Applicazioni delle reti wireless di sensori nel monitoraggio delle strutture civili

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 1/13

Identificazione strutturale Experimental Modal Analysis f(t) My t + Ky t + Cy t = f(t) y(t) Forced Vibration Response Free Vibration Response Operational Modal Analysis White Noise My t + Ky t + Cy t = f(t) y(t) Environmental Noise (white noise) response 2/13

Wireless Sensor Networks Vantaggi rispetto a sistemi cablati Minori costi Minore ingombro Smart Sensors 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 Srl 3/13

Problematiche 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 4/13

Attività in corso Studio di strategie di identificazione distribuite Applicazioni su strutture reali 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 Progettazione e verifica di nodi sensori custom V Gattulli, F Graziosi, F Federici, F Potenza, A Colarieti, M Lepidi Structural Health Monitoring of the Basilica S Maria di Collemaggio SEMC 2013 5/13

Tecniche di analisi Data DrivenStochastic Subspace Identification Response Time Series y(t) NExT Correlation Covariance Random Decrement Signature Ibrahim Time Domain Eigensystem Realization Algorithm COV driven SSI RD - ITD RD - ERA Modal Parameters ξ i PSD Estimation Peak Picking Frequency Domain Decomposition 6/13

Strategie distribuite (FDD) Situazione classica S1 y 1 (t) S2 Sn y 2 (t) y n (t) Coordinator G(jω) = G 11 (jω) G 1n (jω) G n1 (jω) G nn (jω) SVD Comunicazione Elaborazione 7/13

Strategie distribuite (FDD) Parallelizzazione S1 F y 1 t S2 Sn F y 2 t F y n t Coordinator G(jω) = G 11 (jω) G 1n (jω) G n1 (jω) G nn (jω) n x n SVD Comunicazione Elaborazione 8/13

Strategie distribuite (FDD) S1 G 12 (jω) = G 11(jω) G 12 (jω) G 21 (jω) G 22 (jω) Distribuzione S2 S n-1 F y 2 t G n 1,n (jω) 12 12 2 x 2 SVD 12 12 n 1,n n 1,n Coordinator Composizione F y n t 2 x 2 SVD Sn n 1,n n 1,n Comunicazione Elaborazione 9/13

Monitoraggio della Basilica di Collemaggio 13 nodi sensori Imote2 Accelerometro triassiale LIS3DSH Misurazione continua dell accelerazione ai nodi 10/13

Monitoraggio della Basilica di Collemaggio 12 x 10-3 Prove con sollecitazione controllata (martello strumentato) a [g] 11 10 9 8 7 6 5 4 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 n6 2011 a [g] 3 0018 0016 0014 0012 001 0008 0006 0004 2 0 50 100 150 200 250 300 0002 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 11/13

WestMote Nodo sensore wireless per applicazioni di monitoraggio strutturale sviluppato da WEST Aquila Srl Alimentazione a batteria Monitoraggio a lungo termine Stack di comunicazione 802154 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 12/13

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 13/13