Condition-based structural maintenance of cultural heritage buildings. Continuous monitoring strategies and data fusion

The current Dissertation deals with the application of the Condition-based Structural Maintenance (CSM) of Cultural Heritage (CH) structures. CSM is based on the analysis of diagnostic data continuously collected by a monitoring system. The nearly on-line analysis of the collected structural response provides a near real-time alarm, as the onset of damage patterns is detected. The installation of monitoring systems on CH structures is a promising and non-invasive procedure that assists the understanding of the structural performance based on the actual structural response. Two case studies are adopted to distinguish different data-driven CSM approaches for simple slender CH structures and for complex monumental CH structures, respectively the Santa Maria al Carrobiolo bell-tower, in Monza, and the Milan Cathedral. To perform an effective CSM, the monitoring of static features, describing the local structural behaviour, can be integrated with the monitoring of dynamic features, which depend on the global distribution of stiffness in the buildings. Such integration is especially interesting in the monitoring of complex and monumental buildings, whose dynamic properties may not be sensitive enough to small and localized structural anomalies. The adoption of a data-fusion procedure, based on the heterogeneous Principal Component Analysis over static and dynamic features, aims at enhancing the damage detection procedure.

La presente tesi affronta il tema della manutenzione strutturale basata sulla condizione (Condition-based Structural Maintenance, CSM) delle strutture storiche (Cultural Heritage, CH). La CSM si fonda sull'analisi dei dati diagnostici raccolti in continuo da un sistema di monitoraggio. L'installazione di sistemi di monitoraggio sulle strutture CH è una procedura promettente e non invasiva che aiuta la comprensione della condizione strutturale al fine di identificare prontamente l’insorgere di un danneggiamento; in questo ambito si è soliti distinguere fra monitoraggi statici e dinamici, a seconda della frequenza di campionamento dei dati strutturali raccolti. Il monitoraggio di proprietà quasi-statiche (apertura delle fessure, inclinazione di elementi verticali) è usualmente condotto per descrivere l’evoluzione nel tempo del comportamento strutturale a livello locale, e per monitorare eventuali scenari di danno già presenti. Viceversa, il monitoraggio delle vibrazioni strutturali consente di stimare le proprietà dinamiche dell’opera (ad esempio le frequenze di vibrazione e le deformate modali), le quali sono correlate alla distribuzione globale della rigidezza nell’edificio. La presente tesi studia l’efficacia di una strategia che comprenda il monitoraggio simultaneo delle proprietà quasi-statiche e dinamiche: due distinte strategie di CSM basate su un duplice sistema di monitoraggio (statico e dinamico) sono proposte per strutture relativamente ‘snelle’ e per strutture ‘monumentali’, ed infine esemplificate con riferimento al campanile di Santa Maria al Carrobiolo, a Monza, e del Duomo di Milano. Infine, l'adozione di una strategia di data-fusion mira a migliorare la procedura di identificazione di un danno strutturale, analizzando sia proprietà quasi-statiche che dinamiche in un unico framework. L’integrazione fra monitoraggi statici e dinamici è particolarmente interessante nel caso di edifici complessi e monumentali, le cui proprietà dinamiche possono non essere sufficientemente sensibili ad anomalie strutturali che siano piccole e localizzate.