Risultati del monitoraggio sismico della Torre di Ingegneria dell'UnivPM - Attività di monitoraggio sismico degli edifici strategici e formazione ...
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Attività di monitoraggio sismico degli edifici strategici e formazione del volontariato di protezione civile Risultati del monitoraggio sismico della Torre di Ingegneria dell’UnivPM Prof. Ing. Fabrizio Gara f.gara@univpm.it
Sommario Caratterizzazione dinamica e modellazione ❖ Strumentazione utilizzata e configurazioni di misura ❖ Risultati identificazione dinamica e modellazione FEM ❖ Calibrazione modello FEM Monitoraggio continuo ❖ Installazione del sistema di monitoraggio ❖ Risultati del monitoraggio ❖ Dipendenza dei parametri modali da temperatura e vento ❖ Non linearità ❖ Rimozione degli effetti delle condizioni ambientali Monitoraggio e riduzione del rischio sismico ❖ Utilità del monitoraggio ❖ Monitoraggi con sensori low-cost ❖ Prestazioni di alcuni sensori low-cost 2
Sommario Caratterizzazione dinamica e modellazione ❖ Strumentazione utilizzata e configurazioni di misura ❖ Risultati identificazione dinamica e modellazione FEM ❖ Calibrazione modello FEM 3
Caratterizzazione dinamica e modellazione Strumentazione utilizzata e configurazioni di misura Accelerometri Ay9 Ax9 PCB 393B31 Ax8REF Ay8REF Ax8REF Ay8REF Ax8REF Ay8REF Ceramic Flexural ICP 200 Bx9 195 Sensitivity (±5%) 10.0 V/g Ax7 Ay7 Broadband Resolution: 0.000001 g rms Bx8REF Bx8REF Bx8REF 190 Measurement range: 0.5 g pk Ay6 Bx6 Bx7 185 Frequency range: 0.1 to 200 Hz Ay4 Ax5 Ay5 Ax4 Bx6 180 Ay3 Ax3 Bx5 175 Ay2 Schede di acquisizione Ax2 Bx4 170 Ax1 Ay1 NI 9234 Bx3 165 Ay0 Bx2 160 Four channel dynamic signal Ax0 acquisition module Bx1 155 ADC resolution 24 bits Bx0 150 Signal ranges: ±5 V Sample Rate: 51.2 kS/s/ch [m] a.s.l. Conf. 1 Conf. 2 Conf. 3 NI cDAQ 9178 Chassis CompactDAQ USB a 8 slot Configurazioni di misura • 3 accelerometri per piano Cavi coassiali • Ipotesi di piano indeformabile • Fs = 2048 Hz con connettori BNC • Registrazioni di 30 minuti (lunghezze varie da 30 a 100 m collegabili in serie) Software di acquisizione Labview Qualche difficoltà legata Ambiente di sviluppo integrato per il all’utilizzo di sensori cablati linguaggio di programmazione visuale di National Instruments 4
Caratterizzazione dinamica e modellazione Risultati identificazione dinamica e calibrazione modello FEM 1° Modo 2° Modo 3° Modo f = 1.05 Hz f = 1.19 Hz f = 1.44 Hz ξ = 5.52 % ξ = 1.57 % ξ = 1.34 % ❖ Pre-trattammento delle registrazioni (controllo visivo, individuazione eventuali 45 45 45 spike, filtraggio, ricampionamento a 51.2 Hz, rimozione andamenti spuri) 35 35 35 ❖ Elaborazione delle acquisizioni 25 25 25 tramite algoritmo SSI (stochastic sub- space identification) 15 15 15 ❖ Scalatura delle forme modali rispetto al 5 5 5 riferimento (tramite tecnica POSER) 18 18 18 18 18 18 0 0 0 0 0 0 ❖ Travi e pilastri modellate mediante elementi frame ❖ Solai, tamponature esterne e interne, pareti scala-ascensori modellate con elementi shell ❖ Modulo elastico degli elementi in c.a. incrementato del 20 % rispetto ai risultati delle prove statiche ❖ Interazione torre-corpo scala-ascensori tramite link lineari ❖ Modello finalizzato a riprodurre il comportamento della struttura in condizioni operative, calibrato sulla base dei risultati delle prove di vibrazione ambientali 5
Caratterizzazione dinamica e modellazione Risultati modello FEM 1° Mode 2° Mode 3° Mode ❖ Risultati dell’analisi modale eseguita sul modello agli elementi finiti ❖ Confronto dei risultati ottenuti dall’identificazione dinamica con i risultati dell’analisi FEM: frequenze e forme modali (indice MAC - Modal Assurance Criterion) FEM 3 0.03 0.01 0.98 (a) 2 0.45 0.90 0.03 (b) modo sperimentale modello FEM Errore 1 0.96 0.09 0.02 f [Hz] f [Hz] [%] Stairway 1 2 3 OMA Tower 1° 1.05 1.07 7.2 2° 1.21 1.18 -0.53 OMA FEM 3° 1.51 1.49 1.19 50 50 40 40 30 30 Modi identificati 2 (c) 20 20 , = ≤1 ( )( ) 10 10 0 0 18 18 18 18 18 18 Modello FEM 0 0 0 st nd rd 1 mode 2 mode 3 mode 6
Sommario Monitoraggio continuo ❖ Installazione del sistema di monitoraggio ❖ Risultati del monitoraggio ❖ Dipendenza dei parametri modali da temperatura e vento ❖ Non linearità ❖ Rimozione degli effetti delle condizioni ambientali 7
Monitoraggio continuo Installazione del sistema di monitoraggio ❖ Installazione di un sistema di acquisizione permanente, cablato, composto da tre accelerometri all’ultimo piano della torre oltre che un velocimetro in fondazione ❖ Sviluppo di una routine per l’estrazione automatica dei parametri modali; vengono correttamente rilevati i primi 3 modi di vibrare della torre ❖ Ad ogni acquisizione, registrazione dei valori di: Weather station - temperatura DAVIS VANTAGE - vento: velocità e direzione PRO2 WIRELESS 8
Monitoraggio continuo Risultati del monitoraggio f [Hz] f [Hz] 3rd mode 1.50 ❖ Necessità di indagare in 1.40 modo più approfondito le correlazioni tra parametri 1.30 modali e condizioni ambientali 2nd mode 1.20 ❖ Dipendenza evidente tra i 1st mode parametri modali e le 1.10 condizioni ambientali 1.00 40 T [°C] T[°C] 20 Third frequency Second frequency 0 30 First frequency w[m/s] w [m/s] 15 Temperature 0 10.07 11.07 12.07 13.07 14.07 15.07 16.07 17.07 30.12 31.12 1.01 2.01 3.01 4.01 5.1 6.01 Wind velocities dd.mm.2018/2019 dd.mm.2018/2019 9
Monitoraggio continuo Dipendenza di frequenze e smorzamenti da temperatura e vento ❖ Interazione positiva tra 1° e 2° 1°f [Hz] 2°f [Hz] 3°f [Hz] frequenza f di vibrazione e temperatura T ❖ Interazione negativa tra la terza frequenza di vibrazione e la temperatura 1°x [%] 2°x [%] 3°x [%] ❖ Interazione tra smorzamento e temperatura di difficile interpretazione T [°C] T [°C] T [°C] 1°f [Hz] 2°f [Hz] 3°f [Hz] ❖ Marcata interazione negativa tra i valori di frequenza di vibrazione e i valori misurati di intensità del vento ❖ Marcata interazione positiva tra i valori del fattore di 1°x [%] 2°x [%] 3°x [%] smorzamento associato ai tre modi e i valori misurati di intensità del vento w [m/s] w [m/s] w [m/s] 10
Monitoraggio continuo Non linearità ❖ Alla diminuzione delle 1°f [Hz] 2°f [Hz] 3°f [Hz] frequenze di vibrazione corrisponde, statisticamente, un aumento dei valori del fattore di smorzamento 1°x [%] 2°x [%] 3°x [%] 1°f [Hz] 2°f [Hz] 3°f [Hz] ❖ Non linearità della risposta della torre a variazioni dell’intensità dell’eccitazione ❖ Per accelerazione maggiori (valori medi) si registrano valori di: - frequenza di vibrazione inferiori ❖ - fattore di smorzamento maggiori 1°x [%] 2°x [%] 3°x [%] acc rms [g] acc rms [g] acc rms [g] 11
Monitoraggio continuo Rimozione degli effetti delle condizioni ambientali [Hz] 1° frequenza 1.10 1.05 ❖ Rimozione della variabilità dei 1.00 parametri modali a causa dei parametri ambientali tramite [Hz] analisi delle componenti 2° frequenza principali (PCA) 1.25 1.20 1.15 [Hz] 3° frequenza ❖ Definizione di “control charts” a 1.50 seguito di un periodo di addestramento sufficientemente 1.45 lungo (12 – 18 mesi) 1.40 ❖ Introduzione di un parametro Ago 2018 Ott 2018 Dic 2018 Feb 2018 Apr 2018 [tempo] “novelty index” (residui, norma euclidea, distanza di 1° modo 2° modo 3° modo Mahalanobis) al fine di identificare variazioni nel comportamento strutturale residui residui residui 12
Sommario Monitoraggio e riduzione del rischio sismico ❖ Monitoraggio lato struttura ❖ Utilizzo sensoristica MEMS per monitoraggio ❖ Prestazioni dei sensori MEMS 13
Monitoraggio e riduzione del rischio sismico Utilità del monitoraggio Risposta della struttura [g] data ora M prov. ❖ Diversi eventi sismici registrati duranti il 04/04/2019 04:33:33 2.3 PG periodo di monitoraggio 28/03/2019 16:25:54 2 AP 28/03/2019 12:08:30 2.2 AP [t] ❖ Evento sismico di magnitudo M=3.5 28/03/2019 11:12:05 2.4 AP avvenuto in zona: Costa Marchigiana 28/03/2019 10:55:37 3.6 AP Pesarese (PU) il 31-08-2018 28/03/2019 10:22:26 3.1 AP 28/03/2019 05:34:06 2.1 MC ❖ Possibilità di registrare la risposta 28/03/2019 03:16:12 2.5 AP dell’edificio a terremoti frequenti 27/03/2019 23:03:50 3.1 AP 27/03/2019 22:00:41 2.9 AP ❖ Informazioni real time sullo stato di salute 27/03/2019 21:59:18 3.1 FM dell’edificio pre- e post-evento 26/03/2019 19:54:47 2.4 PG ❖ Minor incertezze lato struttura per la 22/03/2019 13:35:27 2.2 MC valutazione della vulnerabilità 20/03/2019 02:30:32 2 AP 15/03/2019 15:56:56 2.5 AP a [g] Evento sismico FEM Epicenter Measured [g] 0.001 0.000 [t] Tower -0.001 -0.002 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 t [s] 14
Monitoraggio e riduzione del rischio sismico Monitoraggi con sensori low-cost Ax8REF Ay8REF 200 Ay7 195 Ay6 Bx8REF Ax7 190 Ax6 Ay5 Bx7 185 ❖ Utilizzando come benchmark i risultati dei test dinamici svolti con Bx6 accelerometri piezoelettrici, sono stati testati due tipologie di sensori Ax5 180 Ay3 Bx5 MEMS appartenenti a due fasce di prezzo differente: 175 - Colibrys VS1002 Ay2 Ax3 170 - ADXL 355 Bx3 Ax2 165 Bx2 160 ❖ Test svolti tenendo come riferimento i sensori all’ultimo piano e 155 misurando le accelerazioni piano per piano, nei due punti di misura 150 [m] a.s.l. PCB 393B31 ADXL 355 COLIBRYS VS 1002 PCB 393B31 COLIBRYS VS 1002 Mode f [Hz] csi [%] f [Hz] err. [%] csi [%] err. [%] f [Hz] err. [%] csi [%] err. [%] 1 1.04 1.60 1.03 -0.6% 1.26 -21.2% 1.04 0.00% 1.75 9.1% ADXL 2 1.19 1.32 1.19 -0.4% 1.48 12.2% 1.19 -0.15% 1.38 4.7% 355 3 1.49 1.48 1.49 -0.2% 1.36 -8.1% 1.49 -0.14% 1.45 -1.9% 15
Monitoraggio e riduzione del rischio sismico Prestazioni di alcuni sensori low-cost PSD PSD PSD [g^2/Hz] [g^2/Hz] [g^2/Hz] -8 -8 -8 10 10 10 -10 -10 -10 (q190) 10 10 10 10 -12 10 -12 10 -12 ❖ I sensori MEMS Colibrys 1 Frequency [Hz] 1 Frequency [Hz] 1 Frequency [Hz] consentono l’identificazione delle (Ax) (Ay) (Bx) frequenze fondamentali al pari dei PSD PSD PSD [g^2/Hz] [g^2/Hz] [g^2/Hz] piezoelettrici -8 -8 -8 10 10 10 -10 -10 -10 (q185) 10 10 10 -12 -12 -12 10 10 10 ❖ I sensori MEMS ADXL 355 1 Frequency [Hz] 1 Frequency [Hz] 1 Frequency [Hz] possono essere utilizzati per (Ax) (Ay) (Bx) monitorare tramite OMA gli ultimi PSD PSD PSD [g^2/Hz] [g^2/Hz] [g^2/Hz] piani della torre. -8 -8 -8 10 10 10 -10 -10 -10 (q170) 10 10 10 -12 -12 -12 10 10 10 1 Frequency [Hz] 1 Frequency [Hz] 1 Frequency [Hz] (Ax) (Ay) (Bx) 16
Monitoraggio e riduzione del rischio sismico Prestazioni di alcuni sensori low-cost 45 45 45 AutoMAC [%] 35 35 35 3 0.8 3.8 100.0 25 25 25 2 30.6 100.0 3.8 15 15 15 1 100.0 30.6 0.8 1 2 3 5 5 5 18 18 18 18 18 18 0 0 0 0 0 0 45 45 45 MAC [%] 35 35 35 ❖ Risultati ottenuti con sensori Colibrys vs1002 3 4.5 2.4 99.3 25 25 25 MEMS Colibrys sovrapponibili 2 28.3 99.9 4.1 15 15 15 ai risultati ottenuti con 1 99.3 26 3.2 accelerometri piezoelettrici 5 5 5 1 2 3 PCB 393b31 18 18 18 18 18 18 0 0 0 0 0 0 45 45 45 MAC [%] 35 35 35 3 0.8 2.5 95.8 ❖ Risultati meno precisi utilizzando gli ADXL 355 25 25 25 ADXL 355 ma si riesce comunque 2 34.8 95.8 3.8 ad identificare la dinamica degli 15 15 15 1 95.8 22.1 0.8 ultimi due piani 5 5 5 1 2 3 PCB 393b31 18 18 18 18 18 18 0 0 0 0 0 0 17
Progetti di ricerca Progetto strategico di Ateneo 2016-2018 “Structural Health Monitoring of Constructions with Wireless Sensor Network (SHM-WSN)” Dottorato innovativo 2018-2020 (finanziato Regione) – Ing. Arezzo Riduzione del rischio sismico e monitoraggio di strutture strategiche o di rilevanza culturale ReLUIS 2019-2021, linee: - WP4-9 - MAppe di Rischio e Scenari di danno sismico - Modelli e curve di fragilità dei ponti - WP6-2 - Monitoraggio e dati satellitari - Infrastrutture rilevanti (ponti, viadotti) - WP12-9 - Contributi normativi relativi a Costruzioni civili e industriali di acciaio e composte acciaio- calcestruzzo - Ponti con struttura di acciaio o composta acciaio-calcestruzzo Progetto Cariverona 2020-2022 (domanda in corso di valutazione) PROTECT - maPping the seismic Risk Of straTEgiC consTructions 18
Attività di monitoraggio sismico degli edifici strategici e formazione del volontariato di protezione civile GRAZIE PER L’ATTENZIONE Prof. Ing. Fabrizio Gara f.gara@univpm.it
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