Recent earthquakes occurred in Italy and throughout the world have remarked the critical role of health facilities for post-earthquake emergency management. Due to earthquake, several hospitals (L’Aquila 2009, Amatrice 2016) have lost their functionality because of damage to structural as well as non-structural members, equipment and installations. The primary role of hospitals after hazardous events leads to develop specific analysis and monitoring strategies aimed at assessing their conditions, possibly in real time. As a result of this process, health facilities become “smart” and they can effectively support the mitigation of seismic vulnerability, by acting on preparedness of the medical staff and supporting the management and the maintenance of structural as well as non-structural subsystems over time. Continuous monitoring of health and performance of hospitals can support the formulation of disaster mitigation plans and the definition of investment priorities to ensure the overall safety. In the present thesis, the main monitoring programs focused on post-earthquake damage assessment of health facilities are reviewed, pointing out their limitations in assessing the performance of structural as well as non-structural members, equipment and installations. Some results of an on-going monitoring project for the main hospital in Campobasso (Southern Italy) are presented, afterwards. Attention is focused on the response of the structure in operational conditions and after seismic events. A modal-based damage detection method is proposed. The results of experimental as well as operational modal analysis tests on a drug dispenser are also discussed in order to assess their applicative perspectives for qualification of medical equipment in view of seismic vulnerability assessment of non-structural components. The potentialities of modal based damage detection methods for the assessment of non-structural components are finally assessed by laboratory testing of a steel tank. Ensuring supply of liquids and medical gases after an earthquake is one of the most important tasks to keep the hospital operational. Unanchored tanks are vulnerable to earthquake loadings. This type of tanks is frequently encountered in existing hospitals. Rooftop water tanks or diesel fuel tanks for emergency generators are examples of usually unanchored tanks. Their damage can cause explosions and leakage of toxic substances, with the related consequences in terms of pollution and life losses. Due to their configuration, liquid and gas storage tanks apply large forces to the supports, which can collapse causing tank toppling. Thus, some output-only modal identification tests have been carried out to characterize the dynamic response of a vertical atmospheric water tank under different filling ratios and anchoring. The study has provided useful hints for the development of modal based structural health monitoring systems able to diagnose the health state of similar tanks after seismic events.

I recenti terremoti verificatisi in Italia e nel mondo hanno rimarcato il ruolo fondamentale delle strutture sanitarie per la gestione delle emergenze post-sisma. A seguito di eventi sismici, diversi ospedali (L'Aquila 2009, Amatrice 2016) hanno perso la loro funzionalità a causa di danni a componenti strutturali, non strutturali, attrezzature mediche ed impianti. Il ruolo primario degli ospedali dopo eventi calamitosi porta a sviluppare analisi specifiche e strategie di monitoraggio volte a valutare le loro condizioni di salute, possibilmente in tempo reale. Come risultato di questo processo, le strutture sanitarie diventano "intelligenti" e possono supportare efficacemente la mitigazione della vulnerabilità sismica, agendo sulla preparazione del personale medico e supportando la gestione e il mantenimento di sottosistemi strutturali e non strutturali nel tempo. Il monitoraggio continuo della salute e delle prestazioni degli ospedali può supportare la formulazione di piani di mitigazione delle catastrofi e la definizione delle priorità di investimento per garantire la sicurezza generale. Nel presente lavoro di tesi, è analizzato un sistema di monitoraggio focalizzato all' individuazione del danno post-terremoto delle strutture sanitarie, evidenziando le caratteristiche nella valutazione delle prestazioni dei membri strutturali, non strutturali, delle attrezzature e delle installazioni. Successivamente, sono presentati alcuni risultati di un progetto di monitoraggio in corso dell'Ospedale di Campobasso (Sud Italia), focalizzando l'attenzione sulla risposta della struttura in condizioni operative ed a seguito di eventi sismici. Viene proposto un nuovo metodo di rilevamento del danno a partire da misure di vibrazione. Sono inoltre discussi i risultati dei test sperimentali di analisi modale in condizioni operative su un distributore di farmaci al fine di valutarne la prospettiva applicativa per la qualificazione delle apparecchiature mediche in vista della valutazione della vulnerabilità sismica di componenti non strutturali. Le potenzialità dei metodi di rilevamento dei danni basati sull'analisi dei parametri modali sono valutate mediante test di laboratorio su un serbatoio in acciaio. Garantire la fornitura di liquidi e gas medicinali dopo un terremoto è uno dei compiti più importanti per garantire l'operatività dell'ospedale. I serbatoi non ancorati sono vulnerabili ai carichi sismici. Questi tipi di serbatoi sono frequentemente riscontrati all'interno di ospedali esistenti. Serbatoi d'acqua sul tetto o serbatoi di carburante diesel per i generatori di emergenza sono esempi di serbatoi solitamente non ancorati. Il loro danno può causare esplosioni e perdite di sostanze tossiche, con le relative conseguenze in termini di inquinamento e perdite di vita. A causa della loro configurazione, durante un evento sismico i serbatoi di stoccaggio di liquidi e gas applicano grandi forze ai supporti, che possono collassare causandone il rovesciamento. Pertanto, sono stati effettuati alcuni test di identificazione modale output-only per la caratterizzazione dinamica di un serbatoio d'acqua verticale a pressione atmosferica con diversi rapporti di riempimento e di ancoraggio. Questo studio fornisce suggerimenti utili per lo sviluppo di sistemi di monitoraggio in grado di diagnosticare lo stato di salute di serbatoi simili dopo eventi sismici.

Analisi modale output-only e monitoraggio strutturale per la caratterizzazione dinamica di componenti strutturali e non strutturali in complessi ospedalieri

GARGARO, Danilo
2018-05-17

Abstract

I recenti terremoti verificatisi in Italia e nel mondo hanno rimarcato il ruolo fondamentale delle strutture sanitarie per la gestione delle emergenze post-sisma. A seguito di eventi sismici, diversi ospedali (L'Aquila 2009, Amatrice 2016) hanno perso la loro funzionalità a causa di danni a componenti strutturali, non strutturali, attrezzature mediche ed impianti. Il ruolo primario degli ospedali dopo eventi calamitosi porta a sviluppare analisi specifiche e strategie di monitoraggio volte a valutare le loro condizioni di salute, possibilmente in tempo reale. Come risultato di questo processo, le strutture sanitarie diventano "intelligenti" e possono supportare efficacemente la mitigazione della vulnerabilità sismica, agendo sulla preparazione del personale medico e supportando la gestione e il mantenimento di sottosistemi strutturali e non strutturali nel tempo. Il monitoraggio continuo della salute e delle prestazioni degli ospedali può supportare la formulazione di piani di mitigazione delle catastrofi e la definizione delle priorità di investimento per garantire la sicurezza generale. Nel presente lavoro di tesi, è analizzato un sistema di monitoraggio focalizzato all' individuazione del danno post-terremoto delle strutture sanitarie, evidenziando le caratteristiche nella valutazione delle prestazioni dei membri strutturali, non strutturali, delle attrezzature e delle installazioni. Successivamente, sono presentati alcuni risultati di un progetto di monitoraggio in corso dell'Ospedale di Campobasso (Sud Italia), focalizzando l'attenzione sulla risposta della struttura in condizioni operative ed a seguito di eventi sismici. Viene proposto un nuovo metodo di rilevamento del danno a partire da misure di vibrazione. Sono inoltre discussi i risultati dei test sperimentali di analisi modale in condizioni operative su un distributore di farmaci al fine di valutarne la prospettiva applicativa per la qualificazione delle apparecchiature mediche in vista della valutazione della vulnerabilità sismica di componenti non strutturali. Le potenzialità dei metodi di rilevamento dei danni basati sull'analisi dei parametri modali sono valutate mediante test di laboratorio su un serbatoio in acciaio. Garantire la fornitura di liquidi e gas medicinali dopo un terremoto è uno dei compiti più importanti per garantire l'operatività dell'ospedale. I serbatoi non ancorati sono vulnerabili ai carichi sismici. Questi tipi di serbatoi sono frequentemente riscontrati all'interno di ospedali esistenti. Serbatoi d'acqua sul tetto o serbatoi di carburante diesel per i generatori di emergenza sono esempi di serbatoi solitamente non ancorati. Il loro danno può causare esplosioni e perdite di sostanze tossiche, con le relative conseguenze in termini di inquinamento e perdite di vita. A causa della loro configurazione, durante un evento sismico i serbatoi di stoccaggio di liquidi e gas applicano grandi forze ai supporti, che possono collassare causandone il rovesciamento. Pertanto, sono stati effettuati alcuni test di identificazione modale output-only per la caratterizzazione dinamica di un serbatoio d'acqua verticale a pressione atmosferica con diversi rapporti di riempimento e di ancoraggio. Questo studio fornisce suggerimenti utili per lo sviluppo di sistemi di monitoraggio in grado di diagnosticare lo stato di salute di serbatoi simili dopo eventi sismici.
Output-only modal analysis and structural monitoring for the dynamic characterization of hospital structural and non-structural components
Recent earthquakes occurred in Italy and throughout the world have remarked the critical role of health facilities for post-earthquake emergency management. Due to earthquake, several hospitals (L’Aquila 2009, Amatrice 2016) have lost their functionality because of damage to structural as well as non-structural members, equipment and installations. The primary role of hospitals after hazardous events leads to develop specific analysis and monitoring strategies aimed at assessing their conditions, possibly in real time. As a result of this process, health facilities become “smart” and they can effectively support the mitigation of seismic vulnerability, by acting on preparedness of the medical staff and supporting the management and the maintenance of structural as well as non-structural subsystems over time. Continuous monitoring of health and performance of hospitals can support the formulation of disaster mitigation plans and the definition of investment priorities to ensure the overall safety. In the present thesis, the main monitoring programs focused on post-earthquake damage assessment of health facilities are reviewed, pointing out their limitations in assessing the performance of structural as well as non-structural members, equipment and installations. Some results of an on-going monitoring project for the main hospital in Campobasso (Southern Italy) are presented, afterwards. Attention is focused on the response of the structure in operational conditions and after seismic events. A modal-based damage detection method is proposed. The results of experimental as well as operational modal analysis tests on a drug dispenser are also discussed in order to assess their applicative perspectives for qualification of medical equipment in view of seismic vulnerability assessment of non-structural components. The potentialities of modal based damage detection methods for the assessment of non-structural components are finally assessed by laboratory testing of a steel tank. Ensuring supply of liquids and medical gases after an earthquake is one of the most important tasks to keep the hospital operational. Unanchored tanks are vulnerable to earthquake loadings. This type of tanks is frequently encountered in existing hospitals. Rooftop water tanks or diesel fuel tanks for emergency generators are examples of usually unanchored tanks. Their damage can cause explosions and leakage of toxic substances, with the related consequences in terms of pollution and life losses. Due to their configuration, liquid and gas storage tanks apply large forces to the supports, which can collapse causing tank toppling. Thus, some output-only modal identification tests have been carried out to characterize the dynamic response of a vertical atmospheric water tank under different filling ratios and anchoring. The study has provided useful hints for the development of modal based structural health monitoring systems able to diagnose the health state of similar tanks after seismic events.
analisi modale; monitoraggio strutturale; componenti non strutturali; danno strutturale
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