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Monitoraggio infrastrutture: come acquisire i dati dinamici e statici

Cos'è e come è fatto un sistema di monitoraggio? La sua finalità è quella di individuare tempestivamente eventuali situazioni di rischio statico ed eventuali condizioni di usura non evidenziabili altrimenti

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monitoraggio infrastrutture

M3S S.p.A. è un’azienda nata con lo scopo di progettare e realizzare sistemi di monitoraggio strutturale, ciò con l’obiettivo di applicare questi ultimi sia al settore delle abitazioni civili che al settore delle infrastrutture stradali e ferroviarie.

Operando in questo contesto da diversi anni la società ha messo a punto un sistema costituito da hardware e software progettati internamente e prodotti in Italia sempre da M3S, quali elementi a supporto di una precisa metodologia volta a individuare tempestivamente eventuali situazioni di rischio statico e analizzando con opportuni algoritmi i dati di natura (accelerazioni, vibrazioni, inclinazioni) per individuare eventuali condizioni di usura non evidenziabili altrimenti.

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Cos’è un sistema di monitoraggio infrastrutturale

Per prima cosa è opportuno chiarire cosa sia un sistema di monitoraggio infrastrutturale secondo la filosofia di M3S S.p.A. Ebbene, in generale, questo tipo di sistemi si compone di elementi funzionali, quali acquisitori dati e sensori, atti ad acquisire, validare, elaborare e memorizzare i dati accelerometrici (per le analisi dinamiche), fessurimetrici e inclinometrici (per le analisi statiche) relativi alle strutture sottoposte a monitoraggio.

Al fine di contestualizzare i dati di tipo strutturale con i parametri ambientali che ne
potrebbero influenzare l’andamento, i sistemi di monitoraggio di M3S S.p.A. sono completati con sensori ambientali per la misura di parametri quali: velocità e direzione del vento, temperatura dell’aria, della superficie stradale e del interno del corpo stradale, umidità relativa , livello idrometrico e scalzo del piede dei piloni (questi ultimi due parametri sono misurati esclusivamente per le strutture localizzate su bacini idrici).

Inoltre i sistemi di monitoraggio forniti da M3S S.p.A. sono progettati secondo una logica modulare atta a consentire agevolmente l’implementazione di nuovi sensori all’interno delle architetture già installate, ciò al fine di adeguare le capacità del sistema di monitoraggio ai fenomeni misurati. Infine, in accordo con la filosofia di lavoro di M3S S.p.A., i dati acquisiti dalle strumentazioni installate vengono monitorati 24/7 dal personale addetto alla centrale di controllo, ciò al fine di fornire agli enti gestori delle infrastrutture uno strumento di awareness e pronto intervento responsivo ed affidabile.

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Fig.1_Schema architetturale del sistema di monitoraggio strutturale SAC © M3S S.p.a.

Come è fatto il sistema di monitoraggio infrastrutture

Dal punto di vista hardware, l’architettura generale del sistema di monitoraggio per le infrastrutture offerto da M3S S.p.A., è basata su:

  • un acquisitore dati: il cui compito è quello di acquisire le misure dai sensori (Analogici o digitali in funzione del tipo di parametro da acquisire) ed analizzarne i dati eseguendo il software di monitoraggio;
  • una catena di sensori accelerometrici su bus: costituito da un certo numero di accelerometri con lo scopo di misurare le accelerazioni a cui è sottoposta l’infrastruttura monitorata quindi studiandone le frequenze e i relativi modi di oscillazione;
  • un certo numero di inclinometri: installati generalmente sugli elementi portanti delle strutture, misurano l’inclinazione di queste ultime fornendo dati per l’analisi delle condizioni statiche delle strutture stesse;
  • un certo numero di fessurimetri: finalizzati a misurare le variazioni d’ampiezza di quelle fessure che, tra quelle formatesi su di una struttura, sono ritenute critiche. I fessurimetri vengono altresì impiegati nel monitoraggio delle Selle di Gerber con lo scopo di valutare eventuali situazioni critiche nonché le dilatazioni termiche a cui la specifica porzione di infrastruttura è soggetta;
  • sensori temperatura dell’aria, del manto stradale e del corpo stradale: per la valutazione delle condizioni termiche quali parametri di verifica delle dilatazioni termiche,
  • un anemometro: questo strumento ha il compito di misurare la direzione e la velocità del vento al fine di correlare queste ultime misure con i dati statici e dinamici degli edifici;
  • un sensore di livello idrometrico: questo telemetro SONAR viene installato al fine di rilevare il livello idrometrico degli specchi d’acqua sui quali si innalzano alcune infrastrutture. Lo scopo ultimo di tale sensore è quello di misurare fenomeni di tipo ondoso, di piena, o di secca al fine di determinare l’impatto che tali fenomeni hanno sulle strutture stesse;
  • un sensore per la misura dello scalzo del piede dei piloni: Questo sensore, sempre di tipo SONAR-telemetrico, ha il compito di monitorare le variazioni di profondità degli scalzi che possono formarsi in corrispondenza delle fondazioni dei piloni immersi in specchi d’acqua.
Sistema di monitoraggio
Fig.2_Esempio di schema di installazione di un sistema di monitoraggio infrastrutturale di M3S S.p.a.

L’esperienza accumulata nel corso degli anni ha consentito di mettere a punto delle procedure relative alle acquisizioni dei dati che ottimizzano l’attività delle strumentazioni garantendo un costante controllo dell’intera infrastruttura, controllo finalizzato a individuare tempestivamente potenziali rischi.

La modalità di acquisizione e gestione dati è stata quindi progettata tenendo in considerazione che il sistema dovrà sovrapporre ai dati strutturali, sia statici che dinamici, le acquisizioni relative ai parametri perturbanti (Meteo, Livello e traffico), il tutto riferito a tabelle di “Soglia” che identificano le “Condizioni di funzionamento” e quindi determinano il rischio.

Per tanto, dal punto di vista metodologico la tecnologia M3S S.p.A. prevede una gestione delle acquisizioni organizzata nella seguente maniera:

  • Modalità di acquisizione dei Dati Strutturali
    • Condizioni di normale funzionamento (nessun superamento di soglie). L’acquisizione
      avviene negli ultimi 5 minuti di ogni ora (60s all’ora) campionando i dati accelerometrici con frequenza compresa tra 125 e 300Hz. Il sistema crea dei blocchi di dati grezzi che saranno trasferiti alla centrale di controllo per le attività di analisi in back-end (ad esempio PSD).
    • Condizioni straordinarie (Superamento della soglia di livello del fiume po e/o della
      velocità del vento): L’acquisizione avverrà ogni 10 minuti campionando per i 60s ad una frequenza compresa tra 125 e 300Hz. Il sistema crea dei blocchi di dati grezzi che saranno trasferiti alla centrale di controllo per le attività di analisi in back-end.
    • Condizioni straordinarie relative alle misure fessurimetriche: questi parametri oltre a dare un fornire un chiaro segno sullo stato della struttura rappresentano l’indicatore di pericolo imminente laddove distanze tra porzioni di ponte (sella Gerber) e inclinazioni delle pile, superino le soglie di attenzione sicurezza e allarme che sono concordate con la stazione appaltante.
  • Dati Meteorologici e di livello

L’acquisizione dei dati viene effettuata in continuo, acquisendo le misure elettriche eseguite dai sensori con periodo di 10s per la durata di un’ora. Durante questo periodo le misure, opportunamente trasformate in unità ingegneristiche, sono ricondotte a medie, minime e massime occorse negli intervalli di tempo pari a 10 minuti oltre che l’andamento su base oraria. M3S, di concerto con i propri consulenti scientifici e d’accordo con la stazione appaltante, definisce le soglie di livello, velocità del vento e direzione del vento, che avranno la funzione di intensificare le acquisizioni dei dati strutturali.

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Fig.3_Variazione del picco di risonanza dei modi di oscillazione di una struttura stimata mediante la PSD © M3S S.p.a.

Oltre alle operazioni automatizzate sopra descritte, gli operatori della centrale di controllo hanno la possibilità di collegarsi in qualsiasi momento al sistema per verificare sia il funzionamento della stazione che visualizzare i dati in tempo reale. Il sistema di monitoraggio infrastrutturale offerto da M3S S.p.A. restituisce un report in formato .xml confezionato appositamente per ogni singola struttura monitorata. In questo report sono presentate sia le elaborazioni dei dati statici, basate su analisi statistiche nel dominio del tempo, che le elaborazioni dei dati dinamico-accelerometrici, basate su analisi nel dominio della frequenza. In particolare queste ultime consistono nella Power Spectrum Density (PSD) delle accelerazioni, calcolata per ognuno dei tre assi dell’accelerometro. Grazie alla PSD così ottenuta è possibile studiare i modi di oscillazione di una struttura e le loro variazioni, inferendo così importanti informazioni su come la risposta elastica delle strutture possa variare nel tempo.

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Fig.4_Rappresentazione grafica delle misure ottenute dai fessurimetri, in verde, giallo e rosso si indicano rispettivamente: le zone di tolleranza, attenzione e allarme alla grandezza monitorata © M3S S.p.a.

Per ulteriori informazioni
m3sspa.it

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Foto:iStock.com/Rafmaster


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