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Applicazioni delle reti wireless di sensori nel monitoraggio delle strutture civili
Fabio Federici
Fabio Graziosi 27 giugno 2013
Università degli Studi dell’Aquila
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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
Applicazioni delle WSN al monitoraggio delle strutture civili 1/13
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Identificazione strutturale
Experimental Modal Analysis
2/13 Applicazioni delle WSN al monitoraggio delle strutture civili
Operational Modal Analysis
𝑴𝒚 𝑡 + 𝑲𝒚 t + 𝐂𝐲 t = 𝒇(t) 𝑦 (𝑡) 𝑓 (𝑡)
White Noise
𝑴𝒚 𝑡 + 𝑲𝒚 t + 𝐂𝐲 t = 𝒇(t) 𝑦 (𝑡)
• Forced Vibration Response
• Free Vibration Response
• Environmental Noise (white noise) response
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Wireless Sensor Networks
Vantaggi rispetto a sistemi cablati – Minori costi
– Minore ingombro
– Smart Sensors
3/13 Applicazioni delle WSN al monitoraggio delle strutture civili
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 S.r.l.
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Problematiche
4/13 Applicazioni delle WSN al monitoraggio delle strutture civili
• 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
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Attività in corso Studio di strategie di identificazione distribuite 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
5/13 Applicazioni delle WSN al monitoraggio delle strutture civili
Progettazione e verifica di nodi sensori custom
Applicazioni su strutture reali V. Gattulli, F. Graziosi, F. Federici, F. Potenza, A. Colarieti, M. Lepidi. Structural Health Monitoring of the Basilica S. Maria di Collemaggio. SEMC 2013
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Tecniche di analisi
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ResponseTime Series
𝑦 (𝑡)
Modal Parameters
𝑓𝑖 𝜉𝑖
𝜙𝑖
Data DrivenStochastic Subspace Identification
NExT
CorrelationCovariance
Random Decrement Signature
PSD Estimation
COV driven SSI
Ibrahim Time Domain
Eigensystem Realization Algorithm
RD - ITD
RD - ERA
Peak Picking
Frequency Domain Decomposition
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Strategie distribuite (FDD)
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S1
S2
Sn
Coordinator 𝐺(𝑗𝜔) =𝐺11(𝑗𝜔) ⋯ 𝐺1𝑛(𝑗𝜔)
⋮ ⋱ ⋮𝐺𝑛1(𝑗𝜔) ⋯ 𝐺𝑛𝑛(𝑗𝜔)
𝑦1(𝑡)
𝑦2(𝑡)
𝑦𝑛(𝑡)
𝑓𝑖
𝜙𝑖
SVD
Elaborazione Comunicazione
.
.
.
Situazione classica
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Strategie distribuite (FDD)
8/13 Applicazioni delle WSN al monitoraggio delle strutture civili
S1
S2
Sn
Coordinator 𝐺(𝑗𝜔) =𝐺11(𝑗𝜔) ⋯ 𝐺1𝑛(𝑗𝜔)
⋮ ⋱ ⋮𝐺𝑛1(𝑗𝜔) ⋯ 𝐺𝑛𝑛(𝑗𝜔)
𝐹 𝑦1 𝑡
𝐹 𝑦2 𝑡
𝐹 𝑦𝑛 𝑡
𝑓𝑖
𝜙𝑖
n x n SVD
Elaborazione Comunicazione
.
.
.
Parallelizzazione
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Strategie distribuite (FDD)
9/13 Applicazioni delle WSN al monitoraggio delle strutture civili
S1
S2
Sn-1
Sn
Coordinator
𝑮12(𝑗𝜔) =𝐺11(𝑗𝜔) 𝐺12(𝑗𝜔)𝐺21(𝑗𝜔) 𝐺22(𝑗𝜔)
𝐹 𝑦2 𝑡
𝐹 𝑦𝑛 𝑡
𝑓𝑖12
𝜙𝑖12
𝑮𝑛−1,𝑛(𝑗𝜔)
𝑓𝑖𝑛−1,𝑛
𝜙𝑖𝑛−1,𝑛
2 x 2 SVD
𝑓𝑖
𝜙𝑖
Composizione
Elaborazione Comunicazione
Distribuzione
2 x 2 SVD
𝑓𝑖𝑛−1,𝑛
𝜙𝑖𝑛−1,𝑛
𝑓𝑖12
𝜙𝑖12
.
.
.
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Monitoraggio della Basilica di Collemaggio
• 13 nodi sensori Imote2 – Accelerometro triassiale
LIS3DSH
• Misurazione continua dell’accelerazione ai nodi
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Monitoraggio della Basilica di Collemaggio
11/13 Applicazioni delle WSN al monitoraggio delle strutture civili
0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
0.016
0.018
a [g]
0 50 100 150 200 250 3002
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12x 10
-3
a [g]
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 n.6 – 2011
Prove con sollecitazione controllata
(martello strumentato)
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WestMote
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Nodo sensore wireless per applicazioni di monitoraggio strutturale sviluppato da WEST Aquila S.r.l. • Alimentazione a batteria • Monitoraggio a lungo termine • Stack di comunicazione 802.15.4 • 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
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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
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