Teleco SHM Systems è una nuova branca di Teleco attiva nello sviluppo di sistemi avanzati e sensori intelligenti per il monitoraggio della salute strutturale di edifici e strutture e per il monitoraggio dei sistemi di trasporto e aeronautici.

Il monitoraggio dinamico delle strutture

Le infrastrutture civili quali autostrade, ponti, edifici civili e industriali, porti, aeroporti, ferrovie, acquedotti, gasdotti giocano un ruolo fondamentale nell’ambito dello sviluppo economico e sociale. Questi sistemi sono caratterizzati da costi elevati, forti impatti sulla qualità della vita per insiemi numerosi di cittadini e da vite operative molto elevate.

La gestione di tali sistemi richiede pertanto l’adozione di politiche scelte con molta cura per mettere in conto il delicato equilibrio tra esigenze potenzialmente conflittuali come, ad esempio, il mantenimento di elevati standard di sicurezza e la compatibilità con costi accettabili. Va poi osservato come il verificarsi di eventi eccezionali quali sismi, inondazioni o tornado possa richiedere decisioni molto critiche nel valutare l’integrità delle strutture ed il grado di utilizzabilità delle stesse. 

Problemi analoghi riguardano la valutazione dello stato di strutture che hanno superato la durata prevista per il loro ciclo operativo e quello di edifici storici presenti in contesti urbani, messi in pericolo dalle sollecitazioni dovute al forte incremento del traffico urbano ed ai sistemi di trasporto sotterranei.

La rilevanza di questi problemi non è, tuttavia, limitata alla valutazione dello stato di strutture potenzialmente danneggiate da eventi traumatici; le tecnologie utilizzate nella realizzazione di progetti avanzati come, ad esempio, gli edifici con controllo attivo antisismico, richiedono un monitoraggio del loro comportamento esteso a tutta la loro vita utile.

Il monitoraggio strutturale dinamico, comunemente indicato con l’acronimo SHM (Structural Health Monitoring) è costituito da un insieme di metodologie che consentono di caratterizzare le strutture in maniera tale da consentire la rilevazione di eventuali danni.

È poi inevitabile che le strutture siano soggette, durante la loro vita utile, a cambiamenti dovuti alla variazione delle proprietà fisiche e geometriche dei materiali, a variazioni delle loro connessioni con altre strutture e ad altri processi (es. variazioni delle caratteristiche del suolo, infiltrazioni di acque ecc.) che ne possono pregiudicare le prestazioni.

Le metodologie SHM sono basate sul monitoraggio continuo delle vibrazioni in alcuni punti di una struttura attraverso un insieme di sensori che operano ad una opportuna frequenza di campionamento. Tali misure vengono poi utilizzate per la costruzione di modelli in grado di evidenziare deviazioni del comportamento osservato rispetto a quello previsto a livello progettuale e validato in fase di collaudo; i sistemi SHM  sono quindi in grado di segnalare in tempo reale le anomalie osservate prima che si verifichino situazioni di pericolo.

La rilevanza delle metodologie SHM nella gestione delle strutture

Le motivazioni che possono suggerire l’implementazione di sistemi SHM e che hanno spinto alcuni paesi ad emanare direttive precise in tal senso sono molteplici. Tra le principali è possibile considerare:

1) La sicurezza. Il problema della sicurezza delle strutture ha aspetti molteplici, legati sia alla tipologia di struttura considerata sia alle circostanze rispetto alle quali ci si intende cautelare.  In tale contesto assumono particolare importanza le strutture di elevata rilevanza sociale, anche in assenza di condizioni ambientali anomale. Rientrano in tale categoria gli edifici sede di servizi pubblici (in particolare scuole e ospedali), gli impianti sportivi, i ponti stradali e ferroviari, volendo citare solo gli esempi più rilevanti. Si tratta di strutture nelle quali eventuali cedimenti possono portare  a costi sociali inaccettabili ed a perdite di vite umane. 

In situazioni anomale, come quelle che seguono un sisma, un sistema di monitoraggio consente di verificare immediatamente le massime accelerazioni cui sono state esposte le varie parti di una struttura ed anche di confrontare il comportamento dinamico della stessa con quello precedente all’evento. Ciò consente un reimpiego rapido delle strutture non danneggiate, l’esclusione altrettanto rapida di quelle che esibiscono danni non compatibili con la sicurezza, relegando l’ispezione approfondita ai casi di danni intermedi. Tutto questo può poi avere una valenza economica non trascurabile quando applicato a strutture produttive.

2) Gli aspetti economici. Gli amministratori, pubblici e privati devono continuamente confrontarsi con il difficile equilibrio tra costi di manutenzione delle infrastrutture ed il mantenimento di livelli elevati di sicurezza. I migliori risultati si ottengono programmando gli interventi in base alla effettiva esigenza degli stessi, determinata mediante l’uso di strumenti diagnostici adeguati e, nel caso degli edifici, questo richiede un affidabile monitoraggio del loro comportamento in modo da avere la certezza di non comprometterne la sicurezza.

3) Salvaguardia del patrimonio culturale. Gli aspetti rilevanti in quest’ambito sono numerosissimi ed associati anche ad aspetti economici di valenza opposta. Se, da un lato, impedire il degrado del patrimonio culturale del paese richiede investimenti significativi, non va trascurato che tale patrimonio, oltre a caratterizzare l’eredità culturale del paese, è alla base di una sensibile fonte di entrate dovute al turismo. In quest’area i sistemi di monitoraggio possono avere una duplice valenza: da un lato quella ovvia del controllo di eventuali deterioramenti in modo da consentire interventi prima che si verifichino danni irreversibili, dall’altro quello di consentire la creazione di un data base contenente le caratteristiche dinamiche delle strutture principali che consenta futuri interventi di ripristino o manutenzione progettati avendo come riferimento le caratteristiche originarie delle strutture.

Il sistema SHM602 della Teleco ed il suo range di applicabilità

Un sistema SHM ideale dovrebbe utilizzare sensori robusti ed economici, effettuare localmente le conversioni A/D in modo da utilizzare connessioni digitali, risultare poco invasivo e di semplice installazione, rendere disponibili in maniera remota dati e modelli ed avere un costo contenuto.

Il sistema Teleco SHM602, sviluppato da Teleco in collaborazione con l’Università di Bologna, è conforme alle specifiche ISO/DIS 18649 ed alle raccomandazioni del Fib Task Group 5.1. Realizzato a norma IP67, consente l’installazione delle unità accelerometriche e delle eventuali unità di acquisizione di dati analogici anche in strutture soggette a condizioni atmosferiche critiche (es. ponti ferroviari e stradali, impianti industriali ecc.). Risulta quindi possibile realizzare sistemi di monitoraggio strutturale, eventualmente integrati da monitoraggi ambientali o di qualunque altro tipo non solo in edifici civili ma anche in qualunque altro tipo di struttura senza alcuna necessità di ricorrere a protezioni ausiliarie dei sensori.

Le installazioni possono riguardare la sola acquisizione di dati finalizzati ad analisi della integrità delle strutture oppure sistemi integrati che sfruttano la capacità del bus e del data logger presente nel sistema per acquisire anche misure di altro tipo.  Anche sistemi di monitoraggio e logging (es. del consumo termico di un edificio) privi di finalità di monitoraggio SHM possono trarre vantaggio dalla flessibilità e facilità di installazione dell’SHM602.

Esperienze significative

Sistemi SHM602 di complessità diverse sono stati installati sia in ambienti civili che industriali ed è stato possibile effettuare valutazioni comparate della capacità del sistema di operare tanto in edifici soggetti a stimoli continui di intensità non trascurabile ed in ponti soggetti a stimoli di notevole intensità quanto in strutture scarsamente sollecitate. Tra le applicazioni significative Palazzo Saraceni (Bologna), la torre della Scuola di Ingegneria (Bologna), alcune scuole, Il Mahattan Bridge (New York), strutture industriali.

Struttura e componenti del sistema SHM602

L’SHM602 è un sistema integrato avanzato per il monitoraggio strutturale dinamico (SHM, Structural Health Monitoring) di edifici e strutture civili ed industriali attraverso l’analisi della risposta di tali strutture a sollecitazioni naturali (traffico, azione del vento) o artificiali. Diversamente dai sistemi tradizionali, basati su costosi sensori analogici di tipo sismico e su invasive connessioni radiali con l’unità di controllo, l’SHM602 utilizza tecnologie digitali ed un collegamento ai sensori tramite bus con vantaggi economici, di affidabilità e di insensibilità ai disturbi elettromagnetici. 

L’SHM602, sviluppato da Teleco SHM Systems in collaborazione con l’Università di Bologna, si avvale di algoritmi e tecnologie proprietari ed è composto da:

Centralina e data logger TSD10

• Display: Touch Screen 10”
• Temperatura di funzionamento: 0°C  +70°C
• Umidità: 0 – 85% (senza condensa)
• Consumo: 12W
• Porte: USB, CF, Ethernet 100Mb, RS232
• Bus: 2 bus seriali RS485
• Numero Massimo di sensori su ogni bus:16@20Hz, 8@40Hz, 4@80Hz

Sensori TSM02

• Temperatura di funzionamento: -20°C  +80°C
• Umidità: 0 – 95% (senza condensa)
• Livello di protezione ambientale: IP67
• Range di rilevazione (acc.): ± 1500 mg (due assi)
• Rumore di fondo: •= 0.32 mg @ 20 Hz
• Range di rilevazione (temp.): -20°C   +80°C
• Collegamento: Tramite bus RS485

Unità di acquisizione dati analogici TGA102

• Due ingressi differenziali
• Guadagno: 10,100 (TGA102A);1,2,10,100,200 (TGA102B)
• Risoluzione:16 bit (campionamento a 20Hz)
• Range di ingresso: ±4.0V (G=1)
• Offset di ingresso: ±8.0V
• Max. errore sul guadagno: 0.15%
• Temperatura di funzionamento: -20°C   +80°C
• Max. errore sul range di temperature a G=100: 0.004% del range di uscita/°C
• Max. errore sul range di temperature a G=100 

  (configurazione a ponte): 0.006% del range di uscita /°C

• Resistenza di ingresso (dc): 10 GΩ
• Max. tensione di ingresso: ±20V
• Max. tensione differenziale di ingresso: ±20V
• Umidità: 0 – 95% (senza condensa)
• Collegamento: Tramite bus RS485

TSIC485 – Unità di inserimento e filtraggio alimentazione sul bus RS485

• Temperatura di funzionamento: -20°C   +80°C
• Umidità: 0 – 95% (senza condensa)

TSBR485 – Unità di ripetizione segnali e inserzione ausiliaria di alimentazione sul bus RS485

• Temperatura di funzionamento: -20°C   +80°C
• Umidità: 0 – 95% (senza condensa)
• Livello di protezione ambientale: IP67

Software di configurazione e acquisizione TBH02

• Selezione frequenza di campionamento (20/40/80 Hz)
• Start/Stop acquisizione dati
• Monitoraggio di eventuali errori di acquisizione

Software di analisi e visualizzazione TGH04

• Calcolo dello spettro di potenza dei segnali acquisiti
• Visualizzazione dei poli dei modelli identificati
• Visualizzazione dello spettro di potenza dei segnali
• Visualizzazione della allocazione dei sensori nella struttura
• Analisi della affidabilità dei modelli
• Analisi della idoneità delle condizioni di eccitazione 

Software di analisi multivariata e segnalazione anomalie TGH06

• Calcolo e visualizzazione dello spettro di potenza dei segnali acquisiti 
• Calcolo e visualizzazione dei cross-spettri dei segnali acquisiti
• Confronto degli spettri e cross-spettri misurati con quelli   di riferimento
• Visualizzazione della allocazione dei sensori nella struttura
• Analisi di affidabilità dei segnali 
• Verifica della presenza di situazioni anomale
• Creazione ed invio di messaggi di allarme.