Percepire le piccole vibrazioni degli edifici per un veloce monitoraggio

Ad occhio nudo le grandi strutture come edifici e ponti appaiono immobili, non perturbati da forze statiche o quasi statiche a volte di grande intensità come il vento o da cicli di carico e scarico. Eppure in realtà queste grandi strutture sperimentano quotidianamente piccole vibrazioni, seppur impercettibili, che, a seconda della loro frequenza, possono portare a fenomeni di instabilità e risonanza locali o danni strutturali.

I ricercatori del MIT di Boston hanno ora sviluppato una tecnica per captare queste vibrazioni altrimenti invisibili a occhio nudo, combinando video ad alta velocità con tecniche di visione artificiale; questi video potrebbero essere utilizzati per analisi raffinate agli Stati Limite di Esercizio ma soprattutto per ispezioni rapide non invasive senza accedere direttamente al sito.

Come funziona questa tecnica

Normalmente i video ad alta velocità non sono in grado di rilevare vibrazioni così piccole di un edificio. Per fare ciò i ricercatori hanno utilizzato una tecnica di visione artificiale chiamata “motion magnification” per suddividere i fotogrammi ad alta velocità in determinate frequenze. In esperimenti di laboratorio, i ricercatori sono stati in grado di rilevare le piccole vibrazioni di una trave in acciaio e di un tubo in PVC. Le vibrazioni misurate con questa tecnica corrispondono a quelle rilevate con tecniche precise ma costose comunemente utilizzate nel monitoraggio infrastrutturale, come gli accelerometri e la vibrometria laser, tecniche di cui abbiamo già parlato in questo articolo. Oruk Buyukozturk, professore di ingegneria civile e ambientale al MIT, afferma che la motion magnification fornisce un’alternativa più veloce, più economica e non invasiva alle tecniche di monitoraggio esistenti. Nel seguente video è possibile osservare l’esperimento realizzato su una trave in acciaio e un tubo in PVC:

“Questa è una tecnologia che non richiede l’uso di sensori fisici, e quindi può essere utilizzata per applicazioni economiche e veloci non invasive“, afferma Buyukozturk. “A seconda dell’obiettivo è possibile usare la fotocamera del proprio cellulare per lo screening e, se rilevato qualcosa, ci si potrebbe concentrare su di esso con una fotocamera ad alta potenza. Esistono vari livelli di ispezione e non è sempre necessario iniziare con la fotocamera di qualità più elevata. ”

Gli esperimenti in laboratorio

Il team ha condotto esperimenti utilizzando una videocamera Phantom v10 ad alta velocità, misurando le vibrazioni di una trave a sbalzo e di un tubo in PVC dopo averle colpite con un martello. Le misurazioni con la tecnica della motion magnification sono molto simili a quelle effettuate con gli altri sensori. I ricercatori hanno osservato che, senza implementare gli algoritmi, i video ad alta velocità hanno mostrato che sia la trave che il tubo rimanevano apparentemente immobili. Una volta eseguito l’algoritmo sui dati video, tuttavia, hanno osservato una gamma di deformazioni della forma in ciascuna struttura mentre vibravano. Buyukozturk afferma che la tecnica può essere utile sia nel monitoraggio a distanza di edifici e ponti, ma specialmente nel rilevamento delle condotte.

La circonferenza di una condotta è naturalmente simmetrica: se ad esempio c’è un difetto su un lato, essa potrebbe non vibrare nello stesso modo di come farebbe se fosse completamente intatta. In questo caso la vibrazione potrebbe quindi essere un potenziale segnale di danno. Nella figura sopra è presente l’ingrandimento del movimento della vista in sezione trasversale di un tubo in PVC. Utilizzando gli algoritmi i ricercatori hanno esagerato il movimento del tubo a tre frequenze – 480 Hz, 1200 Hz e 2400 Hz – mostrando le prime tre modalità di vibrazione.

Il confronto con le tecniche di monitoraggio moderne

Oggi gli ingegneri controllano tipicamente l’infrastruttura utilizzando gli accelerometri, sensori che misurano direttamente l’accelerazione di un elemento, da cui si può ricavare poi la velocità e, infine, il movimento dello stesso. Gli accelerometri sono molto precisi ma costosi, costano più di 1.000 dollari ciascuno, e un solo accelerometro misura lo spostamento esclusivamente di un singolo punto lungo la struttura. Utilizzare una serie di sensori sparsi lungo l’elemento, oltre che estremamente costoso, potrebbe anche essere inutile, poiché gli accelerometri non possono raggiungere un’alta densità di misurazioni spaziali. Inoltre, poiché gli accelerometri sono solidali alle strutture che monitorano, potrebbero potenzialmente influire sul movimento complessivo, in particolare se una determinata struttura è relativamente leggera.

Un’altra tecnica utilizzata è quella della vibrometria laser, una tecnica senza contatto che espone la struttura a un raggio laser e un’onda acustica, le cui velocità possono essere tradotte per calcolare lo spostamento o il movimento di una struttura. Anche questo metodo è incredibilmente preciso ma, come gli accelerometri, la vibrometria laser richiede molto tempo e misura solo un singolo punto alla volta.

Con la motion magnification invece i ricercatori ipotizzano che potrebbe bastere solo una telecamera ad alta velocità per tracciare rapidamente e facilmente le vibrazioni di tutto l’elemento senza contatto fisico. L’immagine sopra rappresenta l’ingrandimento del movimento di una gru che ondeggia impercettibilmente a causa del vento. Il video originale è a sinistra, mentre quello con movimento amplificato è a destra, con un ingrandimento di 100 volte maggiore nella banda di frequenza da 0,2 Hz a 0,25 Hz.

Le applicazioni nel futuro

Il gruppo prevede di condurre esperimenti di monitoraggio video del Green Building del MIT (Building 54), nonché della John Hancock Tower, della Prudential Tower e del Zakim Bridge di Boston. Buyukozturk sottolinea che rilevare le vibrazioni di un edificio o di un ponte non significa necessariamente che c’è qualcosa di sbagliato. Ogni struttura ha una frequenza fondamentale a cui vibra: conoscerla può dare agli ingegneri un’idea di come una struttura può rispondere a forze come vento e terremoti. “Le persone hanno lavorato al monitoraggio strutturale negli ultimi 30-40 anni, ma non abbiamo ancora un sistema integrato che possa essere utilizzato prontamente per il monitoraggio strutturale di un ponte o di un sistema di tubazioni“, dice Buyukozturk. “Il nostro obiettivo è fare diversi passi avanti verso questo, con nuove metodologie innovative“.

Buyukozturk è coautore dell’articolo, insieme all’autore principale e studente laureato Justin Chen, che compare nel Journal of Sound and Vibration. Gli altri coautori del paper sono lo studente laureato Neal Wadhwa e il postdoc Young-Jin Cha, insieme ai professori di informatica e ingegneria Fredo Durand e William Freeman. Il progetto è stato sviluppato in collaborazione con Dirk Smit e Sergio Kapusta, i principali scienziati di Royal Dutch Shell, uno sponsor del progetto.