Il monitoraggio delle strutture civili tramite reti wireless di sensori

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1 Università degli studi dell aquila Il monitoraggio delle strutture civili tramite reti wireless di sensori Fabio Federici I.I.S. A. VOLTA, Pescara, 3 febbraio 215

2 outline Introduzione Sistemi embedded e reti wireless di sensori Applicazioni nel monitoraggio e controllo delle strutture Il monitoraggio della Basilica di Collemaggio La storia Il sistema I risultati Conclusioni e sviluppi futuri I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio 215 2

3 Sistemi emebedded Una combinazione di hardware and software che insieme formano una componente avente una funzione dedicata all interno di un più vasto sistema elettro-meccanico La centralina di controllo di un automobile è un esempio di sistema embedded. Image from: Un Sistema embedded viene progettato per operare autonomamente, in maniera automatizzata. Un requisito frequente è la risposta in tempo reale. I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio 215 3

4 Wireless Sensor Networks Una rete wireless di sensori è una rete di dispositivi embedded distribuiti nel mondo fisico, e in grado di interagire con l ambiente circostante. Nodo Sink/ Gateway Nodo Leaf Ogni nodo sensore è un elaboratore economico e di dimensioni molto ridotte. Ognuno include uno o più sensori o attuatori. I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio 215 4

5 Architettura del nodo sensore Un tipico nodo sensore contiene un microcontrollore, un unità radio, una o più unità di memoria non volatili (es. Memorie Flash memory), e opportune interface di comunicazione, attuazione e acquisizione dati. Sensore 1 Sensore 2 Sensore 3 Sistema di acquisizione dati Microcontrollore Memoria Radio Transceiver Batteria e gestione dell alimentazione I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio 215 5

6 Architettura di un Sistema basato su wsn WSN Utenti e amministratori della rete Internet Gateway Server remoto Database I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio 215 6

7 applicazioni Disaster Management Applicazioni militari Agricoltura di precisione Monitoraggio strutturale Wireless Sensor Networks Healthcare Ambient Assisted Living I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio 215 7

8 Applicazioni al monitoraggio e controllo delle strutture L utilizzo di reti wireless di sensori e di un adeguata infrastruttura di comunicazione può consentire un monitoraggio diffuso e pervasivo delle infrastrutture civili I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio 215 8

9 Monitoraggio vibrazionale Piezoelectric accelerometer PC Data Acquisition System Svantaggi: Ridotta flessibilità Costo elevato delle apparecchiature Costo elevato per l installazione I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio 215 9

10 Accelerometri γ k m x m x f Un accelerometro è un dispositivo elettro-meccanico in grado di misurare le accelerazione statica (gravità) o dinamica (movimenti o vibrazioni). I moderni accelerometri sono dispositivi integrati (MEMS) e includono spesso: Image from: Acquisizione dati Elaborazione dati Interfaccia di comunicazione Ulteriori sensori (temperatura) I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio 215 1

11 Accelerometri MEMS I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

12 Monitoraggio vibrazionale Analisi modale SPERIMENTALE Analisi modale OPERATIVA Risposta ad una sollecitazione controllata Risposta al rumore ambientale I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

13 Wireless sensor networks as Structural Monitoring Systems Sensor AFE MCU RADIO Wireless sensor nodes with MEMS accelerometer Sink node/ Gateway Unit Vantaggi: Costi ridotti Ingombri ridotti Smart Sensors Problematiche: Accuratezza della misura Tempo di vita Affidabilità nel lungo periodo I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

14 La basilica di santa maria di collemaggio Fondata alla fine del XIII secolo, la Basilica di Santa Maria di Collemaggio è la chiesa più importante della città dell Aquila Alcuni dati: La Chiesa ha una navata centrale (61 m di lunghezza e 11.3 m di larghezza) e due navate laterali (8. m di larghezza). Le navate sono separate da due serie di sette colonne (altezza di 5.3 m, circa 1 m di diametro). Le mura esterne (spessore di circa 1 m) sono connesse su due lati al transetto e alla facciata. I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

15 La basilica di santa maria di collemaggio 1915 : facciata della chiesa danneggiata dal terremoto di Avezzano. Realizzazione di interventi per aumentare la resistenza e la rigidezza fuori del piano: una griglia di elementi in c.a.; uno strato di mattoni nella parte posteriore della facciata; tre speroni in corrispondenza dei muri longitudinali. I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

16 La basilica di santa maria di collemaggio 196: terremoto del Ricostruzione della cupola sopra il transetto, con struttura in cemento armato : ripristino della facies medievale Rimozione degli stucchi barocchi; Sopraelevazione dei muri perimetrali e costruzione di cordoli in c.a. Riapertura dei rosoni sulla facciata prima del 1972 dopo il 1972 I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

17 La basilica di santa maria di collemaggio I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

18 Analisi numerica preliminare A B Post earthquake configuration model C D Figura 4.7: Confronto tra i modelli A, B, C e D che mette in evidenza le pareti crollate col sisma. A B C D Figura 4.8: Vista assonometrica dei quattro modelli di calcolo. I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

19 Analisi numerica preliminare Video: I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio 215 2

20 Monitoraggio della basilica di collemaggio Monitoraggio strutturale di lungo periodo dopo l evento sismico Investigare sulle possibili cause del crollo Studiare le variazioni della risposta dinamica legate alle opera di consolidamento temporanee Esplorare I possibili vantaggi legati all uso di tecnologie avanzate Milestones Fase 1: rete per monitoraggio vibrazionale Fase 2: monitoraggio continuo della struttura Fase 3: espansione della rete I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

21 Monitoraggio della basilica di collemaggio I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

22 Monitoraggio della basilica di collemaggio I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

23 Monitoraggio della basilica di collemaggio I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

24 Nodi sensori MEMSIC Imote2 nodes and SHM-A sensor board ST Microelectronics LIS344ALH accelerometer with 1mg resolution Temperature & Humidity sensors C B b) Wireless sensor a) A c) Columbia, SA 17-LN I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio 215 Experimental apparatus for wireless sensors characterization a) modular structural frame (1:3 scaling, 3m total height). b) the 25

25 Installazione I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

26 Installazione I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

27 Installazione I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

28 STRUCTURAL HEALTH MONITORING OF THE BASILICA OF SANTA MARIA DI COLLEMAGGIO Multifunctions wireless sensor positioning Presidency of the Council of Ministers Centre for Research and Training in Earthquake Engineering University of L'Aquila DEPARTMENT OF CIVIL PROTECTION Deputy Commissioner for Emergency Management of the Abruzzo region Plant of the Basilica of Santa Maria di Collemaggio A B C E D Accelerometer in elevation Inclinometer Accelerometer on the ground Node Gateway Extensometer 87 F F B C D E A Section A-A Section B-B Section C-C Section D-D Section E-E I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio 215 Section F-F 29

29 Architettura del sistema Automatic Data Acquisition Management Network Gateway Secure VPN Connection over Internet Remote Server Sink Node Wireless Sensor Network Data Archive S2 S4 S1 S3 S n I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio 215 3

30 Test sperimentali I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

31 Test sperimentali I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

32 Analisi dei dati e risultati.5 Principali eventi sismici rilevati Earthquake Date Time (UTC) Magnitude Peak Response Acceleration [g] Main Shock Emilia May 5 th, 212 2:3 AM Aftershock Emilia May 5 th, 212 1:18 PM A [g] Shock Ravenna June 6 th, 212 6:8 AM L Aquila October, 14, 212 4:32 PM L Aquila October 3, 212 2:52 AM L Aquila November, 16, 212 3:37 AM L Aquila February, 14, 214 8:51 PM Emilia Earthquake: main-shock on 2/5/212. Measurements node 1: a) dir. X (longitudinal), b) dir. Y (transversal). Time 2:3 U.TC. Magnitude A [g] a x [g].1 a y [g] a) A [g] t [s] t [s] a) F [Hz].5 A [g].25 f [Hz] b) t [s] t [s] b) F [Hz] f [Hz] I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

33 Analisi dei dati e risultati CSI/all output Z mode 2 mode 3 mode Z Z CSI/all Ref Y X Y X Y X mode 2 mode 3 mode Z 1 Z 1 Z Y X Y X Y X 5 I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

34 WESTmote WESTmote: un nodo sensore custom per il monitoraggio di lungo periodo Battery powered Long period operating lifetime Advanced Analog Front End with 16 bit ADC Flexible power section with up to 28 V excitation voltage generation Native battery monitoring Sub GHz ISM band radio communication IEEE compliant Over the air programming I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

35 Conclusions and future works Possibilità di identificare I principali modi di vibrare della struttura tramite la rete wireless di sensori Studio di tecniche innovative, realizzazione di nodi sensori full-custom per il monitoraggio strutturale Attività in corso e sviluppi futuri: RICOSTRUIRE: un laboratorio per lo sviluppo di soluzioni innovative per il monitoraggio e controllo strutturale INCIPICT: una metropolitan area network a supporto del paradigma smart city per la città dell Aquila TIRARE: sperimentazione di sensori a fibra ottica per il monitoraggio delle strutture I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

36 RICOSTRUIRE Labs: Open Source Technologies Heterogeneous Networks ICT Systems and Services for Smart and Secure Building Sviluppo di soluzioni low-cost, altamente integrate per il monitoraggio strutturale Consulenza strategica alle PMI del territorio e training on the job I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

37 INCIPICT SC QU VVFF I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

38 RETE TIRARE TIRARE - Tecniche Innovative per il Rinforzo Antisismico del patrimonio edilizio storico e monumentale in REte Strain Sensors Monoaxial accelerometer Static monitoring Of restoration ad retrofitting process Archway (experimental test site) I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

39 riferimenti Università degli studi dell aquila Centro di Eccellenza dews Centro di ricerca e formazione per l ingegneria sismica I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio

40 Grazie a: Roberto Alesii Elena Antonacci Andrea Colarieti Marco Faccio Vincenzo Gattulli Fabio Graziosi Marco Lepidi Francesco Potenza Grazie per l attenzione I.I.S. A. VOLTA, PESCARA, 3 febbraio