P.R.I.N. 2005 Metodi e Algoritmi Integrati per la Diagnostica Non Distruttiva di Beni Architettonici Coordinatore scientifico Giuseppe Acciani Durata del programma 24 mesi ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

unità partecipanti/1 BARI (G. Acciani) Tecniche di feature extraction e classificazione di segnali per l'analisi di dati multidimensionali nella diagnostica non distruttiva di beni architettonici CAGLIARI (B. Cannas) Tecniche di Soft Computing per la diagnostica non distruttiva di opere murarie CATANIA (G. Aiello) Sviluppo di un codice a elementi finiti per la diagnostica non distruttiva di beni architettonici mediante onde elettro-magnetiche e/o ultrasoniche ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

unità partecipanti/2 PISA (A. Musolino) Caratterizzazione e identificazione teorico-sperimentale di nuove tecniche di indagine non distruttiva a onde guidate ultrasonore per l’ispezione strutturale di beni architettonici ROMA (R. Parisi) Schiere di sensori per la diagnostica non distruttiva di beni architettonici ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

finanziamenti ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

obiettivi Realizzare un sistema multisensoriale per la DnD di murature in grado di integrare tecniche tradizionali e non tradizionali con metodologie di interpretazione “cooperativa” dei dati acquisiti Sviluppare un sistema integrato di acquisizione dati e gestione delle informazioni e delle conoscenze per evidenziare le specifiche caratteristiche di un’opera muraria Fornire una valutazione dello stato di conservazione dell’opera muraria e classificare e misurare le tipologie di difetti individuate ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

articolazione della ricerca Ottimizzazione di tecniche diagnostiche ND tradizionali e sviluppo di metodologie innovative Indagini soniche ed ultrasoniche e termografia Modellazione di strutture murarie Indagini su sensori scalari e vettoriali (sonico/US) Obiettivo:definire e implementare una procedura di progettazione ottimizzata del sistema trasmissione - ricezione per individuarne caratteristiche e parametri che garantiscano affidabilità e flessibilità diagnostica ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

articolazione della ricerca Integrazione e interpretazione delle informazioni. Diagnosi della struttura Classificazione dei difetti più comuni. Elaborare con tecniche di soft-computing le informazioni ottenute dal sistema multisensoriale Obiettivo: realizzare una procedura di Data Fusion e Decision Fusion per la caratterizzazione diagnostica dello stato della muratura in esame ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

attività svolte al 30/05/07 ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

attività svolte al 30/05/07 Simulazione Bari: Ultrasonico e sonico 2 e 3D Pisa: Ultrasonico e sonico 3D, posizionamento sensori Roma: Analisi propagazione in ambienti riverberanti Cagliari: Sonico 3D, prove per trasparenza Catania: Sviluppo software dedicato ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

Risultati simulazioni Onda Longitudinale Onda trasversale Perturbazione dovuta al difetto Time 9e-5 s – Spostamento – f = 70 kHz Analisi di propagazione di onde elastiche longitudinali Spostamento v - lettura in trasparenza Onda diretta L Eco della parete 3 del difetto Eco di fondo Eco della parete 1 del difetto Eco del difetto in asse Eco del difetto sul bordo Spostamento v - lettura in riflessione Onda diretta T Eco del difetto Eco di fondo ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

Risultati simulazioni Analisi di propagazione di onde elastiche trasversali Senza difetto Con difetto ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

Risultati simulazioni Ambienti riverberanti Esempio di molteplici fronti d’onda individuati da più coppie microfoniche in caso di riverbero. Solo l’intersezione delle direzioni dovute ai cammini diretti individua la zona dove è presente la sorgente acustica Mappa sonora dovuta a sorgente omni-direzionale (in figura è esaminata anche la parte esterna alla stanza, quest’ultima delimitata da righe bianche – in tal modo si evidenziano anche sorgenti immagini, come la parte rossa a destra)   Lunghezza d’onda Frequenze in esame Velocità Propagazione Acustica nell’aria l 0.11 m f  3 kHz v  344 m/s, Propagazione onde elastiche nel calcestruzzo ll  0.16 m ll  0.11 m lt  0.09 m lt  0.06 m f  25 kHz f  35 kHz vl  4000 m/s vt  2200 m/s ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

Risultati simulazioni Analisi numerica metodo di lettura in trasparenza Simulazione della propagazione di un onda elastica nel pilastro senza difetto e con difetti (aria) di dimensione e posizione variabile. Finite Element Method (FEM), modulo LS-DYNA di ANSYS. Emettitore e ricevitore su facce opposte del pilastro (metodo in trasparenza) ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

Risultati simulazioni Sviluppo software dedicato 1/2 Equazioni elasticita’ in mezzo lineare omogeneo e isotropo fv forza per unita’ di volume, r densità di massa volumica; l e m costanti di Lame’. Discretizzazione spaziale: FEM (elementi nodali lagrangiani del I ordine) Integrazione nel tempo: differenze centrali Metodo implicito; viene reso esplicito sostituendo alla matrice M una matrice diagonale M’ costruita a partire da M Il passo di integrazione: dove max e’ la più grande delle radici di det(K-2M’)=0. max puo’ essere stimato usando il teorema di Gerschgorin: ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

Risultati simulazioni Sviluppo software dedicato 2/2 dimensione x della parete 6,00 m dimensione y della parete dimensione z della parete 0,25 modulo di Young 22,0 GPa coefficiente di Poisson 0,15 - densità 2.400 kg/m3 costanti di Lamè 9,560 4,099 frequenza 2,0 kHz velocità dell’onda kms-1 lunghezza d’onda 1,0 numero di macroelementi in una lunghezza d’onda 20 intervallo di simulazione 30 ms passo temporale 5 μs numero di elementi 144000 numero di nodi 35574 ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

Classificazione dati delle Simulazioni attività svolte al 30/05/07 Classificazione dati delle Simulazioni Cagliari: Localizzazione e valutazione dell’estensione di vuoti. Bari: Riconoscimento posizione, orientamento ed estensione di fessure. ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

Classificazione dati delle Simulazioni Dati simulati pilastro: 3 eccitazioni 7 ricevitori per difetto FFT2 MLP Baricentro difetto Dimensioni Diagnosi neurale Le forme d’onda relative al pilastro con difetto vengono organizzate in matrici. FFT 2D: le ampiezze dipendono dalle dimensioni del difetto. Le fasi dipendono dalla posizione. 32 componenti di ampiezza estratte da quelle con la cui ampiezza e’ maggiore del 75% del massimo nella matrice. Struttura del Multi-Layer Perceptron: 32 nodi di ingresso 1 strato nascosto con 10 nodi e funzione di attivazione tangente iperbolica 6 nodi di uscita: 3 coodinate posizione baricentro e 3 dimensioni del difetto. Funzione di attivazione lineare. Addestramento (Levenberg-Marquand) con 70 esempi e 13 test. ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

Classificazione dati delle Simulazioni CLASSE 1 CLASSE 4 CLASSE 10 TRASMETTITORE L’identificazione della posizione del difetto avviene mediante un classificatore statistico che opera sulla base di feature tempo-frequenza (feature extraction – trasformate wavelet) ridotte e selezionate mediante un algoritmo genetico. La posizione del difetto e’ data dall’intersezione tra la circonferenza (curva blu centrata in A) e della ellisse (curva rossa i cui fuochi sono A e B). Le curve rappresentano i luoghi dei punti a tempo di volo costante noti in ricezione. DIFETTO EMETTITORE RICEVITORE A RICEVITORE B ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

attività svolte al 30/05/07 Rilievi Sperimentali Pisa: Misure per riflessione: Rilevazione dell’eco del difetto. Cagliari: Misura per trasparenza: determinazione dei “tempi di volo”. Bari: Misure con termocamera. ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

Rilievi sperimentali Misure degli echi dei difetti Strumentazione Il sistema MsS2020 - SWRI Deformazioni elastiche a frequenza (5÷250 kHz) Trasdutore-Sensore di tipo magnetostrittivo Onde generate: longitudinali, torsionali o di tipo Lamb in strutture cilindriche onde di tipo trasverso in strutture piane Regione ispezionabile: - per condutture in aria: fino a 70-80 m - per strutture planari:  decina di metri quadrati ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

Rilievi sperimentali Misure dei tempi di volo Misura dei tempi di volo per ciascuna coppia emettitore ricevitore Suddivisione del dominio in celle (10x10) Problema inverso: determinare la velocita’ che compete a ciascuna cella Algoritmi utilizzati: Singolar Value Decomp., S V D Regolarizzata, Algebric Reconstruction Tech., Simultaneous Reconstruction Tech., Gradiente Biconiugato Dati simulati Errore 1% 10% Risultati inversione dati sperimentali pilastro sano EMETTITORI RICEVITORI ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

Rilievi sperimentali-Termografia Lo studio in frequenza è stato condotto con la Pulsed Phase Thermography (PPT) I diagrammi di ampiezza e di fase (pari al numero dei frame della misura) sono ottenute valutando la FFT 2D delle immagini termiche acquisite. Si ottengono immagini di fase di zone difettate che sono meno sensibile a disturbi come: riscaldamento non uniforme del campione; riflessioni ambientali; le variazioni di emissività della superficie; la geometria del campione; la profondità del difetto. 1 Compressione dovuta a martellate ripetute. 2 Foro ricoperto da gesso profondo circa 1 cm 3 Distacco di intonaco I termogrammi sono affetti da rumore termico e di contrasto eliminabili con un filtro avente f = 15 n = 1,86°C e kernel 3 pixel. L’analisi del profilo termico ha evidenziato minimi di temperatura in corrispondenza della malta. ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

Elaborazione Dati Misurati attività svolte al 30/05/07 Elaborazione Dati Misurati Pisa: Localizzazione delle sorgenti secondarie (triangolazione). Roma: Analisi dei dati provenienti da schiere di sensori (mappe acustiche della struttura) ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

Elaborazione dati misurati ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

Elaborazione dati misurati Posizione corrente Localizzazione sorgenti secondarie (difetti) Lastra di calcestruzzo assimilata ad un ambiente riverberante in cui i bordi riflettono le perturbazioni elastiche e eventuali difetti agiscono come sorgenti secondarie. Posizione alternativa Risultati delle misure effettuate con 4 coppie di sensori posizionati solo su una faccia della lastra in prossimita’ dei bordi ET 2007, Firenze 30 giugno 2007

attività pianificate Realizzazione di altre strutture murarie strumentate per ulteriori misure Interpretazione cooperativa dei dati acquisiti Implementazione di algoritmi di Data Fusion & Decision Fusion ET 2007, Firenze 30 giugno 2007