Case Study:
di Giorgio Sforza, ESSEBI s.r.l

L’analisi modale è uno strumento di indagine fondamentale per comprendere ed ottimizzare le caratteristiche dinamiche di una struttura. Nel porto di Vado Ligure viene costantemente monitorato l’effetto del moto ondoso sul molo.

Il sistema di acquisizione consiste in una catena di misura a più nodi distribuiti in punti strategici. Ogni nodo utilizza un sensore accelerometrico triassiale MEMS con integrato il modulo di acquisizione: si tratta del dispositivo – IOLITEd 3xMEMS-ACC della famiglia Dewesoft IOLITE.

Il porto di Vado Savona o Vado Ligure è situato ad ovest di Genova. E’ un porto di grandi dimensioni con funzionalità industriali e commerciali, ha banchine per il carico e lo scarico di olio, carbone e per il transito di traghetti che connettono Savona Vado con Corsica e Sardegna.

Il sistema qui descritto è installato su pontile lungo 800 metri ed è finalizzato al controllo del suo comportamento strutturale quando soggetto al moto ondoso.

Il molo è di proprietà di Esso Italiana S.r.l. e permette lo scarico e il carico delle navi cisterna e permette la connessione, tramite tubatura, ad un ormeggio dal quale gli oli che verranno trasformati in miscele verranno pompati fino ad un impianto di lubrificazione dove viene preparato, conservato e poi distribuito.

Aerial view of the pier from Google Earth

Figura 1. Vista aerea de molo da Earth.

Analisi Modale OMA

L’analisi modale è di enorme importanza per lo studio e l’ottimizzazione dei comportamenti dinamici della struttura. Nelle strutture, la maggior parte dei problemi di vibrazione sono collegati a fenomeni di risonanza, ovvero quando le frequenze naturali vengono eccitate da forze esterne dovute alle condizioni operative.

Per analizzare le risposte delle strutture meccanica serve eccitare i modi di vibrare con delle forzanti. In condizioni di laboratorio si può ricorrere ad un martello strumentato, o martello modale, oppure anche ad uno shaker. Tuttavia, per le strutture tipiche dell’ingegneria civile, l’energia che si introdurrebbe con queste forzanti artificiali sarebbe troppo contenuta e si ricorre dunque spesso ad utilizzare le forzanti delle reali condizioni di esercizio delle strutture. 

L'Analisi Modale Operazionale (OMA) è basata sulla misura delle sole risposte della struttura in condizioni operative e viene spesso usata in situazioni dove è difficile controllare un’eccitazione esterna sulla struttura.

Dewesoft mechanical engineering team placing accelerometers and vibration shaker for OMA test in their headquarter R&D facility

Il team di ingegneria meccanica di Dewesoft mentre posiziona gli accelerometri e lo shaker per il test OMA nel loro headquarter, dipartimento R&D

L'approccio OMA (Operational Modal Analysis) viene anche chiamato “ouput only” poiché è la sola risposta in output che viene analizzata senza conoscere la forza che viene introdotta nel sistema. Questi dati, trattati con opportuni metodi e algoritmi, permettono comunque l’identificazione dei parametri modali.

Il comportamento dinamico di una struttura viene identificato con un set di modi, ciascuno caratterizzato da una frequenza naturale, uno smorzamento e una forma modale. L’identificazione modale permette di determinare tali parametri, caratteristici della struttura. Conoscendo questi parametri è possibile predire la risposta strutturale.

I modi strutturali forniscono infatti informazioni del moto relativo degli elementi della struttura quando viene stressata ad una specifica frequenza. Se la struttura viene eccitata tramite una forza che eccita più frequenze, il modo in cui la struttura vibrerà sarà la combinazione di più modi di vibrazione.

Questi parametri quindi costituiscono una sorta di carta di identità della struttura che può essere usata per la validazione del modello numerico, per la calibrazione e per scopi diagnostici – con un monitoraggio a lungo termine.

Misure

La rilevazione dei parametri modali permette di avere un’istantanea della dinamica della struttura ad un preciso istante di tempo T0. Generalmente, questo tempo T0 per le nuove strutture coincide col collaudo mentre per le strutture preesistenti può essere un istante di tempo in cui viene effettuata una prima valutazione delle condizioni di sicurezza strutturale e in cui vengono effettuate le prime misure.

Nel caso in esame, i dati vengono registrati dal sistema in due giorni distinti: prima e dopo i lavori di ristrutturazione, il 28 Dicembre 2018. Questo ha permesso di valutare gli effetti degli interventi di ristrutturazione e di avere un aggiornamento delle proprietà dinamiche della struttura dopo l’intervento. Ciò è stato poi utilizzato come riferimento per il controllo e la conservazione della struttura stessa.

La risposta dinamica della struttura viene misurata tramite la lettura dell’accelerazione in alcuni punti disposti sulla superficie della piattaforma alla fine del molo. In particolare, i punti scelti sono quelli ai quattro vertici della piattaforma nominati da A a D ai quali viene applicata la strumentazione.

In ogni punto di misura viene messo un IOLITEdi 3xMEMS-ACC, ovvero un accelerometro triassiale, con assi X e Y a definire il piano orizzontale e l’asse Z come l’asse verticale. In particolare, con riferimento alla piattaforma, l’asse X è quello ortogonale alla lunghezza della piattaforma, mentre l’asse Y è parallelo a quest’ultima.

Dewesoft IOLITEdi 3xMEMS-ACC data acquisition device with integrated low-noise 3-axial MEMS accelerometer

Sistema di acquisizione Dewesoft IOLITEdi 3xMEMS-ACC integrato con accelerometro triassiale MEMS a basso rumore

Per la caratterizzazione dinamica della struttura, le misure accelerometriche sono state effettuate nelle giornate del 6 dicembre 2018 e del 4 gennaio 2019, prima e dopo la ristrutturazione del polo B1 della piattaforma. Per ogni giorno il segnale dei sensori è stato acquisito per un periodo di 60 minuti e le caratteristiche modali sono state determinate basandosi sulle risposte di accelerazione in questo intervallo.

Le misure sono state effettuate con una frequenza di campionamento di 100 campioni/s che ha consentito, dopo l’applicazione del filtro antialiasing, di avere una larghezza di banda utile di circa 40 Hz.

Dewesoft records vibration signals in the time domain while DewesoftX software converts the recorded signal into the frequency domain using Fourier transform

Segnale registrato nel dominio del tempo mentre il software DewesoftX lo converte nel dominio della frequenza tramite una trasformata di Fourier

Photos of the installed instrumentationPhotos of the installed instrumentationPhotos of the installed instrumentation

Figura 2. Foto della strumentazione installata

E’ stato creato anche un modello geometrico con le coordinate dei nodi di misura in modo da avere una percezione delle deformate. Sono inoltre stati disegnati anche i punti della base anche se non acquisiti.

Wireframe geometric model of the pier

Figura 3. Modello geometrico del molo

Il riassunto dei risultati delle misure fatte il 6 dicembre 2018 ed il 4 gennaio 2019, permette di confrontare la risposta dinamica prima e dopo l’intervento in termini di frequenze, forme modali e smorzamenti.

Form f [Hz]
6/12/2018
f [Hz]
4/01/2019
z [%]
6/12/2018
z [%]
4/01/2019
Translational X 1,171 1,224 1,15 1,10
Torsional 1,303 1,385 1,22 2,27
Roto translational Y 1,453 1,514 1,69 1,85
Translational Y 1,717 1,845 2,24 1,78

Tabella 1. Riassunto dei risultati ottenuti dalle misure.

Le frequenze determinate con le misure del 4 gennaio, a seguito degli interventi di ristrutturazione del polo B1, sono più alte del 4-7% rispetto a quelle determinate il 6 dicembre. Le forme modali non appaiono invece differenti tra le due elaborazioni. Si può concludere dunque che l’intervento ha introdotto un aumento di rigidezza.

Translational modal form X

Figura 4. Forma modale traslazione in X

Torsional form

Figura 5. Torsionale

Figure 6. Roto translational modal form Y

Figura 6. Roto traslazione in Y

Translational modal form Y

Figure 7. Traslazione in Y

Conclusioni

Il monitoraggio nel tempo dei parametri strutturali permette di verificare il comportamento dinamico nel tempo, rispetto ad una condizione iniziale usata come riferimento.

Grazie ai costi contenuti ed al breve tempo di realizzazione, le tecniche di Analisi Modale Operazione (OMA) sono sempre più utilizzate nell’ingegneria civile per il monitoraggio dinamico delle strutture.