Convegno:
I BENI CULTURALI DELLA LOCRIDE:
MONITORAGGIO, CONTROLLO E SALVAGUARDIA
I Controlli Dinamici per la Tutela ed il Monitoraggio dei
Beni Culturali
I N G . N I C O L A F R A N C E S C O D A R I O D E V I TA
SISMLAB
S P I N - O F F D E L L’ U N I V E R S I TÀ D E L L A C A L A B R I A
ORE 18:45
Domenica 6 Marzo 2016
Grand Hotel President – Siderno (RC)
Introduzione
Il DM 2008, con le relative Istruzioni per l’applicazione delle Nuove Norme Tecniche, offre uno
strumento valido per il controllo della consistenza dei beni culturali.
Il controllo periodico della costruzione rappresenta il principale strumento per una consapevole
conservazione, in quanto consente di programmare eventuali interventi di riparazione e di
consolidamento.
Le Linee Guida per la Valutazione e la Riduzione del Rischio Sismico del Patrimonio Culturale
dedicano il paragrafo 4.1.9 al tema del monitoraggio dei beni monumentali.
Spin Off Università della Calabria
Introduzione
Analisi dinamica (problema diretto e problema inverso);
Misura del rumore ambientale;
Attrezzature e strumenti di misura;
Algoritmo di identificazione dei parametri modali;
Casi di studio.
Spin Off Università della Calabria
L’analisi dinamica: analisi e
sperimentazione
Approccio analitico
Spin Off Università della Calabria
Approccio sperimentale
Problematiche aperte
Valutazione del livello di affidabilità del Bene Monumentale a seguito del degrado dei
materiali;
Valutazione del livello di rischio di un Bene Monumentale a seguito di un evento non previsto
e non prevedibile (sisma);
Identificare all’interno di un percorso di manutenzione metodologie sperimentali di controllo.
Spin Off Università della Calabria
È possibile fornire un contributo al superamento di
tali problematiche mediante un approccio
sperimentale dinamico
Spin Off Università della Calabria
Approccio al problema
attraverso le misure di rumore
Rumore ambientale: fenomeno vibratorio indotto da eccitazioni esterne di natura ambientale
con ampiezze dell'ordine di 10-5 - 10-4 cm (Okada, 2003).
Il rumore sismico è anche chiamato microtremore se contiene alte frequenze (in genere
maggiori di 0.5 Hz) e microsisma per basse frequenze.
Per quanto riguarda l'origine del rumore sismico, è certo che le sorgenti dei microsismi sono le
perturbazioni atmosferiche sugli oceani che si propagano come onde superficiali sui continenti,
mentre le sorgenti dei microtremori sono le attività antropiche come il traffico veicolare, le
attività industriali etc. e si propagano come onde superficiali di Rayleigh.
Spin Off Università della Calabria
Approccio al problema
attraverso le misure di rumore
Nell’ambito dello studio dinamico per l’Ingegneria Civile è bene utilizzare segnali appartenenti
ai Micro-sismi, tarando bene la sensibilità dei dispositivi di acquisizione su piccole ampiezze e
basse frequenze.
NORMA UNI 9614 – MISURA DELLE VIBRAZIONI NEGLI EDIFICI E CRITERI DI VALUTAZIONE DEL
DISTURBO
Spin Off Università della Calabria
Operational Modal Analysis
Vantaggi rispetto all’analisi modale sperimentale:
La prova è rapida ed economica, dato che non necessita di alcuna eccitazione artificiale
e di una simulazione delle condizioni al contorno;
Non interferisce con il quotidiano utilizzo della struttura;
Permette l’identificazione dei parametri modali, i quali sono rappresentativi dell’intero
sistema nelle sue reali condizioni operazionali;
L’identificazione modale operazionale, attraverso le misure di solo output, può essere
utilizzata anche per il monitoraggio strutturale basato su vibrazioni e per il rilevamento
dei danni delle strutture.
Spin Off Università della Calabria
Operational Modal Analysis
Passi fondamentali per eseguire l’analisi:
Indagine conoscitiva del fabbricato;
Progettazione della campagna sperimentale;
Estrapolazione dei parametri modali relativi all’indagine sperimentale;
Diagnosi sulla consistenza del bene.
Spin Off Università della Calabria
Strumenti di misura
Un buon processo di identificazione in condizioni di solo output non può prescindere da misure di
alta qualità.
Strumenti necessari per eseguire i test:
Trasduttori di movimento;
Dispositivo di acquisizione dati;
Sistema di elaborazione dati.
Spin Off Università della Calabria
Trasduttori di movimento
Oggi il mercato offre una vasta scelta di accelerometri, classificati in base al tipo di tecnologia:
Accelerometro estensimetro;
Accelerometro piezoresistivo;
Accelerometro LVDT,
Accelerometro capacitivo;
Accelerometro piezoelettrico;
Accelerometro laser;
Gravitometro;
Accelerometro MEMS.
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Hardware di acquisizione dati
Il sistema di acquisizione è controllato da un apposito software di gestione della centralina e
catalogazione dei segnali, utilizzabile su tutte le piattaforme Windows. Questo permette di
settare tutti i parametri di sensibilità e taratura degli strumenti, di avviare e fermare le fasi di
acquisizione e indagine, di catalogare e scaricare i segnali salvati nella centralina.
Centralina LAN
Centralina USB
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Software acquisizione dati
Frequenza di campionamento
Campionando un segnale sinusoidale con una certa frequenza l'insieme dei punti che si
acquisiscono non permettono di identificare univocamente una sola sinusoide. Dato che,
tramite l’analisi di Fourier, ogni segnale continuo può essere visto come sovrapposizione di
seni e coseni risulta importante in teoria dei segnali riuscire a limitare questa ambiguità.
𝑓𝑓𝑠𝑠 ≥ 2𝑓𝑓𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
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Algoritmo di identificazione
FDD
Stima della densità spettrale tra tutte le misure;
Scomposizione ai valori singolari;
𝐺𝐺𝑦𝑦𝑦𝑦 (𝜔𝜔)
Plottando i valori singolari della matrice di densità spettrale in funzione della frequenza si
ottiene una sovrapposizione delle auto-densità spettrali delle coordinate modali;
𝐺𝐺�𝑦𝑦𝑦𝑦 (𝑗𝑗𝜔𝜔𝑖𝑖 = 𝑈𝑈
𝑖𝑖
𝑆𝑆
𝑖𝑖
𝑈𝑈
𝐻𝐻
𝑖𝑖
Un potenziale modo è identificato selezionando la frequenza ω0 corrispondente ad un picco
del grafico del primo valore singolare.
La corrispondente forma modale è ottenuta prendendo il corrispondente vettore singolare u1
in U alla frequenza ω0
𝜙𝜙� = 𝑢𝑢𝑖𝑖𝑖
Spin Off Università della Calabria
Algoritmo di identificazione
FDD
Un potenziale modo è identificato selezionando la frequenza ω0 corrispondente ad un picco
del grafico del primo valore singolare.
La corrispondente forma modale è ottenuta prendendo il corrispondente vettore singolare u1
in U alla frequenza ω0
𝜙𝜙� = 𝑢𝑢𝑖𝑖𝑖
Spin Off Università della Calabria
Alcune considerazioni sul
metodo
Il monitoraggio strutturale previsto dalle Norme Tecniche per le Costruzioni prevede, infatti, una
serie di procedure che, se affrontate periodicamente, determinerebbero un disagio per la
struttura in termini economici e invasivi.
L’esecuzione di un’analisi dinamica sperimentale non necessita di successive indagini in situ per
la caratterizzazione meccanica dei materiali.
Spin Off Università della Calabria
Palazzo De Mojà (RC)
Attività sperimentale svolta nell’ambito
del progetto di ricerca PON SIMONA
Gruppo di lavoro:
Giacinto Porco - Responsabile Scientifico
Nicola Francesco Dario De Vita
Tommaso Ferrò
Giulia Francesca Valer Montero
In collaborazione con:
Palazzo De Mojà (RC)
Obiettivo:
• Identificazione delle frequenze proprie di
vibrazione
Descrizione dell’edificio:
Forma geometrica regolare in pianta
che si sviluppa per due piani fuori
terra, per un’altezza complessiva di
12.00 m, ed un piano interrato adibito
ad archivio.
Struttura portante a telaio in cemento
armato lungo le due direzioni
ortogonali e da muri in elementi
artificiali pieni.
Spin Off Università della Calabria
Palazzo De Mojà (RC)
Obiettivo: Identificazione delle frequenze proprie di vibrazione
Modello FEM
Spin Off Università della Calabria
Palazzo De Mojà (RC)
Obiettivo: Identificazione delle frequenze proprie di vibrazione
Modello FEM
n°
Frequenza [Hz]
Descrizione
1
7,2585
y
2
10,034
torc
3
14,159
x/torc.
4
18,742
x
5
22,64
x/torc.
dir. torc.
dir. y
dir. x/torc.
Spin Off Università della Calabria
Palazzo De Mojà (RC)
Obiettivo: Identificazione delle frequenze proprie di vibrazione
Attività Sperimentale (accelerometri)
Spin Off Università della Calabria
Palazzo De Mojà (RC)
Obiettivo: Identificazione delle frequenze proprie di vibrazione
Processo di identificazione
Download dei Dati
Analisi qualitativa delle
tracce
Preprocessamento dei segnali
Passaggio dalle velocità
alle accelerazioni;
Signal Processing
Applicazione della FDD
SVD
Estrapolazione 1° valori
singolari
Identificazione di un
picco e applicazione dei
criteri di coerenza
modale
Spin Off Università della Calabria
Palazzo De Mojà (RC)
Obiettivo: Identificazione delle frequenze proprie di vibrazione
Processo di identificazione
Download dei Dati
Analisi qualitativa delle
tracce
Preprocessamento dei segnali
Passaggio dalle velocità
alle accelerazioni;
Signal Processing
Applicazione della FDD
SVD
Estrapolazione 1° valori
singolari
Identificazione di un
picco e applicazione dei
criteri di coerenza
modale
Spin Off Università della Calabria
Palazzo De Mojà (RC)
Obiettivo: Identificazione delle frequenze proprie di vibrazione
Processo di identificazione
Download dei Dati
Analisi qualitativa delle
tracce
Preprocessamento dei segnali
Passaggio dalle velocità
alle accelerazioni;
Signal Processing
Applicazione della FDD
SVD
Estrapolazione 1° valori
singolari
Identificazione di un
picco e applicazione dei
criteri di coerenza
modale
Spin Off Università della Calabria
Palazzo De Mojà (RC)
Obiettivo: Identificazione delle frequenze proprie di vibrazione
Processo di identificazione
Download dei Dati
Analisi qualitativa delle
tracce
Preprocessamento dei segnali
Passaggio dalle velocità
alle accelerazioni;
Signal Processing
Applicazione della FDD
SVD
Estrapolazione 1° valori
singolari
Identificazione di un
picco e applicazione dei
criteri di coerenza
modale
Spin Off Università della Calabria
Palazzo De Mojà (RC)
Obiettivo: Identificazione delle frequenze proprie di vibrazione
Processo di identificazione
n°
Frequenza
[Hz]
1
7,5195
2
9,8633
Estrapolazione 1° valori
singolari
3
13,7695
Identificazione di un
picco e applicazione dei
criteri di coerenza
modale
4
19,1406
5
22,7051
Download dei Dati
Analisi qualitativa delle
tracce
Preprocessamento dei segnali
Passaggio dalle velocità
alle accelerazioni;
Signal Processing
Spin Off Università della Calabria
Applicazione della FDD
SVD
Palazzo De Mojà (RC)
Obiettivo: Identificazione delle frequenze proprie di vibrazione
Processo di identificazione
Download dei Dati
Analisi qualitativa delle
tracce
Preprocessamento dei segnali
Passaggio dalle velocità
alle accelerazioni;
Signal Processing
Applicazione della FDD
SVD
Estrapolazione 1° valori
singolari
Identificazione di un
picco e applicazione dei
criteri di coerenza
modale
Spin Off Università della Calabria
Palazzo De Mojà (RC)
Obiettivo: Identificazione delle frequenze proprie di vibrazione
Confronto
n°
1
2
3
4
5
Spin Off Università della Calabria
Frequenza
Modello FEM
[Hz]
Frequenza misurata
con accelerometri
[Hz]
Scostamento
[%]
7,2585
7,5195
3,4710
10,034
9,8633
1,7012
14,159
13,7695
2,7509
18,742
19,1406
2,0825
22,64
22,7051
0,2867
Complesso monumentale
del S. Agostino (CS)
Attività sperimentale svolta nell’ambito
del progetto di ricerca PON MASSIMO
Gruppo di lavoro:
Giacinto Porco - Responsabile Scientifico
Fulvio Morrone
Tommaso Ferrò
Cavaliere Francesco Sgroi
Partner del progetto:
Sabrina Statini
Complesso monumentale
del S. Agostino (CS)
Obiettivo:
- Identificazione aree di dissesto del chiostro.
Descrizione:
- Edificio in muratura, costituito dalla chiesa
con un complesso di edifici, al cui interno vi è
un chiostro, soggetto a stato di dissesto.
Sede del Museo dei Brettii e degli Enotri.
Spin Off Università della Calabria
Complesso monumentale
del S. Agostino (CS)
Obiettivo: Identificazione aree di dissesto
Spin Off Università della Calabria
Complesso monumentale
del S. Agostino (CS)
Obiettivo: Identificazione aree di dissesto
Spin Off Università della Calabria
Complesso monumentale
del S. Agostino (CS)
Obiettivo: Identificazione aree di dissesto
Processo di Identificazione
Download dei Dati
Analisi qualitativa delle
tracce
Preprocessamento dei segnali
Passaggio dalle velocità
alle accelerazioni;
Signal Processing
Applicazione della FDD
SVD
Estrapolazione 1°
valori singolari
Identificazione di un
picco e applicazione dei
criteri di coerenza
modale
Spin Off Università della Calabria
Complesso monumentale
del S. Agostino (CS)
Obiettivo: Identificazione aree di dissesto
Processo di Identificazione
Download dei Dati
Analisi qualitativa delle
tracce
Preprocessamento dei segnali
Passaggio dalle velocità
alle accelerazioni;
Signal Processing
Applicazione della FDD
SVD
Estrapolazione 1°
valori singolari
Identificazione di un
picco e applicazione dei
criteri di coerenza
modale
Spin Off Università della Calabria
Complesso monumentale
del S. Agostino (CS)
Obiettivo: Identificazione aree di dissesto
Processo di Identificazione
Download dei Dati
Analisi qualitativa delle
tracce
Preprocessamento dei segnali
Passaggio dalle velocità
alle accelerazioni;
Signal Processing
Applicazione della FDD
SVD
Estrapolazione 1°
valori singolari
Identificazione di un
picco e applicazione dei
criteri di coerenza
modale
Spin Off Università della Calabria
Complesso monumentale
del S. Agostino (CS)
Obiettivo: Identificazione aree di dissesto
Processo di Identificazione
Download dei Dati
Analisi qualitativa delle
tracce
Preprocessamento dei segnali
Passaggio dalle velocità
alle accelerazioni;
Signal Processing
Applicazione della FDD
SVD
Estrapolazione 1°
valori singolari
Identificazione di un
picco e applicazione dei
criteri di coerenza
modale
Spin Off Università della Calabria
Colonna
Frequenza 1° Modo
[Hz]
2
17,21
3
17,46
5
17,7
7
17,33
8
16,11
9
16,36
10
16,24
Complesso monumentale
del S. Agostino (CS)
Obiettivo: Identificazione aree di dissesto
Processo di Identificazione
Download dei Dati
Analisi qualitativa delle
tracce
Preprocessamento dei segnali
Passaggio dalle velocità
alle accelerazioni;
Signal Processing
Applicazione della FDD
SVD
Estrapolazione 1°
valori singolari
Identificazione di un
picco e applicazione dei
criteri di coerenza
modale
Spin Off Università della Calabria
Complesso monumentale
del S. Agostino (CS)
Obiettivo: Identificazione aree di dissesto
Valutazione della risposta strutturale con acquisizione del rumore
Frequenza 1° Modo
Periodo
[Hz]
[s]
8
16.11
0,06207
10
16.24
0,06157
9
16.36
0,06112
2
17.21
0,05810
7
17.33
0,05770
3
17.46
0,05727
5
17.70
0,05649
Colonna
Spin Off Università della Calabria
Complesso monumentale
del S. Agostino (CS)
Obiettivo: Identificazione aree di dissesto
Valutazione della risposta strutturale attraverso metodo numerico
Frequenza 1° Modo
Periodo
[Hz]
[s]
8
16.21
0,06169
10
17.39
0,05750
9
16.27
0,06146
2
17.31
0,05777
7
17.34
0,05767
3
17.87
0,05596
5
17.87
0,05596
Colonna
Spin Off Università della Calabria
Complesso monumentale
del S. Agostino (CS)
Obiettivo: Identificazione aree di dissesto
Confronto FDD-FEM
Frequenze
Frequenze
FEM
FDD
[Hz]
[Hz]
8
16.21
16.11
0,6169
10
17.39
16.24
6,613
9
16.27
16.36
0,55012
2
17.31
17.21
0,5777
7
17.34
17.33
0,05767
3
17.87
17.46
2,29435
5
17.87
17.70
0,95132
Colonna
Spin Off Università della Calabria
Scostamento
[%]
Sviluppi futuri
L’analisi dinamica si presta ad essere integrata con altri rilevatori del danno residenti.
Spin Off Università della Calabria
I CONTROLLI DINAMICI PER LA TUTELA ED
IL MONITORAGGIO DEI BENI CULTURALI
Materiale didattico disponibile sul sito:
www.sismlab.it
