Monitoring of large steel structures : the roof of the G. Meazza stadium

The roof of the stadium G. Meazza, situated in Milan, is composed of a holding structure, identifiable from red iron beams, and by a held structure. The latter is made of multiple rafts which are linked to the former by friction bolted joints. The thesis identifies these as the critical points of the structure, whose damage would have serious consequences on the stability of the structure. Three are the events which indicate a deterioration of the joint: a loosening of any bolts, a burst of the latter, which is an impulsive event, and the slippage of the members of the joint. A global monitoring system can detect only the last two. The available sensors are inclinometers, whose dynamic characterization, done both with an electromagnetic shaker and a dynamometric hammer as input, with a high sensitivity accelerometer as reference, reveals that they are inaccurate to measure absolute accelerations in the vertical direction, but they are up to detect dynamic events both in time and in frequency domain. The inaccurate measure of acceleration does not let to use the data of a previous simulation of the burst of a bolt on the structure because the sensor used were accelerometer. So, the monitoring technique which can be employed is unsupervised. The characterization helps in this because it allows saying that inclinometers are able to discriminate between the normal condition and the anomalous event of the burst of a bolt. Thus, it is possible to have an index of damage linked to the novelty detection, which is at the core of an unsupervised technique. The step forward of this word is to individuate the spurious effect, due to environmental conditions, which influences the variability of the inclination and that can hide the changes of the balance of a raft, due to a damage. The temperature is a parameter which mainly influences the inclination. Thus, a linear regression model with temperature is found for each channel for a future compensation. The results of the modelling are 64 candidates channels to be compensated, if the higher uncertainty on the value of the slope of the linear fitting, for 28 of them, due to either a single or multiple violations to the hypotheses of the least squares method, is accepted. Beyond this, the work deal with understanding if there is any relationship between the data coming from the inclinometer and the structural type of the raft, in order to have a redundancy of data. Unfortunately, none is found. Furthermore, the thesis let to use the sensitivity of the inclinometers to dynamic events in the study of some football matches; in fact, it is possible, firstly, to see the natural frequencies of each raft, from a hour before the starting of the match to its end. Furthermore, it is possible to detect both broad band excitations at the moment of fouls and of the consecutive free kicks and excitations created by the synchronized movement of supporters, probably during chants. Finally, an attempt is done to set thresholds, based on the statistical observation of tiltmeter data, that can be used for anomalies detection in the structure: a first index is used to reveal any impulsive events, while a second one for any variation in the balance of the rafts.

Il tetto dello stadio G. Meazza, che si trova a Milano, è composto da una struttura portante, identificabile da travi di acciaio rosse, e da una struttura portata. Quest’ultima è costituita da molteplici zattere che sono collegate alla prima da giunzione bullonate ad attrito. La tesi identifica questi come i punti critici della struttura, il cui danneggiamento avrebbe serie conseguenze sulla sua stabilità. Tre sono gli eventi che indicano un loro deterioramento: un allentamento dei bulloni, la loro rottura di schianto, che è un evento impulsivo, e lo slittamento dei membri del giunto. Un sistema di monitoraggio globale può rilevare gli ultimi due. I sensori disponibili sono inclinometri, la cui caratterizzazione dinamica, fatta sia con uno shaker elettromagnetico e con un martello dinamometrico come input, con riferimento un accelerometro ad alta sensibilità, rileva che sono inaccurati a misurare accelerazioni assolute in direzione verticale, ma sono in grado di rilevare eventi dinamici sia nel dominio del tempo che in quello delle frequenze. L’inaccurata misura dell’accelerazione non permette di usare i dati di una precedente simulazione della rottura di schianto di un bullone sulla struttura perché i sensori utilizzati erano accelerometri. Quindi la tecnica di monitoraggio che può essere utilizzata è del tipo non supervisionata. La caratterizzazione viene in aiuto perché permette di sostenere che gli inclinometri siano capaci di discriminare tra le normali condizioni e la rottura di schianto di un bullone. Quindi, è possibile avere un indice di danno legato alla novità di un’osservazione, che è il cuore di una tecnica non supervisionata. Il passo successivo di questo studio è di individuare gli effetti spuri che influenzano la variabilità dell’inclinazione e che possono nascondere i cambiamenti dovuti alla variazione di assetto di una zattera, in seguito a un danneggiamento. Tra i fenomeni ambientali, la temperatura è un parametro che influisce maggiormente sull’inclinazione. Perciò, si è cercato un modello di regressione lineare tra l’inclinazione e la temperatura per ogni canale, per poi poter compensare l’effetto. Il risultato della modellazione porta ad avere 64 canali candidabili ad essere compensati, se si accetta una maggiore incertezza nel valore della pendenza della regressione lineare per 28 di essi per via di una o più violazioni alle ipotesi del metodo ai minimi quadrati. Oltre ciò, l’indagine si è occupata di cogliere una possibile relazione tra i dati provenienti dall’inclinometro e la tipologia strutturale della zattera, per ottenere una ridondanza di dati. Purtroppo, non se ne è trovata alcuna. Inoltre, la tesi ha permesso utilizzare la sensibilità degli inclinometri agli eventi dinamici nello studio di alcune partite di calcio; infatti, è possibile, innanzitutto, vedere le frequenze naturali di ogni zattera, da un’ora prima dell’inizio di una partita di calcio alla sua fine. Oltre ciò, è possibile rilevare sia eccitazioni a larga banda, al momento di falli e delle consecutive punizioni, che eccitazioni create dal movimento sincronizzato dei tifosi, probabilmente durante i cori. Infine, si è fatto un tentativo di settaggio di soglie, sulla base dell’osservazione statistica dei dati provenienti dagli inclinometri, che possono essere usate per il rilevamento di anomalie nella struttura: un primo indice viene usato per rilevare un qualsivoglia evento impulsivo e un secondo per una variazione nell’assetto delle zattere.