Controllo delle strutture e strumenti low cost

Integrated monitoring system are used to verify the evolution of deformations in both existing and new structures. The value of deformations are usually compared to a threshold of concern and to a threshold of alarm, after which project activities to limit and contain strains must be initiated. The first part of the thesis deals with the integrated monitoring of an under construction structure, an ungrounded park in Mestre. "Integrated" is here to be intended as the coexistence of different types of survey techniques and methods that complete and integrate each other in order to validate the data obtained in different ways. The second part of the thesis illustrates the development of a new instrument system that can be used alongside some tools and methodologies adopted in the integrated monitoring system. Given the size of the excavation to be done, it was necessary to define a plan for monitoring the possible deformations on two tall buildings facing north and south of the project area, as well as on the structure itself. The data, obtained from different independent measurement systems, have been used to control one the others. Through the structural analysis, significant points to be monitored were identified, both on the two buildings and on the structure itself. It was also taken into account the possibility of a real-time control on the measurement system and on some parameters to perform changes if necessary. The system allows the monitoring of the structural efficiency in the construction phase and even during the life of the structure. The performed controls are geodetic and topographic controls of the new and old buildings, the acquisition of the stress/strain tensors, inclinometers on some part of the structure and piezometers within and outside the excavations. The thesis deals in particular with the classical topographic measurements and automatic measurements with inclinometers. The topographic techniques adopted are geometric leveling of high precisions and the survey of some significant points on the structure and on the buildings. The former allows the determination of any vertical displacement on the two tall buildings. Most of the points showed a negative trend, in particular during the excavation of the unground part of the parking, then they almost return to the initial value, after the critical phase of the excavation. The points surveyed during the construction were placed both on the buildings and on the structure itself. The points on the buildings were determinate using the method of intersection from two points inside the building site. All the topographic surveys were carried out with a total station Leica TCA 2003. With the three dimensional coordinates of the points, the distance between corresponding target were calculated, and this value have been compared in different subsequent acquisitions that occurred before and after the excavations. The difference on the calculated distances are between 0.2 and 1 cm. This difference is due in large part to the lack of precision of the type of target used and to their placement on the paneling of the building, which are more subject to deformations according to climate changes. The coordinates of the points on the structure were determinate using a topographic network inside the building site. The points were placed during the foundation of the unground part of the parking, in the panels of the containing walls. The distance between corresponding points were calculated through the 3d distance formula, starting from the coordinates of any point, using a software developed in Delphi 7, which calculate the distance and the standard deviation on the result. The value of the distance acquired in different subsequent acquisition have been compared and correlate to the observed environmental parameteres. In fact, these distance measurements are indirect, as they are derived from angular observations and cannot be directly related with temperature, humidity and barometric pressure. Those parameters do not directly affect the measurement, but the structure itself; this deformation is then read by the calculation of relative distance of the points. The last acquisition system is made of 3 inclinometers biaxial in the 4 walls of the structure, to measure changes in the inclination with respect to the vertical axe. They allow continuous acquisition: every 2 hours the slope value is record, send to a server and display through a software platform. The data obtained from this system were confronted with the topographic survey on the structure: in this sense the monitoring is intended to be integrated, as the different results are used to confirm the others. The second part of the thesis focuses on the idea to combine the direct measure of the distance with the continuous monitoring, by the developing of an instrument prototype. The components, both hardware and software have been studied, as well as a small processing on the data acquired. The hardware part is Arduino, an open source framework that enables rapid prototyping and is composed of a hardware platform for physical computing, bases on a printed circuit board that integrates a microcontroller pin connected to the input/output ports, a voltage regulator and a USB interface that allows communication with computer. To the board were connected 2 sensors that measure environmental parameters, one for the acquisition of temperature and relative humidity values and one for barometric pressure value. The other hardware component is a Leica Disto D8, which allows continuous measurements, has stated accuracy of ± 1.00 mm and can be connect via Bluetooth to the computer. It is modified to be powered directly from the mains, by using a power supply. There have been several attempts of communications between the system components, trying especially to decode the command strings that the computer sends to the distance sensor for the acquisition and recording of the data, in order to write a software or a procedure that commands at the same time the Disto and the Arduino system. The Leica system is particularly closed and it was not possible to make the two components of the prototype to dialogue: this problem has been solved with the use of multiple software, which, when properly configured, permitted the simultaneous recording of the values to be captured. AutoHotKey, a free and open source utility controls the distance sensor in order to acquire data at the desired frequency. With another routine this data is sent to a MySQL database. The Arduino board is connected to the sensors for temperature, humidity and pressure and it sends via serial a string that contains the three values of the variables. A sketch developed in Processing, a programming language based on Java, links the value of the distance with the environmental parameters and it adds, at the top of the string with the values, the date and time of the acquired data and records the whole string in another page of the database. This software allows setting alert thresholds with the automatic delivery of email or sms when overcome. The values of distance, temperature, pressure and humidity are record on a web page updated in real time where they can be visualized, downloaded and exported. In another web page, the graphics of the trends distance/environmental parameters are display. The last part of the thesis focuses on the treatment of data derived from continuous systems. The first test is on the hypothesis of normal distribution of distance measurement. From this test emerges the need to perform some data snooping on the acquired set of measurements, in order to calibrate the system. The instrumental precision of the laser rangefinder was tested by confront with a topographic survey of the same distance. The distance and the precision (described by the standard deviation) obtained from the rangefinder are comparable to the topographic ones. Other tests have been carried out on the correlation between environmental parameters and distance measurements.

I sistemi di monitoraggio delle strutture sono utilizzati per valutare l’evoluzione delle deformazioni sia nelle strutture esistenti che in quelle da realizzare, rispetto ad una soglia di attenzione e una di allarme, superate le quali devono essere avviate attività progettuali atte a limitare e contenere le deformazioni. La prima parte della tesi tratta il sistema di monitoraggio integrato di una struttura in costruzione, un parcheggio a terra con rimessa interrata a Mestre. In questo caso per “integrato” si intende la coesistenza e la messa a punto di diversi tipi di rilievo che si completano e si integrano a vicenda a verifica e validazione dei dati ottenuti. La seconda parte della tesi illustra la messa a punto delle componenti hardware e software di un nuovo sistema strumentale che possa affiancare, dopo un opportuno processo di ingegnerizzazione, alcune degli strumenti e delle metodologie illustrate. Date le dimensioni dello scavo da eseguire è stato necessario definire un piano di monitoraggio delle possibili deformazioni introdotte in due edifici alti circa 40 metri che si affacciano a nord e a sud dell’area di progetto, oltre che sulla struttura in costruzione. I dati del monitoraggio, ottenuti attraverso sistemi e metodologie indipendenti una dall’altra, sono stati fatti dialogare, in modo da verificare uno i dati degli altri. Attraverso l’analisi strutturale sono stati individuati i punti significativi per il monitoraggio, sia sui due edifici che sulla struttura della rimessa interrata in costruzione. Si è tenuto conto anche della possibilità di controllare in tempo reale alcuni parametri e le condizioni stesse del sistema, per intervenire prontamente al sorgere di criticità. Il sistema consente di controllare l’efficienza strutturale nella fase costruttiva e in alcuni casi anche durante la vita stessa della struttura. I monitoraggi eseguiti sono controlli geodetici e topografici delle nuove e delle vecchie costruzioni, l’acquisizione del tensore tensione/deformazione, l’installazione di inclinometri in alcune parti della struttura e piezometri all’interno e all’esterno del perimetro di scavo. La tesi prende in considerazione in particolare modo le misure topografiche di tipo classico e le misure in automatico con gli inclinometri. Le tecniche topografiche adottate sono la livellazione geometrica di precisione e il rilievo di alcuni punti significativi sulla struttura della rimessa e sugli edifici. La prima ha permesso la determinazione di eventuali spostamenti verticali delle costruzioni prospicienti lo scavo, attraverso il calcolo delle quote di alcuni punti materializzati sulla struttura dei condomini. Il secondo tipo di misure topografiche effettuate è il rilievo di alcune mire posizionate sia sugli edifici che sulla struttura in costruzione. Le coordinate dei punti sugli edifici sono state determinate utilizzando il metodo dell’intersezione doppia in avanti a partire da stazioni all’interno del cantiere. Tutti i rilievi di tipo topografico sono stati effettuati con una stazione totale del primo ordine Leica TCA 2003. Con le coordinate x, y, z dei punti sono state calcolate le distanze tra i target corrispondenti e questi valori, calcolati per diverse campagne di misura prima e dopo lo scavo, sono stati confrontati. Le differenze si assestano tra i 2 e i 6 mm. Questa differenza è dovuta in gran parte alla poca precisione ottenibile con il tipo di target utilizzato e dal posizionamento degli stessi sui pannelli di rivestimento degli edifici, che sono sottoposti più del resto della costruzione agli sbalzi termici. Le coordinate dei punti sulla struttura in costruzione sono state calcolate attraverso una rete topografica all’interno del cantiere stesso. Sono stati posizionati, durante la messa in opera della struttura, 12 porta prisma con fondazione sulle pareti del diaframma. Anche in questo caso, a partire dalle coordinate x, y, z è stata calcolate la distanza tra le pareti prospicenti, attraverso la formula della distanza 3d implementata in un apposito software sviluppato in ambiente di programmazione Delphi 7, che calcola anche lo scarto quadratico medio della distanza tridimensionale. Il valore delle distanze calcolato in diverse campagne di misure è stato anche in questo caso confrontato e correlato ai parametri ambientali misurati. Queste misure sono indirette, cioè derivate da osservazioni angolari e di distanza e non sono direttamente correlabili con la temperatura e gli altri parametri ambientali. La vera grandezza che viene in messa in relazione con la temperatura è in questo caso infatti il movimento stesso della struttura, che viene letto dal calcolo della distanza relativa tra i punti oggetto di monitoraggio. L’ultimo sistema di monitoraggio considerato è di tipo geotecnico: per ogni lato della struttura sono stati inseriti 3 inclinometri per diaframma, per un totale di 12 inclinometri elettrici biassiali, che misurano la variazione di inclinazione rispetto ad una verticale iniziale. Questo tipo di monitoraggio è continuo: ogni 2 ore il valore di inclinazione è inviato e registrato su un server e visualizzato su un monitor attraverso una piattaforma software dedicata. Questo monitoraggio è da considerarsi integrato nel senso che i diversi metodi sono stati fatti dialogare e i risultati ottenuti per via topografica sono serviti per convalidare quanto registrato dagli strumenti di acquisizione in continuo. A questo punto del lavoro è nata l’idea di combinare due diversi sistemi di rilievo: la misura della distanza e il monitoraggio in continuo, arrivando alla messa a punto di un prototipo strumentale. Ne sono state studiate le componenti hardware e software e una prima parte di trattamento dei dati ottenuti. Il componente hardware fondamentale è Arduino, un framework open source che permette la prototipazione rapida e l’apprendimento veloce dei principi fondamentali di elettronica e programmazione. La scheda si basa su un circuito stampato che integra un microcontrollore con pin connessi alle porte di input/output, un regolatore di tensione e un’interfaccia USB che permette la comunicazione con il computer. Alla scheda sono stati connessi due sensori che permettono l’acquisizione dei parametri ambientali, uno per l’acquisizione della temperatura e dell’umidità relativa e l’altro per la pressione. L’ultimo componente hardware è un distanziometro laser Leica Disto D8, che permette l’acquisizione in continuo del valore della distanza e può trasmettere il dato attraverso Bluetooth ad un pc. È stato modificato in modo da poter essere direttamente alimentato dalla rete elettrica. Sono stati fatti diversi tentativi di comunicazione tra i componenti del sistema e si è cercato soprattutto di decifrare le stringhe di comando che il computer invia al distanziometro per l’acquisizione e la registrazione del dato, in modo da poter scrivere una procedura che comandasse nello stesso momento distanziometro e scheda Arduino. Il sistema Leica si è però rivelato particolarmente chiuso e non è stato possibile far comunicare direttamente le due parti hardware del sistema. Il problema è stato risolto attraverso l’uso di più software che, opportunamente configurati, hanno permesso la registrazione simultanea dei valori da acquisire. AutoHotkey è un utility open source che nel sistema controlla il distanziometro, per acquisire il dato di distanza con una cadenza desiderata e inviare il dato a un database MySQL. Alla scheda Arduino sono collegati i sensori per l’acquisizione dei parametri ambientali: questa parte del sistema invia questi dati, tramite seriale, come una stringa di valori separati da una virgola. Uno sketch scritto in Processing, un linguaggio di programmazione basato su Java, unisce il valore della distanza con quelli dei parametri ambientali acquisiti nello stesso momento e aggiunge, all’inizio della stringa, data ed ora di acquisizione, registrando il tutto in un’altra pagina del database. Questo software permetterà di settare direttamente delle sogli di allarme tramite l’invio automatico di email o sms al superamento delle stesse. Il valore di distanza, temperatura, pressione e umidità sono così registrate su una pagina web che viene aggiornata in tempo reale. Qui i dati possono essere visualizzati, scaricati o esportati. In un’altra pagina web, i grafici con gli andamenti distanza/tempo e parametri/tempo sono visualizzati in tempo reale. L’ultima parte della tesi si concentra su un primo trattamento dei dati derivati da un sistema di acquisizione in continuo come quello messo a punto. Il primo test è sull’ipotesi di una distribuzione normale per le misure di distanza ricavate in questo modo. Da questo test è emersa la necessità di mettere a punto una procedura di data snooping che permetta di scartare i valori che si situano al di fuori della tolleranza calcolata. È stata anche testata la precisione strumentale del distanziometro, attraverso il confronto con la determinazione per via topografica della stessa distanza misurata. La distanza e la precisione, descritta dalla deviazione standard, sono comparabili. Altri test sono stati effettuati sulla correlazione tra distanza così calcolata e i parametri ambientali.