Automated OMA and Damage Detection: an Opportunity for Smart SHM Systems

Structural monitoring aims to develop systems that can monitor a structure by allowing its inspection and detection of damage with minimal human intervention. It therefore represents a process of implementing a damage identification strategy through which, by observing a structure with a certain periodicity, it is possible to arrive at an evaluation of specific characteristics of the system, to define its current state of health. Its first application was in fields other than civil engineering. It later became evident that it was a strategy that could be of great help in the control of all civil structures in the area. It can be developed as an autonomous integrated system on big infrastructures with the aim of monitoring the response of the structure under stress during construction to modify designs if necessary. Also, on these types of structures, it can maintain constant control during its life cycle to implement timely interventions. In addition, structural monitoring can be used to monitor the structural health of historical buildings belonging to cultural heritage. We are talking about buildings even of considerable size, built in very distant epochs, the conservation of which is now the focus of many researchers. The case study that is the subject of the present work is the bell tower of a church in the Marche region, Italy, whose historical traces date back to around 1330, with numerous subsequent interventions and remodelling up to the present day. With the technique of structural monitoring, it is possible to assess the dynamic behaviour of the structure through the identification of its main modal. The term 'dynamic identification' of a structure means all those techniques, both analytical and experimental, through which it is possible to identify the dynamic response of the structure itself by extrapolating natural frequencies, corresponding modal shapes and damping coefficients. The work was initially set up by implementing an automatic procedure for processing the output data from the monitoring and thus defining the modal parameters of the structure under examination purifying them from the effects of environmental actions. By removing these external factors from the results, a prediction of the evolution of the modal characteristics can be obtained. Comparing them with the actual behaviour of the structure, any anomalies can be highlighted. Regarding the above, it is nowadays of fundamental importance, to be able to recognise and predict the progressive failure of a structure. This may occur due to natural degradation of materials, or because of unexpected vibrations. Focusing on this concept, the identification of damage based on the evaluation of changes in modal parameters, purified of the influence of external agents, can be a time-consuming process. On the contrary, being able to know almost instantaneously the "new" behaviour of the construction, is an aspect that must be taken into well consideration both for safeguarding people's lives and for the accurate and timely implementation of improvements. In the present work, methods based on the direct processing of data acquired from the continuous monitoring system were used. In this way, the computational burden was reduced. It was not necessary to elaborate the acquired data to extract the modal characteristics of the system, and almost instantaneous feedback of changes in dynamic behaviour was obtained. These aspects are significant when the purpose is to develop "sustainable monitoring" from both an economic and timing perspective.

Il monitoraggio strutturale si propone di sviluppare sistemi che siano in grado di monitorare un’opera permettendone l’ispezione ed il rilevamento dei danni con il minimo intervento antropico. Esso rappresenta dunque un processo di implementazione di una strategia di identificazione dei danni attraverso la quale, osservando una struttura con una determinata periodicità, è possibile pervenire alla valutazione di alcune caratteristiche del sistema, in modo tale da definirne il suo stato attuale di salute. La sua prima applicazione ha interessato campi differenti da quello dell’ingegneria civile. Infatti, era una tecnica impiegata prevalentemente in ambito meccanico, aeronautico e nell’ingegneria aerospaziale. Successivamente è risultato evidente come fosse una strategia che, se correttamente adattata, poteva essere di grande aiuto per il controllo di tutte le strutture civili presenti sul territorio. Può essere sviluppata come un sistema autonomo integrato su grandi infrastrutture (come ponti, dighe, ecc.) con l’obiettivo di monitorare la risposta della struttura sotto delle sollecitazioni durante la costruzione per modificare i progetti se necessario. Sempre su questo tipo di strutture, può mantenere costante il controllo durante il suo arco di vita per attuare tempestivamente interventi prima che possano crearsi situazioni irreversibili e pericolose. Inoltre, il monitoraggio strutturale può essere impiegato, come verrà mostrato in questa tesi, per il monitoraggio della salute strutturale di edifici storici, appartenenti al patrimonio culturale. Questo patrimonio è diffuso in Europa ed in particolare in Italia. Si parla di edifici anche di notevole entità (come grandi chiese), costruite in epoche molto lontane, la cui conservazione è oggi il focus di molti ricercatori. Il caso studio oggetto del presente lavoro è la torre campanaria di una chiesa nelle Marche, in Italia, le cui tracce storiche risalgono a circa il 1330, con numerosi interventi e rimaneggiamenti successivi fino ad arrivare ai giorni nostri. Con la tecnica del monitoraggio strutturale è possibile valutare il comportamento dinamico della struttura (monitorata) attraverso l’identificazione dei suoi principali parametri modali a partire dall’analisi dei dati acquisiti. Con l’espressione “identificazione dinamica” di una struttura si intendono tutte quelle tecniche, sia analitiche che sperimentali, attraverso le quali è possibile appunto individuare la risposta dinamica della struttura stessa andando ad estrapolare frequenze naturali, corrispondenti forme modali e coefficienti di smorzamento. Soffermandoci su questo concetto, il lavoro è stato inizialmente impostato implementando un processo automatico per l’elaborazione dei dati in uscita dal monitoraggio e quindi per la definizione dei parametri modali della struttura sotto esame depurandoli dagli effetti delle azioni ambientali quali temperatura, velocità media del vento ed umidità. Rimuovere questi fattori esterni dai risultati, permette di ottenere una previsione dell’evoluzione delle caratteristiche modali. Dal loro confronto con il comportamento reale della struttura si possono evidenziare eventuali anomalie. In riferimento a quanto appena detto, risulta oggigiorno di importanza fondamentale riuscire a riconoscere e prevedere il progressivo deterioramento di una struttura. Questo può avvenire per naturale degrado dei materiali, o dopo aver subito vibrazioni impreviste (terremoti, esplosioni, ecc). Focalizzandosi su questo concetto, l’identificazione del danno basata sulla valutazione delle variazioni dei parametri modali, depurati dell’influenza di agenti esterni, può essere un processo lungo. Al contrario, poter conoscere quasi istantaneamente il "nuovo" comportamento della costruzione, è un aspetto da tenere bene in considerazione sia per salvaguardare la vita delle persone, sia per attuare in maniera precisa e puntuale interventi di miglioramento. Essere tempestivi in caso di situazioni critiche, permette di evitare di arrivare a condizioni tali per cui è necessario interrompere l’operatività della struttura per molto tempo pur di poterla recuperare, se possibile. Nel presente lavoro si sono utilizzati metodi basati sull’elaborazione diretta dei dati acquisiti dal sistema di monitoraggio in continuo. In questo modo l’onere computazionale è stato notevolmente ridotto. Non è stato necessario elaborare i dati acquisiti per estrarre le caratteristiche modali del sistema e si è ottenuto un feedback quasi istantaneo di variazioni nel comportamento dinamico. Tali aspetti, risultano significativi quando l’obiettivo è di sviluppare un "monitoraggio sostenibile" sia da un punto di vista economico che di tempistiche.