Applications of OMA techniques in civil engineering: automatization of methods for long-term monitoring of structures

Evolution of technologies both in the fields of in situ investigations and Finite Element modeling strongly enhanced the possibility to understand the dynamic behavior of structures, allowing a periodic or continuous analysis of their response to environmental, anthropic, and exceptional actions and the formulation of accurate hypotheses about their future behavior, which is fundamental for ensuring their safety. In particular, this thesis is focused on the application of a non-destructive methodology for structural health assessment which has become quite popular nowadays, which is based on the acquisition of vibrational data and the extraction of the modal parameters applying Operational Modal Analysis techniques. These methods result very effective and also very suited in case of historic masonry structures, due to the non-invasiveness and cheapness of the instrumentation necessary for the monitoring activity. Different examples of operational modal analysis applied for the evaluation of the health state of concrete and masonry structures are proposed into this work in order to highlight the potentiality of method. Moreover, they constitute the basis for the main theme of the thesis, which is the acquisition and interpretation of the results of over one year of continuous monitoring of the two symmetrical bell towers of the Cathedral of Santa Maria Annunziata of Camerino (Central Italy). The monitoring activity target is the evaluation of the dynamic behavior of the two towers after the damages occurred during the seismic events of 2016 and the consequent reinforcement interventions. The experimental data are acquired in continuous using four triaxial MEMS accelerometers installed, two for each structure, on two opposite corners of the bell cells. Data processing is managed with an automatic system, purposely implemented in Matlab© environment, which elaborates the time histories and executes OMA analysis to track the modal characteristics of the structures and their evolution in time. Correlation with environmental factors allows to discern the effect of climatic conditions on the variations of modal frequencies and damping.

L'evoluzione tecnologica, sia nel campo delle indagini in situ che della modellazione agli elementi finiti, ha fortemente aiutato nella comprensione del comportamento dinamico delle strutture, consentendo un'analisi periodica o continua della loro risposta ad azioni ambientali, antropiche ed eccezionali e la formulazione di previsioni accurate sul loro comportamento futuro, aspetti fondamentali per garantirne la sicurezza. Questa tesi, in particolare, si concentra sull'applicazione di una metodologia non distruttiva per la valutazione della salute strutturale che è diventata molto popolare oggigiorno, basata sull'acquisizione di dati vibrazionali e sull'estrazione dei parametri modali tramite l’applicazione delle tecniche identificative dell’Analisi Modale Operativa. Questi metodi risultano molto efficaci e molto adatti anche nel caso di strutture murarie storiche, per la non invasività e l'economicità della strumentazione necessaria per l'attività di monitoraggio. In questo lavoro vengono proposti diversi esempi di analisi modale operativa applicata per la valutazione dello stato di salute delle strutture in calcestruzzo e muratura al fine di evidenziare le potenzialità del metodo. Inoltre, costituiscono la base per lo sviluppo di quello che è il tema principale della tesi, ovvero la raccolta e l’interpretazione dei dati derivanti da oltre un anno di monitoraggio continuo dei due campanili simmetrici della Cattedrale di Santa Maria Annunziata di Camerino (Italia centrale). L'obiettivo dell'attività di monitoraggio è la valutazione del comportamento dinamico delle due torri a seguito dei danni avvenuti durante gli eventi sismici del 2016 e dei conseguenti interventi di rinforzo. I dati sperimentali vengono acquisiti in continuo utilizzando quattro accelerometri MEMS triassiali installati, due per ogni struttura, su due angoli opposti delle celle a campana. L'elaborazione dei dati è gestita con un sistema automatico, appositamente implementato in ambiente Matlab©, che elabora le cronologie ed esegue analisi OMA per tracciare le caratteristiche modali delle strutture e la loro evoluzione nel tempo. La correlazione con i fattori ambientali permette di discernere l'effetto delle condizioni climatiche sulle variazioni delle frequenze modali e dello smorzamento.