lunedì 27 febbraio 2023 · 0 min read
Monitoraggio Strutturale del Duomo di Orvieto
L'Italia è tra le nazioni che detengono il maggior numero di edifici storici ed artistici al mondo. Preservarlo negli anni non è solo importante, ma è un obbligo, e per farlo bisogna ricorrere a soluzioni di diagnostica e prevenzione capaci di non stravolgere la loro autenticità. Una di queste è il monitoraggio strutturale.
Un sistema di monitoraggio strutturale dinamico permanente Dewesoft è stato installato in uno dei capolavori dell'architettura gotica del centro Italia: il Duomo di Orvieto.
La Cattedrale di Orvieto
La Basilica di Santa Maria Assunta, nota anche come Duomo di Orvieto, è una delle massime realizzazioni artistiche del tardo Medioevo italiano, capolavoro dell'architettura gotica dell'Italia Centrale. Simbolo della città stessa di Orvieto, il Duomo è una delle più belle cattedrali d’Italia e del mondo. I lavori per la sua realizzazione iniziarono nel 1290 d.C.
La costruzione fu fortemente voluta sia dalla Chiesa che dal Comune, con l’intento di creare un’unica grande cattedrale per la città in sostituzione delle due chiese malridotte (la chiesa episcopale di S. Maria, piuttosto malridotta, e la chiesa parrocchiale di S. Costanzo, officiata dai canonici che possedevano case e botteghe contigue al chiostro annesso) che erano presenti sulla bella piazza dove ora si erge il Duomo. Va quindi esclusa la suggestiva teoria che indica nel Miracolo di Bolsena l’evento propiziatorio per la costruzione.
Il Duomo si presenta come una magnifica costruzione che accorpa diversi stili architettonici. In particolare si può definire un mirabile esempio di equilibri e commistioni di stili gotico (soprattutto per la facciata con le slanciate guglie) e romanico, anche se la cattedrale mantiene delle proprie peculiarità uniche nel loro genere. Molte furono le persone e le maestranze che parteciparono alle diverse fasi di progettazione e costruzione del Duomo.
L'Opera del Duomo d’Orvieto è responsabile della manutenzione della Cattedrale, dell'amministrazione dei suoi beni, della conservazione delle sue opere d'arte e della gestione del Museo. Questo ente autonomo ha deciso di installare un sistema di monitoraggio permanente presso il Duomo di Orvieto in collaborazione con Dewesoft.
La città di Orvieto, con il suo edificio storico, si trova nell'Italia centrale a ridosso della catena appenninica centro-meridionale. Questa è una delle aree più sismiche in Italia. Viene colpita da forti terremoti circa una volta ogni decennio. Il sottosuolo di Orvieto presenta diverse faglie e strutture sismiche attive.
Il movimento delle faglie può essere quasi impercettibile per lunghi periodi. Ciò avviene quando si presentano terremoti di bassa magnitudo: questa è la normale, cosiddetta "sismicità di fondo". A volte, però, il movimento si scarica con maggiore forza perché la sezione della faglia che si rompe è maggiore. La città ha subito gli effetti di terremoti sia di piccola che di grande scala.
Installazione - Setup di Monitoraggio
l sistema di monitoraggio è stato installato per valutare l'interazione dinamica degli elementi macrostrutturali della cattedrale, del transetto, della navata e della facciata.
Le amplificazioni del segnale accelerometrico nei diversi punti della cattedrale vengono monitorate nel tempo. Questi riflettono le risposte della struttura nel tempo a seguito di sollecitazioni dovute a sismicità di fondo o terremoti, nonché al passaggio del traffico quotidiano o di lavori di costruzione. Tali forze possono modificare le frequenze significative della struttura e provocare il degrado strutturale.
Nello specifico, tale installazione consente di monitorare il comportamento della struttura a seguito dei lavori che verranno realizzati nei prossimi mesi per rendere la Basilica e la sua facciata un'unica struttura coerente.
Il sistema scelto per il monitoraggio è IOLITEi-3xMEMS della famiglia IOLITE della Dewesoft. L’IOLITEdi 3xMEMS-ACC è un acquisitore con sensore integrato. L'accelerazione è misurata grazie ad un accelerometro triassiale MEMS posto all'interno del dispositivo e ad esso collegato solidalmente.
Si tratta di un sistema altamente affidabile e la sensibilità degli accelerometri integrati nel modulo di acquisizione è adatta a misurare la dinamica della struttura
afferma Gerardo De Canio, consulente strutturale dell'Opera del Duomo d'Orvieto. “Abbiamo scelto Dewesoft perché è uno dei migliori fornitori al mondo".
Si è scelto di posizionare i moduli IOLITEdi 3xMEMS-ACC in una catena di misura a più nodi distribuiti in punti strategici della struttura.
La configurazione hardware scelta per questa installazione è una configurazione ad anello chiuso. Questa permette di alimentare, da un unico punto e con un'unica sorgente di alimentazione, i due rami dell'anello grazie all’utilizzo di due moduli IOLITE-POWER INJECTOR. Questo si è reso necessario perché la struttura dell'edificio non presenta una rete elettrica in grado di alimentare la catena di acquisizione lungo l’intero percorso su cui sono stati posizionati i moduli accelerometrici.
In totale sono stati installati 13 moduli IOLITEdi 3xMEMS-ACC lungo le colonne della navata centrale e sulla volta centrale, più 2 IOLITE-POWER INJECTOR che permettono di alimentare la catena Ethercat con la tecnologia PoE.
La comunicazione avviene tramite protocollo EtherCAT che permette la distribuzione dei dispositivi IOLITE anche su strutture di grandi dimensioni. I dispositivi supportano distanze fino a 50m nodo-nodo ed il collegamento avviene con un unico cavo di rete per il segnale, alimentazione e sincronizzazione dei dati. E’ possibile coprire anche distanze superiori a 50 m interponendo tra un punto di misura e il successivo un opportuno ripetitore passivo.
l numero di accelerometri che in questa prima fornitura si è scelto di montare non è assolutamente vincolante, il sistema potrà facilmente essere espanso con altri accelerometri qualora si dovesse rendere necessario.
Infatti, il grande vantaggio dei sistemi Dewesoft è che il numero dei canali è espandibile anche in un secondo momento.
Le Misure
La configurazione dei canali accelerometrici nel setup di misura è immediata: i moduli IOLITEi-3xMEMS sono automaticamente riconosciuti dal software di acquisizione dat DewesoftX e all’utente è lasciata la semplice scelta dell’unità di misura a lui più congeniale (gom/s2).
In questo specifico caso il cliente ha scelto di acquisire con frequenza di campionamento di 100 Hz registrando solo i dati grezzi e il valore scalare RMS massimo degli accelerometri triassiali.
Si è voluto, però, visualizzare a video durante la fase di acquisizione il valore RMS istantaneo di ogni canale calcolato mediante la matematica statistica di base, in modo da poter visualizzare eventuali anomalie.
Il software può essere configurato anche per l'uso remoto - il sistema di acquisizione può essere messo online. Qualsiasi utente autorizzato può quindi effettuare il login e visualizzare in tempo reale l'acquisizione dei dati e scaricare i file dati senza dover necessariamente recarsi sul sito stesso. In questo caso, il monitoraggio vero e proprio viene effettuato da un ufficio a Roma.
Al momento, però, il cliente non dispone di una rete internet stabile e sicura per cui il software di acquisizione non è online 24 ore su 24, ma viene connesso alla rete per consentire il download dei dati.
Il sistema in questione registrerà h24 con opzione un multifile in modo da avere più file dati connessi l’uno all’altro della durata di 1h ciascuno. Con questa opzione, in post processamento, l’utente potrà poi aprire tutti i file dati insieme per avere una overview completa oppure potrà aprire il singolo file dati per analizzare una specifica sezione oraria.
L’opzione multifile, permette infatti, di creare file dati di dimensioni contenute anche nel caso di acquisizioni permanenti, facilitando così l’apertura e l’elaborazione dei dati.
Il software DewesoftX offre anche l’opportunità di registrare i dati su base evento, o trigger, riducendo in questo modo la mole di dati che in seguito l’esperto strutturista sarà chiamato ad analizzare. E’ possibile infatti impostare dei valori di soglia ed, eventualmente, anche un periodo di pre-trigger e post-trigger sui dati grezzi o su delle opportune matematiche implementate nel setup di misura, come ad esempio il calcolo del valore RMS delle accelerazioni.
Infine, è stato richiesto dal cliente di abilitare un'opzione presente all'interno del software DewesoftX che permette di eliminare i file dati acquisiti più vecchi di 30 giorni (periodo scelto dal cliente), al fine di non occupare l'intero spazio su disco del computer.
In Dewesoft è anche possibile impostare degli allarmi o gruppi di allarmi e di inviare una email di notifica all’utente nel caso in cui si verifichi un evento.
IOLITEi-3xMEMS: Lo Strumento DAQ con sensore accelerometrico triassiale MEMS integrato
L' IOLITEi-3xMEMS è un acquisitore con sensore integrato. L'accelerazione è misurata grazie ad un accelerometro triassiale MEMS posto all'interno del dispositivo e ad esso collegato solidalmente.
La conversione A/D del segnale è realizzata all'interno dello strumento eliminando così le problematiche di rumore anche sui cablaggi più lunghi.
Il microprocessore integrato trasmette i valori di accelerazioni campionati al software Dewesoft X installato su un PC Windows oppure, in alternativa, i dati vengono inviati ad un master EtherCAT sulla piattaforma preferita. La scalatura del dato avviene in automatico, così l'utente ha immediatamente disponibile il dato in g oppure m/s2.
Il sensore di temperatura integrato misura la temperatura alla quale è sottoposto l'accelerometro MEMS. Tale lettura può essere visualizzata tra i canali del System Monitor nel software di acquisizione Dewesoft X. I valori sono aggiornati ogni secondo.
I moduli IOLITEi 3xMEMS-ACC sono la base ottimale per le soluzioni di integrità strutturale delle opere civili e dunque ideali per il monitoraggio permanente di ponti, tralicci, antenne, edifici e stadi.
Inoltre, grazie ad una densità di rumore spettrale contenuta in soli 25 µg/√Hz e un rumore residuo di 100 µg questi sensori IOLITE sono un'ottima alternativa economica per monitoraggi sismici.
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Conclusioni
In molti edifici storici, il monitoraggio strutturale da un valido contributo alla diagnostica e alla prevenzione dei seri danni che possono essere provocati da un sisma o che possono sorgere a seguito del deterioramento causato dal passare degli anni.
L’obiettivo finale di tutti i monitoraggi è dare conto, mediante risultati interpretati da tecnici esperti, di possibili movimenti strutturali.
Negli edifici storici l'installazione di un sistema di monitoraggio si pone tre importanti obiettivi:
Valutare se la struttura necessita di interventi di manutenzione.
Quantificare l’entità di progressione della grandezza monitorata e tenere sotto controllo eventuali situazioni anomale, come ad esempio sismi, per mezzo di “alert” preimpostati.
Osservare, a seguito di interventi di manutenzione, se la struttura risponde bene ad essi rientrando in un regime di piena stabilizzazione.
“La nostra esigenza non è tanto una stazione sismica a terra, quanto piuttosto un sistema per monitorare la dinamica della struttura”, afferma Gerardo De Canio.
Questi accelerometri hanno un buon guadagno e un buon rapporto segnale/rumore. Abbiamo già chiesto a Dewesoft un'estensione dell'intero sistema di monitoraggio
Il sistema di monitoraggio Dewesoft con moduli IOLITEi 3xMEMS-ACC è di facile installazione, non invasivo con un costo molto contenuto se rapportato al valore delle opere monumentali. Il software di acquisizione dati DewesoftX permette di visualizzare i dati già durante la fase di acquisizione, questi dati possono poi essere ulteriormente analizzati con lo stesso software.
Il rispetto e la conservazione del patrimonio storico - artistico negli anni sono importanti e doverosi. Per farlo è necessario ricorrere a soluzioni diagnostiche e di prevenzione capaci di non snaturarne l'autenticità e la bellezza. I sistemi Dewesoft sono pienamente in linea con questa filosofia, consentendo un monitoraggio continuo delle strutture e garantendo nel contempo un'analisi non distruttiva.