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Identificazione di segnali da un array sismico per il monitoraggio di frane

Informazioni tesi

  Autore: Simone Franchi
  Tipo: Tesi di Laurea
  Anno: 2003-04
  Università: Politecnico di Torino
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria delle Telecomunicazioni
  Relatore: Marina Mondin, Luigi Sambuelli, Emanuela Falletti,
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 285

I sistemi di monitoraggio dei fenomeni franosi richiedono, nella fase preliminare, la conoscenza del tipo di movimento in atto o potenzialmente possibile nell’area esaminata, in modo da poter selezionare il sistema più efficace; è quindi fondamentale conoscere le caratteristiche geologiche del sito d’interesse. La seconda fase consiste nell’installazione degli strumenti adatti e nell’esecuzione della misure di monitoraggio: queste ultime possono essere eseguite in superficie oppure in profondità.Le misure in superficie più frequenti utilizzano la fotogrammetria terrestre, attraverso cui si determinano le coordinate spaziali di un punto da due immagini dello stesso acquisite da posizioni diverse, le misure topografiche, che permettono di determinare punti isolati o le misure con il GPS, che individua punti isolati con una stazione base di riferimento la cui localizzazione è nota e rispetto alla quale si ottengono le localizzazioni di una o più stazioni in un particolare sistema di riferimento. Le misure degli spostamenti in profondità vengono eseguite utilizzando gli inclinometri,che misurano inclinazioni di tratti di foro introducendo tali strumenti a diverse profondità nel foro stesso. Esiste infine un tipo di misurazione che si occupa della pressione delle acque sotterranee, misurandola attraverso dei piezometri o delle celle piezometriche.
I sistemi di monitoraggio dei fenomeni franosi sono quindi basati generalmente sul rilevamento dei movimenti veri e propri del corpo-frana e sugli spostamenti da esso subiti. Un approccio diverso per il monitoraggio di alcuni tipi di frane consiste invece nel tralasciare i movimenti compiuti dai materiali rocciosi formanti il pendio per focalizzare l’attenzione sui segnali che vengono trasmessi nel terreno nel momento in cui si verifica un fenomeno di frattura nella roccia che potrebbe provocare una frana vera e propria. Si studia quindi la propagazione delle onde sismiche generate in un punto preciso dell’area esaminata con gli strumenti tipici delle indagini sismiche, ovvero geofoni e sismografi. Nella maggior parte dei sistemi oggi funzionanti, però, ci si limita ad analizzare i segnali che superano una soglia di trigger prefissata, considerando un geofono (solitamente triassiale) alla volta e non cercando di stimare da dove arriva il segnale registrato. Così facendo, evidentemente, si perde informazione discriminante e si possono analizzare anche rumori estranei all'evolversi dell'evento franoso. Il sistema proposto (mutuato dagli studi e dalle apparecchiature usate per la localizzazione dei rockbursts in miniere profonde) richiede il posizionamento di almeno quattro geofoni a coprire il perimetro dell’area da esaminare in posizioni le cui coordinate spaziali siano note e di un sismografo in grado di rilevare i segnali trasmessi dai geofoni. Inoltre si tratta di mettere a punto e collaudare un software in grado di risolvere il problema della localizzazione dei precursori di fratture in roccia per poter mettere in sicurezza le zone a rischio nei dintorni della frana stessa. Il software deve elaborare i dati che riceve, forniti dalla strumentazione posta in loco, in tempo reale in modo da restituire rapidamente il valore delle coordinate della posizione dell’evento che saranno così lette e trattate statisticamente e, secondo che siano all’interno od all'esterno dell’area a rischio, intervenire con modalità da specificare. Contestualmente al posizionamento dei sensori è anche richiesta una campagna di misure sismiche volta a definire, nel miglior modo possibile, il campo delle velocità del volume in frana e delle sue immediate adiacenze. Lo studio effettuato pone le basi per lo sviluppo di un modello di sistema di monitoraggio basato su di una rete di sensori (wireless sensor networks).

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POLITECNICO DI TORINO, FACOLTA’ DI INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE, TESI DI LAUREA, INGEGNERIA DELLE TELECOMUNICAZIONI, APRILE 2004 1 Identificazione di segnali da un array sismico per il monitoraggio di frane Autore: Dott. Ing. Simone Franchi 1 Relatori: Prof.ssa Marina Mondin 2 , Prof. Luigi Sambuelli 3 , Ing. Emanuela Falletti 2 I. INTRODUZIONE LO scopo e le finalità di questo lavoro di tesi, sono l'individuazione e lo sviluppo di metodologie e algoritmi di elaborazione di segnali sismici provenienti da una rete (array) di sensori geofisici (geofoni), per il monitoraggio di frane. Tutto questo rientra nel contesto di un sistema di monitoraggio ambientale, il cui scopo è quello di promuovere la difesa del suolo; con tale termine si suole indicare tutta quella serie di interventi e strategie atti a combattere ed affrontare il dissesto idrogeologico. Processi tipici della dinamica terrestre come frane, inondazioni, erosione accelerata del suolo, specialmente quando si manifestano sotto forma di eventi catastrofici, non sempre si possono definire naturali. Se quindi l'uomo è spesso artefice o concausa di questi eventi, ne deriva che la difesa dai rischi idrogeologici, si impone nei termini di previsione, prevenzione e mitigazione. Infatti, è oramai pacificamente stabilito che il costo per realizzare gli interventi di prevenzione può essere varie volte minore dell'ammontare del danno economico e dell'importo delle varie opere di sistemazione del territorio (interventi strutturali) e delle cose danneggiate. Tra gli interventi di tipo non strutturale, cioè quegli interventi volti alla diminuzione del danno potenziale mediante l'azione sugli elementi a rischio e sulla vulnerabilità, rientrano i sistemi di monitoraggio. L'Italia dal punto di vista dei fenomeni di dissesto è un caso esemplare; infatti si rileva che più del 45% del totale dei Comuni italiani è classificato con un livello di attenzione per il rischio idrogeologico molto elevato ed elevato. A livello regionale, le Regioni Lombardia e Piemonte presentano il livello di rischio più alto; proprio per quest'ultima si evidenzia che i fenomeni di dissesto, per lo più rappresentati da frane, si concentrano nel settore delle vallate alpine. La ricerca bibliografica ha permesso di identificare vari tipi di movimenti franosi quali: crolli, ribaltamenti, scorrimenti, colamenti e frane complesse. Nell'ambito di questo lavoro, e i motivi saranno spiegati più avanti, si considereranno frane complesse, costituite da crolli, ribaltamenti, e scivolamenti di ammassi rocciosi. Esistono vari tipi di sistemi di monitoraggio per frana; si parla di sistemi basati su misure di spostamenti in superficie (fotogrammetria, misure topografiche, laser scanner, estensimetri, ), su misure di spostamenti in profondità 1 Tesista del Dipartimento di Elettronica del Politecnico di Torino, presso il Signal Analisys and Simulation Group (SASGROUP). 2 Dipartimento di Elettronica, Signal Analisys and Simulation Group. 3 Dipartimento di Georisorse e Territorio. Fig. 1. La frana di Pomeifrè - Posizione geografica del versante lungo la Val Germanasca - Foglio IGM (scala 1:15000). (tubi inclinometrici), misure della pressione neutra dell'acqua (piezometri), sistemi basati su remote sensing (GPS, interferometria radar INSAR/D-INSAR, radar di terra). Un approccio diverso per le frane in roccia, e che tra l'altro è quello seguito in questo lavoro, è il monitoraggio microsismico. Questa metodologia consiste nel tralasciare i movimenti compiuti dai materiali rocciosi formanti il pendio, per focalizzare l'attenzione sui segnali che vengono trasmessi nel terreno nel momento in cui si verifica un fenomeno di frattura nella roccia che potrebbe costituire un precursore della frana vera e propria. Si studia quindi la propagazione delle onde sismiche generate in un punto preciso dell'area esaminata con gli strumenti tipici delle indagini sismiche. In tal senso, la roccia associati ai fenomeni di frattura presenta una particolare manifestazione che prende il nome di Emissione Acustica (EA). Si tratta di un'emissione ultrasonica e quindi di un'onda di pressione, che per effetto dell'accoppiamento aria-roccia, si propaga dentro questa sotto forma di onda sismica. Prove di laboratorio e sul campo mostrano che il numero e l'intensità di tali emissioni aumentano in corrispondenza del fenomeno di frattura vero e proprio (rottura); inoltre tali emissioni si concentrano sotto forma di clusters nelle zone di frattura. A questo proposito è stato individuato un sito che presenta le caratteristiche prima esposte (frana in roccia), e sul quale testare la metodologia sviluppata. La zona oggetto dello studio è situata sul versante sinistro idrografico della Val Germanasca (Fig. 1) in corrispondenza del Km 11 della S.P. 169 presso la

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Parole chiave

ambiente
array signal processing
beamforming
collaborative signal processing
digital signal processing
frane
landslide
localizzazione localization
monitoraggio
wireless sensor networks

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