Università di Napoli “Federico II” – DIST

In questa interessante applicazione viene descritto il sistema SHM recentemente installato presso l’edificio principale della Facoltà di Ingegneria dell’Università degli Studi di Napoli “Federico II”. Questo edificio è stato per anni al centro della ricerca sperimentale nel campo del monitoraggio strutturale finalizzato alla mitigazione e alla gestione del rischio sismico. L’edificio è infatti caratterizzato da un rilevante valore architettonico e si trova in prossimità dei Campi Flegrei, un’ampia area vulcanica attiva che genera frequenti sequenze sismiche. Dopo alcuni lavori di ristrutturazione effettuati nell’edificio negli ultimi anni, il vecchio sistema di monitoraggio installato nel 2006 è stato dismesso. Tuttavia, il recente verificarsi di diversi terremoti nella zona associati al bradisismo ha motivato la progettazione e l’installazione di un nuovo sistema di monitoraggio nel 2024.

Fenomeni di degrado, come quelli dovuti all’invecchiamento, a condizioni ambientali severe o alla fatica, e danni indotti da eventi pericolosi, come terremoti, incendi o esplosioni, possono compromettere le prestazioni e la sicurezza delle strutture civili. Il monitoraggio strutturale (SHM) è oggi una tecnologia consolidata per la valutazione a distanza dello stato di salute e delle prestazioni strutturali delle strutture civili. L’obiettivo principale dei sistemi SHM continui è il rilevamento precoce dei danni, in modo da poter adottare contromisure tempestive. Il rilevamento dei danni basato sui modi di vibrare è probabilmente uno degli approcci più diffusi nel monitoraggio strutturale civile, sfruttando lo sviluppo di diversi algoritmi automatizzati di analisi modale operativa (OMA) negli ultimi decenni.

Il rilevamento dei danni basato sui modi di vibrare è molto semplice in linea di principio. Definendo il danno come qualsiasi modifica della struttura che ne influisca negativamente sulla funzionalità o sulla capacità portante, tipicamente associata a variazioni di rigidezza dovute a fessurazioni in strutture in calcestruzzo o muratura, a vincoli esterni e/o interni, è possibile sfruttare la relazione tra le proprietà fisiche della struttura (massa, rigidezza, smorzamento) e i suoi parametri modali. Infatti, considerando che le variazioni delle proprietà fisiche indotte dal danno producono variazioni nelle proprietà modali, l’analisi delle variazioni delle caratteristiche sensibili al danno, definite in termini di parametri modali, può supportare il rilevamento remoto del danno stesso.

I vantaggi e i limiti dell’SHM basato sui parametri modali sono attualmente ben noti. Tra questi ultimi, il più rilevante è la sensibilità delle stime delle frequenze naturali alle variabili ambientali e operative (EOV). Le variazioni delle stime delle frequenze naturali dovute alle variabili ambientali e operative sono spesso dello stesso ordine di grandezza di quelle causate dal danno. Se l’effetto delle variabili ambientali e operative non viene preso in debita considerazione, possono verificarsi errori di tipo I (falsa identificazione) e di tipo II (mancata identificazione), compromettendo seriamente l’affidabilità del rilevamento del danno. Un’efficace compensazione dell’influenza delle variabili ambientali e operative sulle stime delle frequenze naturali è quindi fondamentale in vista dello sviluppo di sistemi SHM.

Ogniqualvolta l’influenza ambientale e operativa sia adeguatamente considerata, i sistemi SHM basati sui parametri modali mostrano un’elevata affidabilità e offrono l’opportunità di identificare anomalie di risposta senza alcuna informazione preventiva sul danno, a condizione che siano disponibili dati di monitoraggio di riferimento associati allo stato di salute della struttura.

La Torre della Facoltà di Ingegneria di Napoli fa parte di un complesso edilizio progettato da Luigi Cosenza in modo da rispettare una continuità tipologica con i blocchi di edilizia popolare preesistenti progettati nel 1949. È costituita da una struttura a telaio in cemento armato di 11 piani, costruita negli anni ’60. Le dimensioni in pianta dell’edificio sono di circa 60 m x 80 m dal piano terra al terzo piano; ai piani superiori le dimensioni in pianta sono di circa 20 m x 80 m. La pianta dell’edificio è inoltre caratterizzata dalla presenza di un vano scala, situato a circa un terzo della dimensione maggiore, e da una leggera rotazione (circa 4°) di questa porzione di pianta più piccola rispetto alla parte restante.

L’edificio è stato recentemente dotato di un sistema SHM continuo basato sui parametri modali, volto a rilevare tempestivamente possibili anomalie strutturali indotte dai frequenti terremoti che si verificano nell’area a causa del bradisismo. Il sistema SHM è costituito da quindici accelerometri con le seguenti caratteristiche tecniche: sensibilità di 10 V/g, fondo scala di ±0,5 g. Dodici accelerometri sono stati installati a coppie agli angoli opposti della pianta dell’edificio, ai livelli 3, 7 e 11, e lungo due direzioni ortogonali, al fine di garantire l’osservabilità dei modi fondamentali flessionali e torsionali. I restanti tre accelerometri sono stati installati in configurazione triassiale al piano interrato dell’edificio e sono finalizzati alla registrazione di possibili input sismici. I sensori sono stati cablati a un sistema di acquisizione dati a 24 bit. I dati di vibrazione vengono raccolti in continuo ed elaborati automaticamente da un computer industriale fanless, installato in un rack al piano interrato. L’acquisizione e l’archiviazione dei dati sono gestite da S2-DDA, mentre la stima e il monitoraggio automatici dei parametri modali della struttura monitorata sono eseguiti da S2-SHM.

Le registrazioni della risposta dinamica dell’edificio, della durata di 1800 secondi, vengono acquisite in continuo a una frequenza di campionamento di 100 Hz e memorizzate in file distinti. Ogni nuovo file viene caricato ed elaborato automaticamente per estrarre le proprietà modali fondamentali dell’edificio. Pertanto, ogni trenta minuti, nuove stime delle proprietà modali fondamentali della struttura vengono estratte automaticamente dalle serie temporali di accelerazione misurate dal software S2-SHM, che mostra anche le serie temporali delle proprietà modali identificate e può essere utilizzato per compensare l’influenza ambientale e per il rilevamento delle anomalie. Oltre all’acquisizione continua dei dati, è stata impostata in S2-DDA un’acquisizione dati basata su soglie per memorizzare i dati relativi a possibili eventi sismici in file separati. I modi fondamentali della struttura sono elencati nella Tabella 1.

Il sistema SHM è entrato in funzione il 12 luglio 2024. In questa sede vengono considerati i risultati del periodo compreso tra il 4 novembre 2024 e il 5 marzo 2025, caratterizzato da una sola interruzione significativa nel periodo compreso tra il 17 e il 18 dicembre 2024, dovuta alla necessità di eseguire alcuni interventi di manutenzione programmata. I risultati del monitoraggio continuo in termini di serie temporali di frequenza naturale e rapporto di smorzamento modale per i tre modi fondamentali sono mostrati in Figura 2.

I grafici in Figura 2 consentono di riconoscere una significativa influenza ambientale e operativa sulle frequenze naturali e, in una certa misura, sui rapporti di smorzamento modale associati. Inoltre, il verificarsi di eventi sismici nell’area, i cui effetti sulla risposta strutturale sono stati registrati anche dal sistema SHM, è evidenziato dalle linee tratteggiate rosse nella stessa figura. La struttura monitorata, infatti, si trova nell’area dei Campi Flegrei, colpita negli ultimi mesi da diversi terremoti di entità lieve o moderata a causa del bradisismo. Pertanto, in questo studio, particolare attenzione è stata dedicata all’analisi dell’andamento delle frequenze naturali per distinguere tra effetti ambientali e operativi, da un lato, e possibili effetti dell’input sismico, dall’altro.

Un calo localizzato nella serie temporale delle frequenze naturali corrispondente al verificarsi di un terremoto è la prima indicazione di un possibile danno strutturale. Tuttavia, osservando le serie temporali delle frequenze naturali in Figura 2 per i principali eventi sismici verificatisi nell’area dei Campi Flegrei durante il periodo di monitoraggio, è possibile riconoscere che non si sono verificati cali evidenti causati dalle azioni sismiche. Tuttavia, variabili ambientali e operative possono mascherare gli effetti di danni minori. Pertanto, è stata effettuata una rilevazione più accurata delle anomalie applicando la Principal Component Analysis (PCA) per compensare tali effetti e rilevare possibili anomalie nella risposta strutturale.

La PCA è una tecnica per la compensazione degli effetti ambientali sui dati di monitoraggio. La PCA mira a proiettare i dati originali nello spazio delle componenti principali e quindi a rimappare solo le componenti principali associate alla maggiore variabilità all’interno dei dati nello spazio originale. La proiezione inversa consente di calcolare la differenza tra i dati originali e i dati ricostruiti. In particolare, la norma L2 dei residui è qui considerata come novelty index (NI).

Con un periodo di addestramento compreso tra il 4 novembre 2024 e il 31 gennaio 2025, la soglia per il rilevamento delle anomalie è stata impostata considerando una probabilità del 5% di superamento dell’NI nel periodo di addestramento. L’andamento temporale dell’NI dopo il periodo di addestramento è mostrato in Figura 3. I risultati mostrano che, a parte alcuni valori anomali che hanno superato la soglia, non si sono verificati cambiamenti significativi nella risposta strutturale a seguito dei terremoti che hanno colpito la struttura. Ciò è coerente con i risultati dei rilievi visivi e delle ispezioni effettuate sulla struttura.

L’acquisizione dati è gestita dall’applicativo software S2-DDA (Software Solution – Dynamic Data Acquisition), mentre l’elaborazione automatica dei dati è eseguita attraverso il software S2-SHM (Software Solution – Structural Health Monitoring).