Applicazione di reticoli di Bragg "chirped" per il monitoraggio strutturale di laminati CFRP

L’uso dei materiali compositi è andato aumentando negli ultimi decenni per la loro elevata rigidezza, la resistenza specifica e il possibile risparmio, notevole in termini di peso dell’intera struttura. Tali materiali introducono però nuove problematiche riguardanti le modalità di danneggiamento e il comportamento a fatica. Mentre questi fenomeni sono relativamente ben compresi nei materiali metallici, per una struttura in composito non esistono ancora modelli in grado di predire con sufficiente affidabilità l’evoluzione del danneggiamento. Negli ultimi anni la ricerca si è focalizzata sullo sviluppo di sistemi in grado di rilevare la presenza e l’evoluzione del danno, definiti Structural Health Monitoring Systems, ovvero sistemi di monitoraggio strutturale. Il danneggiamento strutturale può così essere individuato e identificato per mezzo di sensori distribuiti integrati nella struttura stessa, aventi la possibilità di trasmettere queste informazioni a un sistema di analisi esterno permettendo di valutare lo stato di degrado della struttura in tempo reale. In questo contesto si inseriscono le attività di ricerca sulle strutture intelligenti che, inglobando al loro interno opportune tipologie di sensori e attuatori, sono in grado di monitorare l’ambiente fisico operativo, raccoglierne e interpretarne le informazioni per poi rispondere ai cambiamenti della struttura in modo appropriato attraverso gli attuatori. L’impiego di sensori e attuatori inglobati nelle strutture offre molteplici vantaggi rispetto ai sistemi di trasduzione e attuazione convenzionali. L’attività di ricerca condotta in questa tesi è rivolta all’indagine di tecniche di SHM per mezzo di sensori a fibra ottica. Essi presentano molteplici peculiarità che li rendono i candidati ideali per queste applicazioni. Esistono diversi tipi di sensori che utilizzano le fibre ottiche. Nel presente lavoro si sono utilizzati sensori di deformazione basati sui reticoli di Bragg (FBG) chirped. Questi sensori sono costituiti da un reticolo inscritto all’interno della fibra, che ha l’effetto di riflettere solo alcune lunghezze d’onda della luce incidente. Se le proprietà geometriche del reticolo cambiano per effetto di una deformazione, cambia anche la forma dello spettro riflesso. Inoltre, con il tipo di sensore usato, è possibile correlare lo spettro con la posizione di eventuali danneggiamenti interni al materiale. Gli obbiettivi di questa ricerca sono di verificare gli effetti della presenza di una fibra ottica sulle caratteristiche meccaniche di un laminato e di trovare un legame tra la risposta in frequenza del sensore FBG e lo stato tensionale e il grado di danneggiamento di un componente in composito.

Smart structures: sperimentazione mediante attuatori e sensori innovativi

L’idea di base della seguente tesi, finora mai applicata o descritta in letteratura scientifica in base alle ricerche effettuate, è stata quella di creare un sistema di monitoraggio strutturale intelligente (Structural Health Monitoring, SHM) mediante dei sensori di deformazione a reticolo di Bragg (Fiber Bragg Grating, FBG), incollati su fili a memoria di forma inseriti a loro volta, bloccati con opportuni ancoraggi esterni, in sei travi di betoncino cementizio armato. L’obbiettivo della sperimentazione è stato quindi quello di creare delle travi intelligenti che, in condizioni di carico eccezionali e critiche (monitorate dal sensore a fibra ottica), sapessero “autoripararsi” mediante gli attuatori a memoria di forma con un processo di riscaldamento appositamente progettato.

Monitoraggio strutturale (structural health monitoring) di laminati CFRP tramite reticoli di Bragg in fibra ottica

Lo studio si propone di valutare la capacità dei reticoli di Bragg in fibra ottica, di individuare e monitorare danneggiamenti presenti all'interno di laminati in composito, tramite l'analisi degli spettri riflessi dai reticoli stessi. Sono stati utilizzati due tipi diversi di stratificazione dei laminati, per valutare il diverso comportamento dei reticoli di Bragg inseriti all'interno dei laminati. Le proprietà dei materiali e degli spettri riflessi dai reticoli, sono state messe in relazione qualitativamente e quantitativamente, al fine di sviluppare un valido metodo di Structural Health Monitoring.

Campionamento e ricostruzione di immagini full wavefield per il monitoraggio strutturale

L'elaborato affronta la definizione di differenti strategie per il campionamento e la ricostruzione di segnali wavefield per applicazioni di monitoraggio strutturale. In accordo con quanto indicato dalla teoria del Compressive Sensing, obiettivo della tesi è la minimizzazione del numero di punti di acquisizione al fine di ridurre lo sforzo energetico del campionamento. I risultati sono validati in ambiente Matlab utilizzando come riferimento segnali acquisiti su setup sperimentali in alluminio o materiale composito in presenza di diverse tipologie di difetto.

Analisi delle prestazioni di un codice di calcolo open-source per l'elaborazione dati GNSS in modalità cinematica finalizzata al monitoraggio di strutture e applicazione di filtri sequenziali

Il presente lavoro di tesi si pone come obbiettivo l’elaborazione di dati GNSS in modalità cinematica post-processing per il monitoraggio strutturale e, in una seconda fase, lo studio delle precisioni raggiungibili delle soluzioni ottenute utilizzando algoritmi di post-elaborazione del dato. L’oggetto di studio è la torre Garisenda, situata in piazza Ravegnana, accanto alla torre Asinelli, nel centro storico di Bologna, da tempo oggetto di studi e monitoraggi per via della sua inclinazione particolarmente critica. Per lo studio è stato utilizzato un data set di quindici giorni, dal 15/12/2013 al 29/12/2013 compresi. Per l’elaborazione dei dati è stato utilizzato un software open source realizzato da ricercatori del Politecnico di Milano, goGPS. Quest'ultimo, essendo un codice nuovo, è stato necessario testarlo al fine di poter ottenere dei risultati validi. Nella prima fase della tesi si è quindi affrontato l’aspetto della calibrazione dei parametri che forniscono le soluzioni più precise per le finalità di monitoraggio considerando le possibili scelte offerte dal codice goGPS. In particolare sono stati imposti dei movimenti calibrati e si è osservata la soluzione al variare dei parametri selezionati scegliendo poi quella migliore, ossia il miglior compromesso tra la capacità di individuare i movimenti e il rumore della serie. Nella seconda fase, allo scopo di poter migliorare le precisioni delle soluzioni si sono valutati metodi di correzione delle soluzioni basati sull'uso di filtri sequenziali e sono state condotte analisi sull'incremento di precisione derivante dall'applicazione di tali correzioni.

Progettazione e realizzazione di un prototipo di stazione per il monitoraggio ambientale

La tesi analizza la problematica del monitoraggio ambientale a basso costo, cercando di approfondirne le caratteristiche e studiando le situazioni in cui questo vi si adatta bene. Lo studio ha permesso di realizzare due tipologie di stazioni di raccolta dati, una dedicata alla misurazione delle polveri sottili, e una dedicata alla misurazione dell’acidità delle piogge. Entrambe le stazioni condividono la logica di funzionamento, quindi il “core” rimane lo stesso pur lavorando con dati estremamente diversi, mentre si distinguono per i due sensori utilizzati. In fase di test i sensori si sono dimostrati sufficientemente precisi lasciando ben sperare per la realizzazione di applicazioni in contesti reali simili a quelli considerati durante l’analisi. Le stazioni sono in grado di fornire dati geo-localizzati consultabili attraverso un portale web, è possibile visualizzare ogni stazione su una mappa ricevendo aggiornamenti sulle ultime misurazioni, inoltre si possono modellare i dati e visualizzarli su una serie di grafici. Una delle caratteristiche fondamentali che ha guidato tutta la progettazione è stata l’estendibilità del modello, la logica di funzionamento della stazione può essere facilmente implementata su tecnologie hardware e software diverse.

Individuazione del danno su ponti in muratura mediante misure dinamiche

La diagnostica strutturale è un campo in continuo sviluppo e attualmente sono numerosi gli studi tendenti alla definizione di tecniche e metodi in grado di fornire parametri che possano identificare, in modo sempre più accurato, lo stato di sicurezza di una struttura. Stato di sicurezza è un termine globale che si riferisce alla capacità portante di una struttura e alla sua resistenza alle sollecitazioni esterne, siano esse statiche o dinamiche. Per tanto, un qualsiasi danneggiamento strutturale potrebbe in varia misura influenzare tale stato. Per quanto riguarda i ponti stradali, negli ultimi anni l’attenzione è stata focalizzata allo studio di metodi di individuazione del danno a partire dai risultati ottenuti dal monitoraggio delle vibrazioni mediante accelerometri. Questo è stato possibile grazie agli avanzamenti raggiunti nell’identificazione modale e nei sensori per il monitoraggio strutturale. Questo lavoro si pone come obiettivo quello di proporre una nuova metodologia di analisi dei dati ottenuti da indagini sperimentali che possono essere svolte in sito. La definizione di tale metodologia è affidata a simulazioni numeriche volte a rappresentare stati di danneggiamento avanzati su elementi strutturali. In una prima fase verranno analizzati elementi semplificati rappresentativi di strutture esistenti, come ad esempio travi da ponte in calcestruzzo armato. In una seconda fase, il metodo verrà testato su modelli più complessi che tengano conto della tridimensionalità del problema, oltre alle variazioni sezionali e di materiali degli elementi che lo compongono.

Strumenti per la valutazione dello stato conservativo e per la manutenzione programmata dei ponti della Provincia di Bologna

La tesi tratta di strumenti finalizzati alla valutazione dello stato conservativo e di supporto all'attività di manutenzione dei ponti, dai più generali Bridge Management Systems ai Sistemi di Valutazione Numerica della Condizione strutturale. Viene proposto uno strumento originale con cui classificare i ponti attraverso un Indice di Valutazione Complessiva e grazie ad esso stabilire le priorità d'intervento. Si tara lo strumento sul caso pratico di alcuni ponti della Provincia di Bologna. Su un ponte in particolare viene realizzato un approfondimento specifico sulla determinazione approssimata dei periodi propri delle strutture da ponte. Si effettua un confronto dei risultati di alcune modellazioni semplificate in riferimento a modellazioni dettagliate e risultati sperimentali.

Diagnosi non distruttiva di murature di laterizio: applicazioni di tomografia sonica in laboratorio

Il lavoro svolto nella presente tesi di laurea si sviluppa all’interno del progetto di ricerca europeo SmooHs (Smart Monitoring of Historic Structures-Monitoraggio intelligente di edifici e strutture storiche) nell’ambito del 7 Programma Quadro della Commissione Europea. Gli edifici storici sono caratterizzati da elementi architettonici, materiali e soluzioni progettuali uniche e pertanto da valorizzare. Al fine si salvaguardare tali beni storici si richiede una conoscenza approfondita dei processi di deterioramento, legati spesso a fattori ambientali, e una loro rilevazione immediata. Il monitoraggio continuo dei possibili parametri che influenzano i suddetti processi può contribuire significativamente, ma un’applicazione estesa di questa tecnica è finora fallita a causa dei costi elevati di sistemi completi di monitoraggio; per questo sono stati osservati solitamente pochi parametri. L’obiettivo del progetto prevede lo sviluppo di strumenti di monitoraggio e diagnostica competitivi per gli specialisti nel settore che vada al di là del mero accumulo di dati. La normativa, in particolare le Linee Guida per l’applicazione al patrimonio culturale della normativa tecnica di cui all’Ordinanza PCM-3274 del 2005, evidenziano l’importanza di raggiungere un elevato livello di informazione dell’oggetto e del suo comportamento strutturale attraverso un percorso conoscitivo pluriramificato. “Si ha pertanto la necessità di affinare tecniche di analisi ed interpretazione dei manufatti storici mediante fasi conoscitive dal diverso grado di attendibilità, anche in relazione al loro impatto. La conoscenza può infatti essere conseguita con diversi livelli di approfondimento, in funzione dell’accuratezza delle operazioni di rilievo, delle ricerche storiche e delle indagini sperimentali” (Linee guida per l’applicazione all patrimonio culturale della normativa tecnica di cui all’ordinanza PCM-3274, 2005). Per quanto riguarda la caratterizzazione meccanica dei materiali, la normativa cita “Tecniche diagnostiche non distruttive di tipo indiretto, quali prove soniche ed ultrasoniche, consentono di valutare l’omogeneità dei parametri meccanici nelle diverse parti della costruzione, ma non forniscono stime quantitative attendibili dei loro valori, in quanto essi vengono desunti dalla misura di altre grandezze”. Non viene identificata una procedura univoca di prove non distruttive per ciascuna tipologia edilizia, pertanto ci domandiamo quale sia la procedura più idonea da utilizzare, considerando il tipo di risultato che si vuole ottenere. Si richiedono quindi degli studi di fattibilità di diverse tecniche non distruttive, soprattutto tecniche per immagini che diano un risultato più immediato da comprendere. Per questo scopo è stato impostato un programma di ricerca per valutare l’efficacia di una tecnica non distruttiva, la tomografia sonica, su provini in muratura costruiti nei laboratori del LaRM (Laboratorio di Resistenza dei Materiali del DISTART dell’Università di Bologna), reputando questa la strada da percorrere verso una diagnostica strutturale sempre più dettagliata. I provini in muratura di laterizio PNDE e PNDF, presentano al loro interno dei difetti (in polistirolo espanso) di geometria e posizione nota e diverse tessiture murarie (muratura di laterizio tradizionale e muratura a sacco). Nel capitolo 2 vengono descritte le caratteristiche e le basi teoriche delle prove soniche e di altre tecniche non distruttive, al fine di poterne fare un confronto. La tomografia sonica è definita e sono illustrate le sue peculiarità; vengono inoltre riportati alcuni esempi di applicazioni della stessa su strutture storiche lignee e murarie. Nel capitolo 3 sono presentati i provini oggetto di studio ed introdotto qualche accenno sulla natura delle murature di laterizio. Sono specificati i corsi e le sezioni verticali sui quali viene sperimentata la tomografia; essi hanno precise caratteristiche che permettono di eseguire una sperimentazione mirata all’individuazione di anomalie in una sezione e al riconoscimento di diverse tessiture murarie. Nel capitolo 4 è illustrata la procedura di acquisizione dei dati in laboratorio e di rielaborazione degli stessi nella fase di post-processing. Dopo aver scelto, in base alla risoluzione, la distanza che intercorre tra le stazioni di misura, sono stati progettati i vari percorsi uscenti da ogni stazione trasmittente, andando a definire i ray-paths delle sezioni sia orizzontali che verticali. I software per il calcolo dei tempi di volo (in ambiente LabView) e per l’inversione degli stessi (Geotom) sono presentati e vengono definite le istruzioni per l’utilizzo. Il capitolo 5 assieme al capitolo 6, mostra i risultati ottenuti dall’inversione dei tempi di volo. Per i diversi corsi orizzontali e sezioni verticali sono riportate le mappe di velocità ottenute al variare di diversi parametri di settaggio impostati nel software tomografico. Le immagini tomografiche evidenziano le caratteristiche interne delle sezioni studiate, in base alla risoluzione geometrica della tecnica. Nel capitolo 7 e 8 sono mostrati i risultati delle prove soniche dirette applicate sia sui corsi verticali sia sulle sezioni verticali. Le stazioni di misura considerate sono le stesse utilizzate per la tomografia. Il capitolo 9 riporta il confronto tra le mappe di velocità prodotte dalla tomografia sonica e gli istogrammi delle velocità registrate nelle prove soniche dirette. Si evidenziano le differenze nell’individuazione di difetti tra due metodologie differenti. Infine sono riportate le conclusioni sul lavoro svolto. I limiti e i vantaggi della tecnica tomografica vengono desunti dai risultati ottenuti per varie tipologie di sezioni, a confronto anche con risultati di prove soniche dirette. Ciò ci porta a definire la fattibilità di utilizzo della tomografia sonica nella diagnosi delle strutture in muratura.

Valutazione non distruttiva di muratura in laterizio: applicazione in laboratorio di tomografia sonica e prove dirette

Il patrimonio edilizio italiano è costituito in gran parte da costruzioni che utilizzano la muratura come struttura portante. Le conoscenze acquisite negli ultimi anni nel campo dell’ingegneria hanno reso evidente come le costruzioni in muratura siano state concepite, nel corso dei secoli, senza quegli accorgimenti che l’evoluzione delle tecniche moderne di analisi ha dimostrato essere necessari. Progettare un intervento edilizio su un edificio esistente, correlato anche alla valutazione di rischio sismico, e cercare di migliorare le prestazioni dello stesso edificio, richiede partire sempre dalla conoscenza delle caratteristiche statiche intrinseche che il materiale della muratura possiede. La conoscenza della patologia comporta l'indubbio vantaggio di mettere al corrente di cosa ci si può attendere nel futuro dal punto di vista strutturale, come ad esempio che il fenomeno non sarà eliminabile all'origine e che la fessura o lesione magari si riformerà sempre, a meno d’interventi statici rilevanti e di costi ingenti. Diventa quindi di fondamentale importanza eseguire uno studio approfondito dei fenomeni strutturali anomali di deterioramento, quali lesioni, fessurazioni e simili, legati spesso a fattori ambientali, attraverso specifiche indagini diagnostiche e di monitoraggio dello stato interno delle strutture, per definire le cause responsabili e il metodo più adeguato alla tutela dei beni storici [Mastrodicasa, 1993]. Il monitoraggio dei possibili parametri che influenzano tali processi può essere continuo nel tempo o per mezzo di metodologia discontinua che prevede l’utilizzo e la ripetizione di prove non distruttive. L’elevato costo di un eventuale processo continuo ha limitato significativamente la sua applicazione, riducendo lo studio all’analisi di pochi parametri derivanti dalle prove diagnostiche e spesso non del tutto adatti alla completa analisi della struttura. Il seguente lavoro di tesi è sviluppato all’interno del progetto SmooHS (Smart Monitoring of Historic Structures) nell’ambito del 7° Programma Quadro della Commissione Europea che si pone come obiettivo lo sviluppo di strumenti di monitoraggio innovativi ‘intelligenti’ e poco invasivi e modelli di degrado e la loro sperimentazione sul campo per verificarne l’effettiva efficacia attraverso il confronto con risultati di prove non distruttive. La normativa correlata a questo studio, “Norme Tecniche per le Costruzioni’ (D.M. 14/01/2008), evidenzia come ‘La conoscenza della costruzione storica in muratura è un presupposto fondamentale sia ai fini di un’attendibile valutazione della sicurezza sismica attuale sia per la scelta di un efficace intervento di miglioramento…. Si ha pertanto la necessità di affinare tecniche di analisi e interpretazione dei manufatti storici mediante fasi conoscitive dal diverso grado di attendibilità, anche in relazione al loro impatto. La conoscenza può, infatti, essere conseguita con diversi livelli di approfondimento, in funzione dell’accuratezza delle operazioni di rilievo, delle ricerche storiche, e delle indagini sperimentali. Tali operazioni saranno funzione degli obiettivi preposti e andranno a interessare tutto o in parte l’edificio, secondo la tipologia dell’intervento previsto’. L’utilizzo di ‘Tecniche diagnostiche non distruttive di tipo indiretto, quali prove soniche e ultrasoniche’ è preferibile poiché molto promettenti e hanno il pregio di poter essere utilizzate in modo diffuso con un relativo impatto sulla costruzione e costi relativamente contenuti. La non identificazione di una procedura univoca di prove non distruttive per ciascuna tipologia edilizia rende necessario uno studio di fattibilità di diverse tecniche per valutarne l’effettiva efficacia in base al risultato atteso. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è stato lo studio sperimentale di valutazione dell’efficacia di alcune tecniche soniche in trasmissione, tomografia e prove soniche dirette, nel monitoraggio di provini precedentemente realizzati ad hoc nei laboratori LISG (Laboratorio di Ingegneria Strutturale e Geotecnica) del DICAM dell’Università di Bologna caratterizzati da presenze di discontinuità (vacui o inclusioni di polistirolo) o materiali differenti in determinate posizioni di geometria e localizzazione nota e diverse tessiture murarie (muratura di laterizio tradizionale, muratura a sacco, inclusioni lapidee). Il capitolo 1 presenta una descrizione generale delle murature, le cause principali di deterioramento e conseguenti dissesti. Presenta inoltre una finestra sulle prove diagnostiche. Nel capitolo 2 sono riportati alcuni esempi di applicazioni di tomografia e prove soniche e sviluppi di ricerca su strutture storiche lignee e murarie eseguite recentemente. Nel capitolo 3 sono presentati i provini oggetto di studio, la loro geometria, i difetti, le sezioni. Il capitolo 4 descrive i principi fisici delle prove soniche e grandezze caratteristiche e presenta la procedura di acquisizione e relative strumentazioni. I capitoli 5 e 6 riguardano lo studio sperimentale vero e proprio ottenuto attraverso l’utilizzo di tomografia sonica e prove dirette, con descrizione delle stazioni di prova, visualizzazione dei dati in tabelle per una semplice interpretazione, loro elaborazione e susseguente analisi approfondita, con valutazione dei risultati ottenuti e debite conclusioni. Il capitolo 7 presenta un confronto delle analisi comuni a entrambe le tipologie di prove soniche, visualizzazioni di istogrammi di paragone e considerazioni deducibili.

Split Up. Smart feature per contenitori asettici per liquidi basata sulla progettazione strutturale e grafica di finestre trasparenti

Il lavoro di tesi concerne la progettazione di un contenitore asettico per liquidi. In particolare, consiste nella creazione di aree/finestre trasparenti, ricavate sulla superficie del contenitore, con la funzione di indicatore di livello del liquido. Gli step che hanno delineato il lavoro consistono in un'analisi brevettuale, studio dei materiali di produzione, verifica tecnica e strutturale, progettazione grafica e test di validazione dell'idea.