Politecnico di MilanoFacoltà di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale

Corso di laurea specialistica in Ingegneria Civileor. Rilevamento e Controllo

Anno Accademico 2008/2009

MONITORAGGIO STRUTTURALECON TECNICHE GPS:

IL CASO DELLA DIGA CIXERRI

Carlo De Gaetanimatr. 721997

Relatore: prof. Livio Pinto (D.I.I.A.R.)Co-relatore: prof. Riccardo Barzaghi (D.I.I.A.R.)Contro-relatrice: prof.ssa Laura Comi (D.I.S.)

IL CONTROLLO DELLE STRUTTURE:

Perchè è importante?

• Invecchiamento fisiologico dei manufatti• Eventi naturali (frane, sismi, subsidenze)• Cattivi criteri di costruzione

sono i fattori che modificano il comportamento “standard” in

sicurezza delle grandi strutture civili

PRINCIPALI MODALITA’ DI CONTROLLO:

• Ispezioni visive

• Monitoraggio strumentale

• Indagini – prove

MONITORAGGIO STRUMENTALE:

L’evoluzione tecnologica ha permesso l’utilizzo di sensori sempre più affidabili:

a lettura diretta con trasduttore elettrico intelligente

uscita analogicaproporzionale allagrandezza rilevata

verifica “interna”della validità strumentale della misura

pre-elaborazione della misura

uscita digitale elaborata e validata

lettura direttadella misura della grandezza

QUALCHE DATO:In Italia sono ancora poche le dighe munite di

sistemi automatici di controllo:

dighe gestite 1996 2000

• ENEL 289 99 121

• AUTOPRODUTTORI 42 18 23Edison, Acea, AEM Milano,AEM Torino, Italcementi, ecc.

• IRRIGUO/POTABILE 42 6 18Romagna Acque, C. Terre Apulia,C. Vallo Lucano, Ente Puglia Lucania,Ente Flumendosa, AMGA Genova, ecc.

tot dighe = 373 33% 43%fonte: ITCOLD – Comitato Nazionale Grandi Dighe, Dr. Ing. Giovanni Ruggeri, “La sicurezza delle dighe attraverso il monitoraggio”

INVASO STADIE REGISTRATORI BILANCEMETEO REGISTRATORI SU CARTA SENSORI CON TRASDUTTORE

TEMPERATURE TERMORESISTENZE

SPOSTAMENTICOLLIMAZIONI-TRIANGOLAZIONI DISTANZIOMETRO COLLIMATORE AUT.

PENDOLI TELECOORDINOMETRI TELECOORDINOMETRILIVELLAZIONI LIVELLOMETRI

SOTTOPRESSIONI MANOMETRI-SONDE PIEZOMETRIROTAZIONI CLINOMETRI LIVELLOMETRI

DEFORMAZIONI CLS ESTENSIMETRI ELETTRICIPERDITE MISURA MANUALE STRAMAZZI E MISURATORI DI LIVELLO

SPOSTAMENTI PROFONDI COMPARATORI ESTENSIMETRI A LUNGA BASE  1960 1970 1980 1990 2000

SENSORI DI MISURA NEL MONITORAGGIO DI UNA DIGA:

INVASO STADIE REGISTRATORI BILANCEMETEO REGISTRATORI SU CARTA SENSORI CON TRASDUTTORE

TEMPERATURE TERMORESISTENZESPOSTAMENTI

COLLIMAZIONI-TRIANGOLAZIONI DISTANZIOMETRO COLLIMATORE AUT.PENDOLI TELECOORDINOMETRI TELECOORDINOMETRI

LIVELLAZIONI LIVELLOMETRISOTTOPRESSIONI MANOMETRI-SONDE PIEZOMETRIROTAZIONI CLINOMETRI LIVELLOMETRIDEFORMAZIONI CLS ESTENSIMETRI ELETTRICI

PERDITE MISURA MANUALE STRAMAZZI E MISURATORI DI LIVELLOSPOSTAMENTI PROFONDI COMPARATORI ESTENSIMETRI A LUNGA BASE  1960 1970 1980 1990 2000

fonte: ITCOLD – Comitato Nazionale Grandi Dighe, Dr. Ing. Giovanni Ruggeri, “La sicurezza delle dighe attraverso il monitoraggio”

Global Navigation Satellite System:

• È basato sui sistemi GPS (USA), GLONASS (RUS) e GALILEO (UE, in via di sviluppo)

• Stima continuativa delle 3 coordinate spaziali dei punti

• Non è necessaria intervisibilità tra i punti di riferimento ed i punti di controllo

• Errori accidentali ridotti

La precisione di stima è confrontabile con quelladegli strumenti topografici classici?

GNSS:

Si può pensare ad un suo utilizzo per misurare:

• Spostamenti di ponti e viadotti

• Spostamenti di sbarramenti artificiali

• Stabilità di versanti

LA DIGA CIXERRI:

Località: Genna Is Abis (CA)

Anno di costruzione: 1990

Tipologia: A gravità, conci in CLS

Volume di invaso: 24,41 milioni di m3

Volume di regolazione: 24 milioni di m3

Volume totale: 32 milioni di m3

Lunghezza: 1295 m

Altezza: 26 m

Quota s.l.m.: 42,5

IL SISTEMA DI MONITORAGGIO GNSS INSTALLATO SULLA DIGA:

Tipologia: Doppia frequenza (L1L2)

Numero di canali:

12 (L1) + 12 (L2), 20 Hz

Range di temp. Da -40°C a +65°C

Antenna : Leica AX1202

Dimensioni: 16,7 cm x 12,3 cm x 4 cm

Peso: 0,8 kg

IL SISTEMA DI MONITORAGGIO GNSS INSTALLATO SULLA DIGA (2):

l’acquisizione presa in considerazione è stata dal giugno 2007 al luglio 2008

SERIE TEMPORALI GNSS, dir. x:

2007.4 2007.9 2008.4 2008.9-6

-4

-2

0

2

4

6

delta x (A)

[mm

]

2007.4 2007.9 2008.4 2008.9-6

-4

-2

0

2

4

6

delta x (B)

[mm

]

2007.4 2007.9 2008.4 2008.9-6

-4

-2

0

2

4

6

delta x (C)

[mm

]

2007.4 2007.9 2008.4 2008.9-6

-4

-2

0

2

4

6

delta x (D)[m

m]

SERIE TEMPORALI GNSS, dir. y:

2007.4 2007.9 2008.4 2008.9-6

-4

-2

0

2

4

6

delta y (C)

[mm

]

2007.4 2007.9 2008.4 2008.9-6

-4

-2

0

2

4

6

delta y (D)[m

m]

2007.4 2007.9 2008.4 2008.9-6

-4

-2

0

2

4

6

delta y (B)

[mm

]

2007.4 2007.9 2008.4 2008.9-6

-4

-2

0

2

4

6

delta y (A)

[mm

]

ANALISI DI STABILITA’ DI REF1:

2007.4 2007.5 2007.6 2007.7 2007.8 2007.9 2008-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

spostamenti di REF1 rispetto REF2

delta y (REF1) delta x (REF1)

[mm

]

CONFRONTO CON I PENDOLI:

2007.4 2007.9 2008.4 2008.9-6

-4

-2

0

2

4

6

stazione B

delta x GPS delta x PENDOLI

[mm

]

2007.4 2007.9 2008.4 2008.9-6

-4

-2

0

2

4

6

stazione C

delta x GPS delta x PENDOLI

[mm

]

0

10

20

30

0

10

20

30

-6

-3

0

3

6

MODELLI DI COMPORTAMENTO: STATISTICO DETERMINISTICO

misuraspostamenti

analisi di correlazionestatistica

modello

misura variazionefenomeni ambientali

analisi adelementi finiti

modello

misura variazionefenomeni ambientali

0

10

20

30

-6

-3

0

3

6

-6

-3

0

3

6

MODELLI STATISTICI VS DETERMINISTICI:

Modelli statistici• Semplicità di realizzazione• Semplicità di uso• Buoni risultati• Idonei per il controllo di

qualsiasi grandezza “effetto”• E’ necessario disporre delle

serie cronologiche sia delle grandezze “causa” sia di quelle “effetto” per un significativo periodo di tempo

Modelli deterministici• Correlazione tra grandezze

“causa” ed “effetto” determinata tramite analisi strutturale

• Maggiore impegno per la realizzazione

• Anche per situazioni non sperimentate nel passato

• E’ necessaria un’adeguata conoscenza delle caratteristiche dei materiali costituenti la diga e le fondazioni

ANALISI GRANDEZZE “CAUSA-EFFETTO”:

2007.4 2007.9 2008.4 2008.90

5

1015

2025

30

35

temperatura

aria (media) acqua (primi 5 m)

[°c]

2007.4 2007.9 2008.4 2008.9-5-4-3-2-1012345

spostamenti in direzione x

spalla coronamentro Polynomial (spalla coronamentro)

[mm

]

CROSS-CORRELAZIONE ΔX-ΔT:

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 400.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0

funzione di cross-correlazioneΔx staz. A - ΔT aria

τ [gg]

ρdef

(x) -

T ar

ia

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 400.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0

funzione di cross-correlazioneΔx staz. A - ΔT acqua

τ [gg]

ρdef

(x) -

T ac

qua

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40-1.0-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10.0

funzione di cross-correlazioneΔx staz. B - ΔT aria

τ [gg]

ρdef

(x) -

T ar

ia

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40-1.0-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10.0

funzione di cross-correlazioneΔx staz. B - ΔT acqua

τ [gg]

ρdef

(x) -

T ac

qua

Δx vs ΔT aria Δx vs ΔT acquaρ MAX ρ MAX

stazione A 66 %94 %

77 %94 %stazione B

MODELLO DETERMINATO CON LE MISURE DEI PENDOLI:

2007.25 2007.75 2008.25 2008.75-5

-2.5

0

2.5

5

Δx (C5)

[mm

]

2007.25 2007.75 2008.25 2008.75-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

residui (modello - C5)

[mm

]

2007.25 2007.75 2008.25 2008.75-5

-2.5

0

2.5

5

Δx (C43)

[mm

]

2007.25 2007.75 2008.25 2008.75-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

residui (modello - C43)[m

m]

ΔXi=a+bti+Asen(ω1ti) +Bcos(ω1ti) +Csen(ω2ti) +Dcos(ω2ti)

comp. lineare comp. periodicaT=1 anno

comp. periodicaT=0,5 anni

MODELLO VS GNSS:

2007.25 2007.75 2008.25 2008.75-5

-2.5

0

2.5

5

Δx (GPS B)

[mm

]

2007.25 2007.75 2008.25 2008.75-3.0

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

residui (modello - GPS B)

[mm

]

2007.25 2007.75 2008.25 2008.75-3.0

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

residui (modello - GPS C)[m

m]

2007.25 2007.75 2008.25 2008.75-5

-2.5

0

2.5

5

Δx (GPS C)

[mm

]

SUPPORTO ALLE DECISIONI:

2007.4 2007.6 2007.8 2008.0 2008.2 2008.4 2008.6 2008.8-5

-2.5

0

2.5

5stazione B

[mm

]

2007.4 2007.6 2007.8 2008.0 2008.2 2008.4 2008.6 2008.8-5

-2.5

0

2.5

5stazione C

[mm

]

osservazioni che non passano il test

SUPPORTO ALLE DECISIONI (2):

2009.38 2009.42 2009.46 2009.50 2009.54-4

-3

-2

-1

0

1

2stazione B

[mm

]

2009.38 2009.42 2009.46 2009.50 2009.54-4

-3

-2

-1

0

1

2stazione C

[mm

]

CONCLUSIONI:• I sistemi GNSS sono validi nell’ambito del monitoraggio strutturale

• La possibilità di automatizzare la misura, la validazione del dato e la sua analisi permettono un controllo “in continuo” affidabile

• Si può ridurre la frequenza di campagne di controllo topografico classico

• I costi di monitoraggio possono essere notevolmente abbattuti

• Non è necessario disporre del top di gamma per raggiungere le precisioni utili al controllo di deformazioni lente

CONCLUSIONI (2):• E’ pensabile estendere l’esperimento anche a strutture diverse da una

diga

• La componente altimetrica della misura GPS è ancora troppo poco precisa rispetto le precisioni richieste dal monitoraggio strutturale in direzione verticale (ad esempio subsidenze)

• La scelta dei punti di riferimento va valutata con accortezza

• Le stazioni reference devono essere almeno 2 per un controllo reciproco

• La serie temporale dei fenomeni “causa-effetto” non può essere troppo limitata esp solo L1

Grazie per l’attenzione