ottiche
Caratteristiche
Flessibili inseribili anche nei compositi
 Trasmettono dati e agiscono da sensori
 Leggere, immune da disturbi EM
 Robuste a corrosione e fatica
 Sicure e sensibili

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
Optical Fiber Bragg Grating
Grating Pitch
Sistemi di monitoraggio strutturale
Sistema FO con reticoli di Bragg
Grating Pitch
: Bragg Wavelength
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
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.
Numerical Aperture, NA
N A  S in  a
a
a
Acceptance cone
Light in
a
crack
Attenuated
light out
Sensori PVDF ( Polyvinylidene Fluoride )
Materiali piezoelectrici :
 Piezoceramiche
 Polyvinylidene Fluoride
Piezoelectricità: il materiale piezoelettrico genera
tensione se soggetto a deformazione
Sviluppo delle fessure osservato con PVDF
PVDF
a) · ½
Ê
½
1
PVDF-2
PVDF-1
b) · ½
Ê
½
2
PVDF-2
PVDF-1
c) · ½
Ê
½
3
V-t
SMA (Shape Memory Alloy) Sensors
(Li Hui, HIT, PRC, 2002)
SMA Sensors
800
700
Stress (Mpa)
600
900
Diam eter 1.2m m
Strain Amplitude 3 %
E xciting Freq uency 0.0 04 Hz
Cy cles 10
700
500
400
300
200
600
500
400
300
Unloading
200
Specimen 
100
0
0.0
Diameter 1.2mm
Strain Amplitude 3%
Exciting Frequency 0.004 Hz
Cycles 10
Loading
800
Stress (Mpa)
900
Specimen 
100
0
0.5
1.0
1 .5
2. 0
2.5
Strain (%)
(a) Stress versus strain
3.0
3.5
0
5
10
15
 R/R0 (%)
20
25
(b) Electric resistance versus stress
Calcestruzzo usato come
Sensore ( HIT, 2001)
CF- NP
cement
Cemento con
fibre di
carbonio
＋
nano-particelle
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
光纤光栅
钢丝
PE 保护层
Smart Cable
Patent：03132592；03260480.7
OFBG
Monitoraggio delle fondazioni
3rd Nanjing Bridge
Yangzhi River
Luce: 648m
岸
侧
160m
水 流
160m
FRP-OFBG
Bar
江
80.5m
侧
80.5m
Bare
OFBG
The olympic Lingotto footbridge
Torino, 2005
The “Lingotto” olympic foot-bridge
135 m
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))
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