IT202100006701A1 - Dispositivo e metodo per la determinazione della risposta meccanica e il monitoraggio dello stato di ponti, viadotti, sopraelevate, cavalcavia mediante approccio stocastico - Google Patents
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Description
Descrizione dell?invenzione Industriale avente per titolo:
?DISPOSITIVO E METODO PER LA DETERMINAZIONE DELLA RISPOSTA MECCANICA E IL MONITORAGGIO DELLO STATO DI PONTI, VIADOTTI, SOPRAELEVATE, CAVALCAVIA MEDIANTE APPROCCIO STOCASTICO?
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un metodo e ad un dispositivo, per l?attuazione di detto metodo, per il monitoraggio e la valutazione dello stato di degrado di ponti, viadotti, sopraelevate e cavalcavia, che fa uso di una analisi dinamica sperimentale, basata su un innovativo approccio stocastico allo studio di strutture meccaniche.
Negli ultimi anni si ? verificato un crescente utilizzo di prove sperimentali di tipo dinamico ai fini del collaudo di edifici ed infrastrutture, nonostante la maggiore complessit? teorica e tecnica delle prove.
In particolare per i ponti, lo scopo principale del collaudo ? controllare che il modo fondamentale di vibrazione rilevato sperimentalmente sia conforme con quello previsto in progetto. Ci? significa che il controllo ? effettuato solamente sulla prima frequenza propria prevista dal calcolo.
In caso di discrepanza dei risultati, ? necessario interrogarsi sul processo costruttivo, in quanto differenze rilevanti segnalano che la struttura non ? stata realizzata adeguatamente. Tuttavia, semplificazioni del modello potrebbero far traslare i modi di vibrare, facendo coincidere le frequenze, tra numerico e sperimentale, ma non la forma dei modi di vibrare.
I due problemi principali nel collaudo sono dunque la misura della risposta e il forzamento, cio? la modalit? con la quale si introduce energia nella struttura.
Il primo punto si riferisce ai sensori impiegati e le loro caratteristiche.
Il secondo punto si riferisce all?eccitazione utilizzata, che pu? essere:
- eccitazione di tipo ambientale (ad esempio dovuta al traffico e/o al vento);
- eccitazione di tipo forzato.
Nel caso di eccitazione ti tipo ambientale le misure ottenute mancano di una corretta scalatura per la mancanza di conoscenza dell?eccitazione in ingresso.
Nel caso di eccitazione di tipo forzato, ? nota l?eccitazione in ingresso; tuttavia in alcuni casi possono insorgere non linearit?, mentre in altri casi, non ? possibile introdurre sufficiente energia nella struttura, malgrado l?impiego di dispositivi di dimensioni notevoli.
Scopo della presente invenzione ? quello di superare almeno in parte gli inconvenienti lamentati attraverso un metodo, ed un dispositivo per l?attuazione di detto metodo, che consenta di effettuare test il cui contenuto informativo sia massimizzato ed il cui costo sia contenuto entro limiti ragionevoli.
Quello descritto e altri scopi, come verr? esplicitato nel seguito, vengono raggiunti con un metodo ed un dispositivo, per l?attuazione di detto metodo; rispettivamente conformi alle rivendicazioni 1 e 3.
Il dispositivo per l?effettuazione di prove dinamiche su grandi strutture, quali ponti, viadotti e simili ? del tipo comprendente:
- primi mezzi atti ad introdurre energia in detta struttura;
- secondi mezzi atti a effettuare rilievi di grandezze fisiche atte a caratterizzare detta struttura;
- terzi mezzi atti a controllare detta introduzione di energia nella struttura in prova; - quarti mezzi atti ad elaborare le grandezze fisiche rilevate,
ed ? caratterizzato dal fatto che:
- detti primi mezzi atti ad introdurre energia in nella struttura in prova comprendono un percussore stocastico;
- detti secondi mezzi atti a effettuare rilievi di grandezze fisiche comprendono accelerometri ed estensimetri;
- detti terzi mezzi atti a controllare l?introduzione di energia nella struttura in prova comprendono un computer collegato con detto percussore stocastico;
- detti quarti mezzi atti ad elaborare le grandezze fisiche rilevate comprendono un computer collegato con detti accelerometri ed estensimetri.
Il metodo per l?effettuazione di analisi dinamiche sperimentali, basate su un approccio stocastico allo studio di grandi strutture, quali ponti, viadotti e simili, ai fini del monitoraggio e della valutazione dello stato di degrado, ? del tipo che prevede di:
- introdurre energia in detta struttura mediante sollecitazione meccanica;
- effettuare rilievi di grandezze fisiche atte a caratterizzare detta struttura;
- elaborare le grandezze fisiche rilevate per determinare la risposta dinamica della struttura; ed ? caratterizzato dal fatto che:
- detta introduzione di energia nella struttura mediante sollecitazione meccanica avviene tramite un percussore meccanico stocastico operante secondo una codificata sequenza pseudo-random m(t);
- detti rilievi di grandezze fisiche, atte a caratterizzare la struttura, comprendono una misurazione di accelerazioni e/o deformazioni in vari punti della struttura in modo da misurare la risposta z(t) a detta introduzione di energia pseudo-random m(t);
- detta elaborazione delle grandezze fisiche rilevate comprende la correlazione tra la funzione sollecitazione pseudo-random m(t) e la risposta misurata z(t), pervenendo ad una funzione s(t) corrispondente ai modi di vibrazione della struttura.
Forme di realizzazione preferite e varianti non banali della presente invenzione formano l?oggetto delle rivendicazioni dipendenti.
Resta inteso che tutte le rivendicazioni allegate formano parte integrante della presente descrizione.
Il trovato in questione risolve gli inconvenienti di cui sopra in quanto potr? essere vantaggiosamente impiegato nel collaudo di grandi strutture, in particolare ponti, viadotti, sopraelevate, cavalcavia e simili.
I vantaggi derivanti dall?uso dell?invenzione risiedono principalmente nel fatto che, con il metodo proposto, ? possibile ottenere una risposta pressoch? sincrona a tutte le frequenze (differentemente da quanto accade con un energizzatore che preveda di dover modulare dall?esterno le frequenze di eccitazione) e nel fatto che la struttura pu? essere costantemente energizzata (differentemente da quanto accade con un energizzatore impulsivo).
Risulter? immediatamente ovvio che si potranno apportare a quanto descritto innumerevoli varianti e modifiche (per esempio relative a forma, dimensioni, disposizioni e parti con funzionalit? equivalenti) senza discostarsi dal campo di protezione dell'invenzione, come appare dalle rivendicazioni allegate.
La presente invenzione verr? meglio descritta da alcune forme preferite di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la FIG. 1 mostra in modo schematico un ponte su cui ? installato un dispositivo secondo l?invenzione;
- le FIGG. 2 (a, b) mostrano la sequenza ideale rettangolare e reale triangolare delle percussioni; - le FIGG. 3 (a, b) mostrano la sequenza ideale rettangolare e reale triangolare della funzione pseudo-random di modulazione delle percussioni;
- le FIGG. 4 (a, b, c, d) mostrano rispettivamente la funzione di modulazione delle percussioni m(t); la funzione corrispondente ai modi di vibrazione della struttura s(t), la correlazione tra s(t) e m(t) corrispondente a z(t), che rappresenta il segnale misurato dall?accelerometro-estensimetro, la funzione s(t), corrispondente ai modi di vibrazione della struttura, ottenuta valutando la cross-correlation tra il segnale registrato dall?accelerometro-estensimetro e la funzione di modulazione delle percussioni m(t).
- la FIG. 5 mostra lo schema della procedura di calcolo della risposta dinamica di un sistema dinamico.
Con riferimento alla FIG. 1, il dispositivo (1) secondo l?invenzione, installato su un ponte (2), comprende:
- primi mezzi, comprendenti un percussore meccanico stocastico (3), atti a imprimere sollecitazioni impulsive alla struttura (2);
- secondi mezzi, comprendenti una pluralit? di accelerometri (4), e di estensimetri (5), ad esempio di tipo piezoelettrico, atti a effettuare rilievi di grandezze fisiche per la caratterizzare detta struttura, detti secondi mezzi (4, 5) essendo applicati in vari punti della struttura da collaudare;
- terzi mezzi di controllo (6), atti a controllare il funzionamento del percussore meccanico stocastico (3);
- quarti mezzi di elaborazione (7), atti ad elaborare i segnali emessi da detti accelerometri (4) ed estensimetri (5).
Secondo una forma preferita di attuazione, detti mezzi di controllo (6) e di elaborazione (7) sono riuniti in un unico computer.
L?elemento di novit? della presente invenzione risiede nell?impiego di detto percussore meccanico stocastico (3), che ? in grado di sollecitare la struttura (2), e nell?impiego di tecniche di convoluzione-correlazione per la ricostruzione dei segnali di risposta, forniti dagli accelerometri (4) e dagli estensimetri (5) ai carichi impulsivi applicati.
Il dispositivo (1) secondo l?invenzione, oltre a riguardare la generazione di una sequenza pseudorandom di impulsi mediante un?apposita funzione di modulazione delle percussioni m(t) del percussore meccanico stocastico (3), detta percussione m(t) essendo comandata da detti mezzi di controllo (6), richiede anche l?analisi della correlazione dei segnali misurati.
Inoltre, come modalit? operativa aggiuntiva, il dispositivo consente di realizzare anche le condizioni di sollecitazione forzata impulsiva e sollecitazione periodica a frequenza variabile, mediante impostazione della funzione m(t); questa modalit?? operativa non verr? trattata nel seguito.
La sollecitazione meccanica stocastica ? caratterizzata da una banda in frequenza ampia con caratteristiche spettrali assimilabili, in certa misura, al rumore bianco e sar? realizzata con detto percussore meccanico (3) che, controllato da detti mezzi di controllo (6), ? in grado di generare una sequenza pseudo-random di impulsi.
Per quanto attiene il sistema d?acquisizione dati, le grandezze fisiche principali che si misureranno per effettuare l?analisi dinamica sperimentale sulla struttura sono l?accelerazione e lo spostamento.
L?acquisizione delle accelerazioni sar? eseguita direttamente tramite detti accelerometri (4), mentre gli spostamenti potranno essere ricavati, tramite integrazione temporale sul segnale degli stessi accelerometri (4), operata da detti mezzi di elaborazione (7), o potranno essere misurati, indipendentemente, per mezzo degli estensimetri (5).
L?elaborazione dei segnali registrati sar? sottoposta all?analisi wavelet che permetter? di analizzare anche segnali non stazionari, a differenza della trasformata di Fourier che analizza solo segnali stazionari.
La differenza principale tra le due procedure di analisi ? che la trasformata di Fourier passa da una rappresentazione puramente temporale del segnale a una rappresentazione puramente in frequenza, mentre l?analisi wavelet ? localizzata sia nel tempo che nella frequenza.
Nella trasformata wavelet, il segnale nella sua interezza non viene confrontato con sinusoidi infinitamente estese ma con forme d?onda limitate nel tempo, garantendo un?ottimale risoluzione temporale per il segnale ad alta frequenza e a bassa frequenza.
La mappa nel piano tempo-frequenza consentir? pertanto di individuare le caratteristiche non stazionarie dei segnali registrati.
L?analisi wavelet sar? impiegata per:
- analisi temporale della risposta in frequenza delle strutture trascelte;
- analisi di dettaglio e approssimazione di segnali relativi alla risposta dinamica di sistemi materiali;
- denoising di segnali;
- individuazione di anomalie nel comportamento dinamico delle strutture;
- individuazione e determinazione di parametri quantitativi sullo stato di degrado della struttura.
Ci? permetter? il monitoraggio dello stato di manufatti, quali ponti, viadotti, sopraelevate, cavalcavia mediante approccio stocastico e rilevarne lo stato di criticit? o di attenzione.
Il controllo del percussore meccanico stocastico (3), attraverso detti mezzi di controllo (6), avviene mediante la generazione di una funzione di modulazione delle percussioni m(t).
La pi? semplice funzione di modulazione delle percussioni m(t), usata per controllare il percussore stocastico (3), ? costituita da una sequenza di impulsi rettangolari, conforme allo schema della FIG. 2a, con m(t) uguale a uno o zero durante degli intervalli di tempo equidistanti.
Tuttavia, a causa di effetti inerziali, i singoli impulsi possono essere assimilati a triangoli di met? larghezza mentre gli impulsi multipli diventano trapezoidi (FIG. 1b). Inoltre, la funzione di modulazione totale di un percussore meccanico pu? essere replicata nel tempo in maniera periodica con un periodo Tm, corrispondente al tempo dopo il quale la sequenza viene replicata. Pi? in particolare, una sequenza binaria (BS) ? una sequenza del tipo:
in cui:
consistente di:
Una sequenza binaria (BS) ? una sequenza binaria pseudo random (PRBS - Pseudo-Random Binary Sequence) se la sua funzione di autocorrelazione:
ha due valori:
in cui:
? il duty cycle della PRBS.
La PRBS ? pseudo-random perch?, sebbene sia deterministica, il valore di un elemento ? indipendente da quello degli altri elementi, in maniera simile alle sequenze random. La funzione di correlazione decresce a causa del decremento del numero degli elementi; pertanto ? possibile prolungare la sequenza, ad esempio duplicandola.
Nel caso del percussore meccanico stocastico (3) si deve considerare una delle sequenze pseudorandom codificate, come quella riportata ad esempio nella tabella seguente, costituita da 255 elementi, ottenuti da 2<n>-1, dove n ? uguale a 8.
Tab.1 ? Sequenza pseudo-random per il controllo del percussore meccanico stocastico.
m = [10000010 110 00 100 01 111 010 10 100 100 11 101 1 11 10 111 000 10 011 101 11 000 001 00 110 100 10 000 01 01 01 100 001 01 011 010 00 111 100 10 110 000 00 100 00 11 01 101 100 01 001 101 01 011 111 10 110 11 001 110 01 00 10 111 000 01 110 100 11 011 111 11 000 101 01 101 01 00 11 000 011 11 100 111 11 110 101 01 000 010 01 001 11 00 11 100 011 00]
Risultati della simulazione
Al solo scopo di dimostrare la validit? dell?approccio proposto, anche dal punto di vista formale-matematico, in questa sezione la grandezza misurata z(t), che risulta pari alla convoluzione tra la m(t) e la s(t), viene calcolata, in base alle propriet? di convoluzione-correlazione, come correlazione tra s(t) e m(t).
Correlazione-correlazione
Consideriamo la sequenza pseudo-random m(t), costituita da 255 elementi di Tab. 1 e, a titolo di esempio, per il segnale da misurare (modi di vibrazione della struttura meccanica), una funzione corrispondente ai modi di vibrazione della struttura s(t) composta dalla somma di tre Lorentziane, cio?:
Al fine di verificare la validit? dell'approccio viene calcolata la correlazione della funzione di modulazione delle percussioni m(t), FIG. 4a, e della funzione corrispondente ai modi di vibrazione della struttura s(t), FIG. 4b, costituita, ad esempio, dalle tre funzioni lorentziane centrate a 141, 121 e 81 date dalla formula precedente. Il risultato ? costituito dalla funzione di FIG. 4c. Quindi valutando la correlazione incrociata tra il segnale registrato presso il rivelatore e la funzione di modulazione, si ottiene la legge relativa ai modi di oscillazione, FIG. 4d. Quindi, in sintesi, per dimostrare la validit? del processo impiegato, dapprima si valuta la correlazione incrociata della funzione di modulazione delle percussioni m(t) e la funzione corrispondente ai modi di vibrazione della struttura s(t) che fornisce la funzione z(t), che rappresenta il segnale misurato dall?accelerometro (4) o dall?estensimetro (5), e poi si calcola la correlazione incrociata di z(t) ed m(t). ? cos? dimostrata la validit? dell?approccio proposto anche dal punto di vista formale-matematico.
Ci? posto, dal punto di vista operativo, invece, la procedura di determinazione della risposta dinamica di un sistema ? la seguente:
- si imposta la funzione che modula la percussione m(t);
- si registra il segnale z(t) dagli accelerometri (4) e/o dagli estensimetri (5).
- si calcola la correlazione tra la m(t)e la z(t) che fornisce la risposta dinamica del sistema s(t).
In simboli, posto:
Si ha che:
Si sono descritte delle forme preferite di attuazione dell?invenzione, ma naturalmente esse sono suscettibili di ulteriori modifiche e varianti nell?ambito della medesima idea inventiva. In particolare, agli esperti nel ramo risulteranno immediatamente evidenti numerose varianti e modifiche, funzionalmente equivalenti alle precedenti, che ricadono nel campo di protezione dell'invenzione, come evidenziato nelle rivendicazioni allegate nelle quali i segni di riferimento posti tra parentesi non possono essere interpretati nel senso di limitare le rivendicazioni stesse. Inoltre, la parola "comprendente" non esclude la presenza di elementi e/o fasi diversi da quelli elencati nelle rivendicazioni. L?articolo ?un?, ?uno? o ?una? precedente un elemento non esclude la presenza di una pluralit? di tali elementi. Il semplice fatto che alcune caratteristiche siano citate in rivendicazioni dipendenti diverse tra loro non indica che una combinazione di queste caratteristiche non possa essere vantaggiosamente utilizzata.
Claims (4)
1. Dispositivo per l?effettuazione di analisi dinamiche sperimentali, basate su un approccio stocastico allo studio di grandi strutture, quali ponti, viadotti e simili, ai fini del monitoraggio e della valutazione dello stato di degrado, del tipo comprendente:
- primi mezzi (3) atti ad introdurre energia in detta struttura;
- secondi mezzi (4, 5) atti a effettuare rilievi di grandezze fisiche per caratterizzare detta struttura;
- terzi mezzi (6) atti a controllare detta introduzione di energia nella struttura in prova; - quarti mezzi (7) atti ad elaborare le grandezze fisiche rilevate;
caratterizzato dal fatto che:
- detti primi mezzi, atti ad introdurre energia nella struttura in prova, comprendono un percussore meccanico stocastico (3) operante secondo una codificata sequenza pseudo-random m(t);
- detti secondi mezzi, atti a effettuare rilievi di grandezze fisiche, comprendono accelerometri (4) ed estensimetri (5);
- detti terzi mezzi (6), atti a controllare l?introduzione di energia nella struttura in prova, comprendono un computer collegato con detto percussore meccanico stocastico (3), in modo tale che detto controllo avvenga tramite detta codificata sequenza pseudo-random m(t);
- detti quarti mezzi (7), atti ad elaborare i segnali emessi da detti accelerometri (4) ed estensimetri (5), comprendono un computer collegato con detti accelerometri (4) ed estensimetri (5).
2. Dispositivo per l?effettuazione di analisi dinamiche sperimentali di grandi strutture, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di controllo (6) e di elaborazione (7) sono riuniti in un unico computer.
3. Metodo per l?effettuazione di analisi dinamiche sperimentali, basate su un approccio stocastico allo studio di grandi strutture, quali ponti, viadotti e simili, ai fini del monitoraggio e della valutazione dello stato di degrado, del tipo che prevede di:
- introdurre energia in detta struttura mediante sollecitazione meccanica;
- effettuare rilievi di grandezze fisiche atte a caratterizzare detta struttura;
- elaborare le grandezze fisiche rilevate per determinare la risposta dinamica della struttura; caratterizzato dal fatto che:
- detta introduzione di energia nella struttura mediante sollecitazione meccanica avviene tramite un percussore meccanico stocastico (3) operante secondo una codificata sequenza pseudo-random m(t); - detti rilievi di grandezze fisiche, atte a caratterizzare la struttura, comprendono una misurazione di accelerazioni e/o deformazioni in vari punti della struttura in modo da misurare una risposta z(t) a detta introduzione di energia pseudo-random m(t);
- detta elaborazione delle grandezze fisiche rilevate comprende la correlazione tra la funzione sollecitazione pseudo-random m(t) e la risposta misurata z(t), pervenendo ad una funzione s(t) corrispondente ai modi di vibrazione della struttura.
4. Metodo per l?effettuazione di analisi dinamiche sperimentali di grandi strutture, secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detta misurazione di accelerazioni e/o deformazioni ? effettuata tramite degli accelerometri (4) ed estensimetri (5).
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2021
- 2021-03-19 IT IT102021000006701A patent/IT202100006701A1/it unknown
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