ESSEBI S.r.l., Italia
A cura di Giorgio Sforza, Direttore Tecnico di ESSEBI S.r.l., Italia

Il monitoraggio strutturale sta diventando sempre più comune come valido mezzo di manutenzione predittiva per valutare lo stato delle strutture e la loro necessità di conservazione nel tempo. Ciò è dovuto ai recenti tragici eventi innescati per la prima volta dal disastroso crollo del viadotto Polcevera a Genova e all'elevato livello di obsolescenza del patrimonio stradale e ferroviario nazionale italiano.

Con l'introduzione di un accelerometro di tipo MEMS ad alte prestazioni, il sistema di acquisizione dati Dewesoft IOLITEd a singolo canale ha sviluppato un dispositivo DAQ 3xMEMS-ACC, ovvero un condizionatore di segnale integrato con accelerometro MEMS incorporato.

ESSEBI utilizza ampiamente questo strumento in varie applicazioni nei settori dell'ingegneria civile e dell'architettura. I primi risultati hanno dimostrato che al momento è la soluzione ottimale tra tutte sul mercato.

New IOLITEdi-3xMEMS accelerometer for structural health monitoringIl nuovo accelerometro IOLITEdi-3xMEMS per il monitoraggio strutturale

I principali enti gestori stradali e ferroviari in Italia - ASPI, ANAS, RFI, ecc. – pubblicano sempre più bandi relativi alla diagnostica delle infrastrutture e al monitoraggio strutturale, con l'obiettivo ultimo di coprire l'intero territorio nazionale di loro competenza con tali servizi.

Il contesto in termini di opportunità di lavoro nel settore sta diventando molto più interessante ed è per questo che molti operatori si stanno attivando con tutti i mezzi disponibili. Tuttavia, pochi dimostrano di avere esperienza nel campo, molti sono addirittura improvvisati e spesso riciclati dalle più svariate attività lavorative, magari coinvolte nella crisi produttiva. In questo panorama, diverse aziende si sono buttate a capofitto nella produzione di sistemi di acquisizione modulari, partendo, molto spesso, da precedenti esperienze non molto significative, soprattutto nel campo dei controlli e delle misure.

La caratteristica dominante di questi sistemi elettronici emergenti, che viene presa come pretesto e come elemento distintivo ed indicativo di migliori prestazioni, è quasi sempre la trasmissione wireless del segnale, che se va bene per misure statiche, con una quantità di dati decisamente trascurabile, non è per niente adatta a quelle dinamiche.

Anche con frequenze di campionamento non proibitive i consumi sono talmente elevati da rendere inevitabile l'alimentazione da rete e, a questo punto, lo stesso cavo di alimentazione può essere utilizzato per trasportare il segnale con conseguente maggiore sicurezza nella trasmissione, nella sincronizzazione e soprattutto nel rispetto delle indicazioni della Comunità Europea.

Dal 1992 ESSEBI S.r.l. opera principalmente nel settore dei servizi di ingegneria strutturale. Competenza specifica dell'azienda è l'implementazione di sistemi di monitoraggio statico o dinamico sia su strutture civili che su opere architettoniche, ma anche l'esecuzione di controlli generali non distruttivi e l’attività di diagnostica su manufatti in cemento armato e precompresso, acciaio, muratura e legno.

ESSEBI quindi opera nel settore del monitoraggio da quasi trent'anni e si è rivolta a Dewesoft per la sua affidabilità. Dewesoft, infatti, pur non disponendo subito di un prodotto in grado di soddisfare le esigenze specifiche richieste, ha prontamente avviato uno sviluppo mirato partendo da soluzioni simili, già ampiamente testate sul mercato.

Progetti Iniziali di Monitoraggio dei Cavalcavia

A fine 2017 ESSEBI è stata coinvolta nella realizzazione di sistemi di monitoraggio dinamico su quattro cavalcavia autostradali in Emilia Romagna. La società di progettazione, LA SIA, è stata nominata da SITE (Società di Impianti Telefonici ed Elettrici) incaricata a sua volta da ASPI, Autostrade per l’Italia.

Il primo di questi è stato il cavalcavia in Val d'Enza, sull'autostrada A1 che era considerato un impianto pilota e doveva essere costruito con estrema urgenza. ESSEBI è stata costretta a rivolgersi a chi sul mercato disponeva di apparecchiature idonee al monitoraggio e, soprattutto, a prezzi decisamente competitivi, capaci di rispettare il ristretto budget messo a disposizione.

Intrados of the Val d’Enza overpass on the A1 motorwayM3S transducers installedFigura 1. Itradosso del cavalcavia della Val d'Enza sull'autostrada A1
Figura 2. I sensori installati.

La soluzione più rapida e chiaramente più efficace è stata quella di contattare un’azienda romana che nasceva dal ramo della produzione e commercializzazione di un sistema antifurto satellitare per auto.

Tuttavia, l'esperienza è stata completamente infruttuosa a causa della totale inaffidabilità della strumentazione e dell'assoluta mancanza di software di gestione.

L'unico aspetto positivo è stato che fortunatamente le ricorrenti falle di questo primo tentativo si sono rivelate nell’immediato. Questo ha dato ad ESSEBI la possibilità di cambiare immediatamente rotta a partire dal termine dell'installazione del primo impianto e muoversi verso altri lidi.

Di fronte a ripetuti tentativi di intervento con scarso successo, infatti, non restava che rivolgersi ad un altro fornitore. La scelta vincente è stata proprio quella di fare riferimento a Dewesoft. Dewesoft non aveva ancora una soluzione completa pronta, ma la sua indiscutibile credibilità aziendale, la serietà e la possibilità di creare uno sviluppo dedicato in un tempo relativamente breve le hanno dato il vantaggio di essere selezionata.

La Concezione del 3xMEMS-ACC

Un pranzo di lavoro avvenuto a pochi passi dalla sede ESSEBI di Roma è stata l'occasione per discutere della situazione con il rappresentante Dewesoft in Italia. In pochi giorni, la sfida è stata accettata con notevole entusiasmo e si è trasformata in un serio sviluppo di prototipi.

Thus, begins the adventure aimed at developing an accelerometric acquisition module, with a built-in MEMS transducer (MEMS - Micro-ElectroMechanical System) based on Dewesoft’s general-purpose single-channel data acquisition device called IOLITEd-3xMEMS.

È iniziata così l'avventura finalizzata allo sviluppo di un modulo di acquisizione accelerometrico, con un trasduttore MEMS incorporato (MEMS - Micro-ElectroMechanical System) basato sul dispositivo di acquisizione dati a canale singolo di Dewesoft IOLITEd-3xMEMS.

Transformation of a generic MonoDAQ module into an E-gMeter standalone moduleFigura 3. Trasformazione di un modulo MonoDAQ generico in un modulo autonomo E-gMeter.

Dopo un paio di mesi è stato preparato un prototipo con un chip MEMS e la sperimentazione è stata avviata con una sola integrazione di un altro chip di una azienda alternativa di semi conduttori per ottimizzare il risultato in termini di rapporto segnale/rumore.

I risultati sono stati eccellenti e nel giro di altri due mesi si sono ottenuti i primi prototipi funzionanti e testati rispondenti ai requisiti selezionati con una densità di rumore spettrale non superiore a 25 µg / √Hz.

Sorry, your browser doesn't support embedded videos.

Prestazioni di rumore sismico - Con una densità di rumore spettrale di soli 25 µg/√Hz e 100 µg di rumore residuo ad una larghezza di banda 50 Hz, il MonoDAQ-E-gMeter è una soluzione conveniente per le misure sismiche. Il registratore FFT raffigurato sotto mostra il rumore residuo dei tre assi alla frequenza di campionamento di 100 S/s.

Sorry, your browser doesn't support embedded videos.

Anche se il MonoDAQ-E-gMeter misura l'accelerazione, può anche essere utilizzato per misurare con precisione lo spostamento integrando l'accelerazione due volte e applicando un filtraggio appropriato. Il compito è semplice grazie all'ambiente software DewesoftX. Nell'esperimento lo spostamento lineare viene misurato direttamente con un sensore di distanza laser e calcolato anche dall'accelerazione misurata. I risultati mostrano una grande precisione ance a bassa frequenza 1.5 Hz.

I requisiti sono stati imposti da ESSEBI e basati sul presupposto che il modulo avrebbe dovuto identificare il rumore ambientale a cui edifici e infrastrutture sono soggetti a buona risoluzione.

Il prodotto è stato chiamato MonoDAQ-E-gMeter, con la "E" che denota la sua interfaccia EtherCAT e "g" che sta per ciò che misura: accelerazione in gees. Oggi il dispositivo è venduto sotto la famiglia di sistemi di acquisizione dati Dewesoft IOLITEd (IOLITEdi-3xMEMS-ACC). L'azienda ha deciso che questa è la strategia migliore per affrontare il mercato mondiale del monitoraggio strutturale.

La splendida avventura ha inizio finalmente con l'installazione dei nuovi sistemi DAQ nei restanti tre cavalcavia nella Val d’Enza con una completa sostituzione dei vecchi sistemi utilizzati, che di fatto non hanno mai funzionato correttamente.

Overpass of Casalecchio A1The overpass Cesena Nord A14Figure 4. Il Cavalcavia di Casalecchio (A1)
Figure 5. Il Cavalcavia di Cesena Nord (A14)

Da quel momento si sono susseguite numerose installazioni che hanno coinvolto le più varie tipologie di manufatti nel campo delle costruzioni civili, delle infrastrutture e delle opere architettoniche.

Il Sistema di Monitoraggio Strutturale della Fiera di Milano a Rho

I sistemi di monitoraggio installati nel Centro Servizi e nel Padiglione 13 della Fiera di Milano hanno lo scopo di avviare registrazioni di trigger al verificarsi di gravi eventi atmosferici (neve, vento, ecc.). In questo caso i sensori, opportunamente tarati in alta temperatura, hanno l'ulteriore scopo di effettuare registrazioni di vibrazioni rotazionali statiche con precisioni dell'ordine del centesimo di grado, fungendo a tutti gli effetti da servoinclinometri.

La struttura del Centro Servizi oggetto di indagine è costituita da un'onda di copertura di 54.000 mq di vetro imbullonata ad una struttura reticolare in acciaio poggiante su un sistema di colonne in acciaio modulari a distanza. La "vela" è larga oltre 30 metri e lunga un chilometro e mezzo e taglia l'asse centrale del quartiere fieristico collegando le porte est e ovest della Fiera. Il punto più alto raggiunge i 35 m di altezza.

Abbiamo scelto di misurare le accelerazioni di una nervatura del telaio in acciaio che sostiene l'intera struttura. Viene misurata con tre dispositivi MEMS IOLITEd-3xMEMS-ACC triassiali. Questa scelta è legata al fatto che l'intera struttura poggia su una base che le permette di muoversi nel piano.

he shape of the roof of the Service Center of the Milan Fair in RhoAn inside view of the structureFigura 6. La forma della Copertura del Centro Servizi della Fiera di Milano a Rho (MI)
Figura 7. Una Vista Interna della Struttura

Per quanto riguarda il Padiglione 13, i moduli 3xMEMS-ACC sono integrati in un sistema più ampio con diversi tipi di moduli della famiglia DAQ IOLITEd, principalmente il tipo IOLITEd STG per il collegamento ai sensori strain gauge.

Sui tralicci che costituiscono le travi del tetto è stata installata una serie di trasduttori al fine di monitorare gli andamenti. La principale fonte di sollecitazione dinamica utilizzata durante le misure è stata quella prodotta dall'ambiente, in particolare dall'azione del vento.

La copertura in oggetto è costituita da capriate in acciaio. La trave longitudinale è lunga 224 metri e distribuisce il carico su 6 pilastri portanti. La trave principale è solidale con 8 capriate trasversali di pari entità con supporti estremi e centrali sulla trave principale.

Sulle capriate del tetto sono presenti 9 punti di misura dell'accelerazione lungo i 3 assi di un insieme di tre riferimenti, disposti sia lungo le travi principali che secondarie come mostrato nello schema allegato.

Gli accelerometri MEMS IOLITEd-3xMEMS-ACC sono stati utilizzati per misurare accelerazioni e inclinazioni. Il software di acquisizione dati Dewesoft X viene utilizzato per:

  • gestione dell'acquisizione,
  • impostazione dei parametri per tutti i sensori,
  • visualizzazione della cronologia temporale dei segnali acquisiti,
  • FFT istantanea, e 
  • salvataggio dei dati.

Per quanto riguarda i rilievi OMA, la grandezza dinamica scelta per le misure è costituita dalla risposta in frequenza della struttura in termini di accelerazioni nei punti definiti.

Pavilion 13 of the Milan Fair in RhoFigura 8. Padiglione 13 della Fiera di Milano a Rho (MI). 

Il Porto di Vado Ligure

Gli impianti installati su un pontile a Vado Ligure e su una piattaforma offshore a Savona hanno lo scopo di verificare il comportamento di entrambe le strutture sottoposte ad una significativa influenza del moto ondoso.

Pier in Vado LigureFigura 9. Il Pontile a Vado Ligure (SV) e in Figura 10. La Piattaforma offshore a Savona.

Con lo scopo principale di identificare eventi sismici innescati, di qualsiasi entità, sono stati installati impianti su alcuni edifici a Roma e altri propri lungo il crinale appenninico.

Controllo Sismico Passivo

Considerando l'enorme patrimonio immobiliare di Poste Italiane, se questa sperimentazione andasse nel segno, si aprirebbero scenari molto interessanti nel controllo sismico passivo di innumerevoli manufatti situati in aree sismicamente rilevanti.

Post office of CasciaThe Rieti post officeFigura 11. Ufficio Postale di Cascia (PG) 
Figura 12. Ufficio Postake di Rieti

Per quanto riguarda un edificio residenziale o monumentale, un tipico sistema di monitoraggio dinamico modulare è costituito da una serie di 3 moduli MEMS-ACC DAQ opportunamente distribuiti sui vari piani e alimentati tramite Ethernet (PoE).

Nel caso di edifici regolari in pianta e in altezza sono richieste installazioni minime con 3xMEMS-ACC alle fondazioni (zero sismico), oltre che una coppia disposta, ad esempio, all'ultimo piano. Questa è l'ipotesi di solai a taglio e quando si vogliono analizzare solo le prime forme modali. Con l'aumentare dell'interesse per le forme modali più elevate, si verifica un progressivo coinvolgimento di tutti gli altri piani, fino a quando non sono tutti interessati.

A fronte di edifici più complessi, il numero dei moduli tende inevitabilmente ad aumentare in funzione della volontà di ottenere analisi sempre più veritiere. I dati acquisiti vengono poi memorizzati secondo opportuni algoritmi selettivi sul supporto di massa del PC industriale posto in un apposito pannello insieme ad un router. Il router viene utilizzato per fornire una connessione Internet sul terminale remoto. Normalmente è attivo anche un sistema per l'invio di messaggi al superamento delle soglie precedentemente impostate.

Typical scheme of long term dynamic monitoring of a building with E-gMeter arrayFigura 13. Schema tipico di monitoraggio dinamico a lungo termine di un edificio con array E-gMeter.

Controllo Preventivo delle Condizioni di un Edificio

Il territorio italiano è ricco di tesori architettonici e allo stesso tempo è spesso martoriato da eventi sismici, più o meno significativi, che provocano gravi danni. Pertanto, un controllo permanente e preventivo dei manufatti ritenuti di maggior pregio, indipendentemente dalle loro effettive condizioni di conservazione, potrebbe costituire una seria opportunità in termini di sviluppi futuri.

Attualmente Palazzo Pamphilj e il Portico di Ottavia a Roma sono sotto osservazione strumentale. I sistemi di monitoraggio dinamico modulare sono installati con più dispositivi 3xMEMS-ACC.

Il sistema di monitoraggio è importante per due obiettivi:

  1. Consentire la memorizzazione di trigger di eventi sismici con possibilità di valutare l'effettivo comportamento della porzione di edificio di interesse quando sottoposto a scosse significative.
  2. Abilitare analisi modali periodiche con la sola sollecitazione ambientale.

Palazzo Pamphilj with a glimpse of Piazza NavonaThe portico of Octavia in the Ghetto area of RomeFigura 14. Palazzo Pamphilj con uno scorcio di Piazza Navona 
Figura 15. Il Portico d'Octavia nella zona del Ghetto di Roma

I moduli IOLITEdi-3xMEMS-ACC, con la loro caratteristica di bassissimo rumore spettrale sono particolarmente adatti per effettuare analisi modali operative (OMA). Oltre allo scopo principale per il quale sono stati installati, tutta la serie di manufatti sopra riportati ha consentito di arrivare a caratterizzazioni dinamiche, definendo completamente la carta d'identità dinamica del manufatto in esame.

Analisi Modale OMA dei Ponti

Considerato quanto scritto sopra, gli IOLITEd 3xMEMS-ACC sono stati utilizzati non solo in impianti di monitoraggio permanente ma anche in soluzioni estemporanee per la caratterizzazione dinamica di diverse tipologie di strutture mediante l'OMA.

Ecco un esempio di due ponti cittadini: 

  1. il famoso Ponte del Risorgimento a Roma, con un’unica campata di oltre 100 metri, che è una delle prime opere in cemento armato realizzate in Italia,
  2. il ponte ciclopedonale metallico denominato Navetta di Parma.

Per quanto riguarda il Ponte della Navetta, è stata effettuata un'analisi prima e dopo l'intervento con sistemi a massa accordata per valutarne l'efficacia in termini di smorzamento delle vibrazioni.

Nel caso del Ponte del Risorgimento, l'OMA è stata confrontata con la misura eseguita dall'ESSEBI già nel 2014. La coincidenza in termini di frequenze naturali con i risultati ottenuti all'epoca, con sistemi multicanale e accelerometri piezoelettrici IEPE sismici ad alta sensibilità è stata sorprendente. Ancor più lo è stato l'utilizzo dei dispositivi IOLITEdi-3xMEMS-ACC (cinque su ogni bordo laterale del ponte) al fine di ottenere forme modali più morbide e definite.

 

Altri OMA sono stati eseguiti su altri artefatti. Vogliamo solo ricordare il collaudo dei due cavalcavia di recente costruzione a Novara e Palmanova (UD).

Ponte del Risorgimento on the Tiber river in RomePonte della Navetta in ParmaFigura 16. Ponte del Risorgimentosul fiume Tevere a Rome
Figura 17. Ponte della Navetta a Parma

Monitoraggio delle Costruzione e Demolizioni nella Vicinaze

Un'applicazione che sta diventando sempre più popolare è il controllo delle vibrazioni negli edifici, quando sono adiacenti a un'area con vibrazioni ad alta intensità causate artificialmente. Al momento ESSEBI è infatti impegnata nella verifica di quattro edifici attorno a una ex clinica in via di demolizione.

I quattro sistemi autonomi, nei quattro edifici, sono tutti costituiti da moduli IOLITEdi-3xMEMS-ACC collegati a PC. Utilizzando un router e un telecomando, vengono inviati messaggi ogni volta che vengono superati i valori di soglia derivati dagli standard disponibili (DIN 4150, ISO 4688, ecc.).

The demolition of a former Clinic via delle Medaglie d Oro in RomeA sketch of the neighboring buildings monitored

Figura 18. La demolizione della ex Clinica in via delle Medaglie d’Oro a Roma
Figura 19. Bozza degli edifici vicini monitorati

Conclusione

A circa due anni dalla sua nascita, IOLITEdi-3xMEMS-ACC si è affermato come una soluzione ottimale e versatile per ogni tipo di monitoraggio dinamico e risulta particolarmente adatto per applicazioni riguardanti il monitoraggio strutturale.

Le soluzioni concorrenti proposte sono sempre le stesse. Di solito includono molti moduli con un elemento sensibile costituito da sensori accelerometrici o velocimetri collegati tramite LAN o reti wireless. Tale soluzione è vietata da molte direttive UE a causa di problemi legati alla sicurezza. Inoltre, risulta fallimentare per applicazioni dinamiche con un enorme numero di dati acquisiti, o per un alto consumo di batteria o ancora quando è necessario garantire l'acquisizione sincrona dei dati.

Questi moduli proposti sono costituiti generalmente da un PC o da un controllore di processo con possibilità di memorizzazione dati e funzionamento remoto. Nella migliore delle ipotesi queste soluzioni vengono allestite e assemblate in qualche seminterrato, senza alcun approccio o collaudo industriale e rappresentano così una inevitabile debolezza della concorrenza che, in modo più o meno dilettantesco, cerca di entrare nel settore del monitoraggio strutturale.

È proprio in questa varietà di proposte che emerge la presenza di una valida piattaforma software, con possibilità di molteplici utilizzi a diversi livelli di complessità, che promuove l’uso della strumentazione di acquisizione dati Dewesoft.