this my first contact in the context of automatic structural monitoring, slideshow of my MSc thesis

1. Politecnico di Milano
Facoltà di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale
Corso di laurea specialistica in Ingegneria Civile
or. Rilevamento e Controllo
Anno Accademico 2008/2009
MONITORAGGIO STRUTTURALE
CON TECNICHE GPS:
IL CASO DELLA DIGA CIXERRI
Carlo De Gaetani
matr. 721997
Relatore: prof. Livio Pinto (D.I.I.A.R.)
Co-relatore: prof. Riccardo Barzaghi (D.I.I.A.R.)
Contro-relatrice: prof.ssa Laura Comi (D.I.S.)

2. IL CONTROLLO DELLE STRUTTURE:
Perchè è importante?
• Invecchiamento fisiologico dei manufatti
• Eventi naturali (frane, sismi, subsidenze)
• Cattivi criteri di costruzione
sono i fattori che modificano il
comportamento “standard” in
sicurezza delle grandi strutture civili

3. PRINCIPALI MODALITA’ DI CONTROLLO:
• Ispezioni visive
• Monitoraggio strumentale
• Indagini – prove

4. MONITORAGGIO STRUMENTALE:
L’evoluzione tecnologica ha permesso l’utilizzo di
sensori sempre più affidabili:
a lettura diretta con trasduttore elettrico intelligente
uscita analogica
proporzionale alla
grandezza rilevata
verifica “interna”
della validità strumentale della misura
pre-elaborazione della misura
uscita digitale elaborata e validata
lettura diretta
della misura della grandezza

5. QUALCHE DATO:
In Italia sono ancora poche le dighe munite di
sistemi automatici di controllo:
dighe gestite 1996 2000
• ENEL 289 99 121
• AUTOPRODUTTORI 42 18 23
Edison, Acea, AEM Milano,
AEM Torino, Italcementi, ecc.
• IRRIGUO/POTABILE 42 6 18
Romagna Acque, C. Terre Apulia,
C. Vallo Lucano, Ente Puglia Lucania,
Ente Flumendosa, AMGA Genova, ecc.
tot dighe = 373 33% 43%
fonte: ITCOLD – Comitato Nazionale Grandi Dighe, Dr. Ing. Giovanni Ruggeri, “La sicurezza delle dighe attraverso il monitoraggio”

6. INVASO STADIE REGISTRATORI BILANCE
METEO REGISTRATORI SU CARTA SENSORI CON TRASDUTTORE
TEMPERATURE TERMORESISTENZE
SPOSTAMENTI
COLLIMAZIONI-TRIANGOLAZIONI DISTANZIOMETRO COLLIMATORE AUT.
PENDOLI TELECOORDINOMETRI TELECOORDINOMETRI
LIVELLAZIONI LIVELLOMETRI
SOTTOPRESSIONI MANOMETRI-SONDE PIEZOMETRI
ROTAZIONI CLINOMETRI LIVELLOMETRI
DEFORMAZIONI CLS ESTENSIMETRI ELETTRICI
PERDITE MISURA MANUALE STRAMAZZI E MISURATORI DI LIVELLO
SPOSTAMENTI PROFONDI COMPARATORI ESTENSIMETRI A LUNGA BASE
1960 1970 1980 1990 2000
SENSORI DI MISURA NEL
MONITORAGGIO DI UNA DIGA:
INVASO STADIE REGISTRATORI BILANCE
METEO REGISTRATORI SU CARTA SENSORI CON TRASDUTTORE
TEMPERATURE TERMORESISTENZE
SPOSTAMENTI
COLLIMAZIONI-TRIANGOLAZIONI DISTANZIOMETRO COLLIMATORE AUT.
PENDOLI TELECOORDINOMETRI TELECOORDINOMETRI
LIVELLAZIONI LIVELLOMETRI
SOTTOPRESSIONI MANOMETRI-SONDE PIEZOMETRI
ROTAZIONI CLINOMETRI LIVELLOMETRI
DEFORMAZIONI CLS ESTENSIMETRI ELETTRICI
PERDITE MISURA MANUALE STRAMAZZI E MISURATORI DI LIVELLO
SPOSTAMENTI
PROFONDI
COMPARATORI ESTENSIMETRI A LUNGA BASE
1960 1970 1980 1990 2000
fonte: ITCOLD – Comitato Nazionale Grandi Dighe, Dr. Ing. Giovanni Ruggeri, “La sicurezza delle dighe attraverso il monitoraggio”

7. Global Navigation Satellite System:
• È basato sui sistemi GPS (USA), GLONASS (RUS) e
GALILEO (UE, in via di sviluppo)
• Stima continuativa delle 3 coordinate spaziali dei punti
• Non è necessaria intervisibilità tra i punti di riferimento
ed i punti di controllo
• Errori accidentali ridotti
La precisione di stima è confrontabile con quella
degli strumenti topografici classici?

8. GNSS:
Si può pensare ad un suo utilizzo per misurare:
• Spostamenti di ponti e viadotti
• Spostamenti di sbarramenti artificiali
• Stabilità di versanti

9. LA DIGA CIXERRI:
Località: Genna Is Abis (CA)
Anno di costruzione: 1990
Tipologia: A gravità, conci in CLS
Volume di invaso: 24,41 milioni di m3
Volume di regolazione: 24 milioni di m3
Volume totale: 32 milioni di m3
Lunghezza: 1295 m
Altezza: 26 m
Quota s.l.m.: 42,5

10. IL SISTEMA DI MONITORAGGIO GNSS
INSTALLATO SULLA DIGA:
Tipologia: Doppia frequenza (L1L2)
Numero di canali: 12 (L1) + 12 (L2), 20 Hz
Range di temp. Da -40°C a +65°C
Antenna : Leica AX1202
Dimensioni: 16,7 cm x 12,3 cm x 4 cm
Peso: 0,8 kg

11. IL SISTEMA DI MONITORAGGIO GNSS
INSTALLATO SULLA DIGA (2):
l’acquisizione presa in considerazione è stata dal giugno 2007 al luglio 2008

12. SERIE TEMPORALI GNSS, dir. x:
-6
-4
-2
0
2
4
6
2007.4 2007.9 2008.4 2008.9
[mm]
delta x (A)
-6
-4
-2
0
2
4
6
2007.4 2007.9 2008.4 2008.9
[mm]
delta x (B)
-6
-4
-2
0
2
4
6
2007.4 2007.9 2008.4 2008.9
[mm]
delta x (C)
-6
-4
-2
0
2
4
6
2007.4 2007.9 2008.4 2008.9
[mm]
delta x (D)

13. SERIE TEMPORALI GNSS, dir. y:
-6
-4
-2
0
2
4
6
2007.4 2007.9 2008.4 2008.9
[mm]
delta y (C)
-6
-4
-2
0
2
4
6
2007.4 2007.9 2008.4 2008.9
[mm]
delta y (D)
-6
-4
-2
0
2
4
6
2007.4 2007.9 2008.4 2008.9
[mm]
delta y (B)
-6
-4
-2
0
2
4
6
2007.4 2007.9 2008.4 2008.9
[mm]
delta y (A)

14. ANALISI DI STABILITA’ DI REF1:
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
2007.4 2007.5 2007.6 2007.7 2007.8 2007.9 2008
[mm]
spostamenti di REF1 rispetto REF2
delta y (REF1) delta x (REF1)

15. CONFRONTO CON I PENDOLI:
-6
-4
-2
0
2
4
6
2007.4 2007.9 2008.4 2008.9
[mm] stazione B
delta x GPS delta x PENDOLI
-6
-4
-2
0
2
4
6
2007.4 2007.9 2008.4 2008.9
[mm]
stazione C
delta x GPS delta x PENDOLI

16. 0
10
20
30
0
10
20
30
-6
-3
0
3
6
MODELLI DI COMPORTAMENTO:
STATISTICO DETERMINISTICO
misura
spostamenti
analisi di correlazione
statistica
modello
misura variazione
fenomeni ambientali
analisi ad
elementi finiti
modello
misura variazione
fenomeni ambientali
0
10
20
30
-6
-3
0
3
6
-6
-3
0
3
6

17. MODELLI STATISTICI VS DETERMINISTICI:
Modelli statistici
• Semplicità di realizzazione
• Semplicità di uso
• Buoni risultati
• Idonei per il controllo di
qualsiasi grandezza “effetto”
• E’ necessario disporre delle
serie cronologiche sia delle
grandezze “causa” sia di quelle
“effetto” per un significativo
periodo di tempo
Modelli deterministici
• Correlazione tra grandezze
“causa” ed “effetto”
determinata tramite analisi
strutturale
• Maggiore impegno per la
realizzazione
• Anche per situazioni non
sperimentate nel passato
• E’ necessaria un’adeguata
conoscenza delle
caratteristiche dei materiali
costituenti la diga e le
fondazioni

18. ANALISI GRANDEZZE “CAUSA-EFFETTO”:
0
5
10
15
20
25
30
35
2007.4 2007.9 2008.4 2008.9
[°c]
temperatura
aria (media) acqua (primi 5 m)
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
2007.4 2007.9 2008.4 2008.9
[mm]
spostamenti in direzione x
spalla coronamentro centro coronamento

19. CROSS-CORRELAZIONE ΔX-ΔT:
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
-5 5 15 25 35 45
ρ
def(x)
-T
aria
τ [gg]
funzione di cross-correlazione
Δx staz. A - ΔT aria
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
-5 5 15 25 35 45
ρ
def(x)
-T
acqua
τ [gg]
funzione di cross-correlazione
Δx staz. A - ΔT acqua
-1.0
-0.9
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
-5 5 15 25 35 45
ρ
def(x)
-T
aria
τ [gg]
funzione di cross-correlazione
Δx staz. B - ΔT aria
-1.0
-0.9
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
-5 5 15 25 35 45
ρ
def(x)
-T
acqua
τ [gg]
funzione di cross-correlazione
Δx staz. B - ΔT acqua
Δx vs ΔT aria Δx vs ΔT acqua
ρ MAX ρ MAX
stazione A 66 %
94 %
77 %
94 %
stazione B

20. MODELLO DETERMINATO CON LE
MISURE DEI PENDOLI:
-5
-2.5
0
2.5
5
2007.25 2007.75 2008.25 2008.75
[mm]
Δx (C5)
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2007.25 2007.75 2008.25 2008.75
[mm]
residui (modello - C5)
-5
-2.5
0
2.5
5
2007.25 2007.75 2008.25 2008.75
[mm]
Δx (C43)
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2007.25 2007.75 2008.25 2008.75
[mm]
residui (modello - C43)
ΔXi=a+bti+Asen(ω1ti) +Bcos(ω1ti) +Csen(ω2ti) +Dcos(ω2ti)
comp. lineare comp. periodica
T=1 anno
comp. periodica
T=0,5 anni

21. MODELLO VS GNSS:
-5
-2.5
0
2.5
5
2007.25 2007.75 2008.25 2008.75
[mm]
Δx (GPS B)
-3.0
-2.0
-1.0
0.0
1.0
2.0
3.0
2007.25 2007.75 2008.25 2008.75
[mm]
residui (modello - GPS B)
-3.0
-2.0
-1.0
0.0
1.0
2.0
3.0
2007.25 2007.75 2008.25 2008.75
[mm]
residui (modello - GPS C)
-5
-2.5
0
2.5
5
2007.25 2007.75 2008.25 2008.75
[mm]
Δx (GPS C)

22. SUPPORTO ALLE DECISIONI:
-5
-2.5
0
2.5
5
2007.4 2007.6 2007.8 2008.0 2008.2 2008.4 2008.6
[mm]
stazione B
-5
-2.5
0
2.5
5
2007.4 2007.6 2007.8 2008.0 2008.2 2008.4 2008.6
[mm]
stazione C
osservazioni che non passano il test

23. SUPPORTO ALLE DECISIONI (2):
-4
-3
-2
-1
0
1
2
2009.38 2009.42 2009.46 2009.50 2009.54
[mm]
stazione B
-4
-3
-2
-1
0
1
2
2009.38 2009.42 2009.46 2009.50 2009.54
[mm]
stazione C

24. CONCLUSIONI:
• I sistemi GNSS sono validi nell’ambito del monitoraggio strutturale
• La possibilità di automatizzare la misura, la validazione del dato e la
sua analisi permettono un controllo “in continuo” affidabile
• Si può ridurre la frequenza di campagne di controllo topografico
classico
• I costi di monitoraggio possono essere notevolmente abbattuti
• Non è necessario disporre del top di gamma per raggiungere le
precisioni utili al controllo di deformazioni lente

25. CONCLUSIONI (2):
• E’ pensabile estendere l’esperimento anche a strutture diverse da
una diga
• La componente altimetrica della misura GPS è ancora troppo poco
precisa rispetto le precisioni richieste dal monitoraggio strutturale
in direzione verticale (ad esempio subsidenze)
• La scelta dei punti di riferimento va valutata con accortezza
• Le stazioni reference devono essere almeno 2 per un controllo
reciproco
• La serie temporale dei fenomeni “causa-effetto” non può essere
troppo limitata esp solo L1

26. Grazie per l’attenzione