Bridge natural frequencies identification based on low-cost wireless sensors measurements

The aim of this thesis work is the development of a study concerning the feasibility of implementing wireless sensor nodes for the structural monitoring of a steel truss bridge. "Synthesis and evaluation of algorithms for the modal analysis of large-scale structures. The activity will concern mainly the post-processing of the data acquired from the sensor network, the validation of the algorithms that will be developed to analyze the experi- mental data and the possibility to implement such algorithms on board. Another goal of this work will be the improvement of the features of the wireless sensor (communication, energy saving logic, measurement performance, etc.)". The thesis work is subdivided into five sections. Chapter.1 is a state-of-the-art review concerning Operational Modal Anal- ysis (OMA), in particular some assumptions and requirements about the system under analysis are presented alongside four identification methods used: Peak Picking and Fre- quency Domain decomposition defined in the domain of the frequencies and Stochastic Subspace Identification method in its two form SSI Covariance and SSI Data defined in time domain. The chapter reports the theoretical description of the methods and their tuning, then provides a description of the achievable results and target results. Since the thesis work is related to two main concepts: OMA and the sensory system Chapter.2 is a state-of-the-art review of wireless sensors and data acquisition system. It provides a de- scription of the requirements, topology and the most common wireless acquisition system available. A portion of this chapter is dedicated to the comparison with standard cabled acquisition systems. Chapter.3 provides a description of the structure under analysis, the actual acquisition system and algorithms implemented. Chapter.4 is divided into two parts: the first is the description of the first setup, regarding the disposition of the sensors, the performance of the acquisition system and the presentation of the results. Then the second setup is presented that is designed as an improvement over the first one, taking into account all previous considerations. After the extensive analysis of the new setup Chapter.5 is dedicated to further improvement and the overall conclusion of the work.

Lo scopo di questo lavoro di tesi è lo sviluppo di uno studio riguardante la fattibilità dell’utilizzo di sensori wireless per il monitoraggio strutturale di un ponte reticolare in acciaio. "Sintesi e valutazione di algoritmi per l’analisi modale di strutture su larga scala. Il l’attività riguarderà principalmente la post-elaborazione dei dati acquisiti dalla rete di sensori, la validazione degli algoritmi che verranno sviluppati per analizzare i dati sper- imentali e la possibilità di implementare tali algoritmi a bordo. Un altro obiettivo di questo lavoro sarà il miglioramento della le caratteristiche del sensore wireless (comuni- cazione, logica di risparmio energetico, prestazioni di misurazione, ecc.)". Il lavoro di tesi è suddiviso in cinque sezioni. Il Capitolo.1 è una revisione dello stato dell’arte rel- ativa all’Analisi Modale Operativa in particolare vengono presentati alcuni presupposti e requisiti sul sistema in analisi insieme a quattro metodi di identificazione utilizzati: Peak Picking e Frequency Domain decomposition definiti nel dominio delle frequenze e metodo Stochastic Subspace Identification nelle sue due forme Covarianza SSI e Data SSI definiti nel dominio del tempo. Il capitolo riporta la descrizione teorica dei metodi e la loro messa a punto, quindi fornisce una descrizione dei risultati ottenibili e dei risul- tati desiderati. Dal momento che il lavoro di tesi è correlato a due concetti principali: OMA e sistema sensoriale, il Capitolo.2 è una revisione sullo stato dell’arte dei sensori wireless e del sistema di acquisizione dati. Fornisce una descrizione dei requisiti, della topologia e dei sistemi di acquisizione wireless più comunemente disponibili. Una parte di questo capitolo è dedicata al confronto con i sistemi di acquisizione standard cablati. Il Capitolo.3 fornisce una descrizione della struttura in analisi, dell’effettivo sistema di acquisizione e degli algoritmi implementati. Il Capitolo.4 è diviso in due parti: la prima è la descrizione del primo setup, riguardante la disposizione dei sensori, le prestazioni del sistema di acquisizione e la presentazione dei risultati. Quindi viene presentata la sec- onda configurazione progettata come un miglioramento rispetto alla prima tenendo conto di tutte le considerazioni precedenti. Dopo l’ampia analisi del nuovo setup, il Capitolo.5 è dedicato all’ulteriore miglioramento e alla conclusione complessiva del lavoro.