Monitoraggio della stabilità di edifici storici mediante l utilizzo dei raggi cosmici

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1 XCIX Congresso Nazionale SIF - Trieste, settembre 2013 Monitoraggio della stabilità di edifici storici mediante l utilizzo dei raggi cosmici Brescia, Palazzo della Loggia, 1574 PROGETTO MONSTER&CO ( ) MONitoraggio di STrutture Edili mediante Raggi Cosmici Progetto del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale, Università di Brescia 1 A. Donzella 1, A. Zenoni 1, G. Baronio 1, I. Bodini 1, G. Bonomi 1, D. Cambiaghi 1, M. Lancini 1, M. Subieta 1, D. Vetturi 1, V. Villa 1, C. Riccardi 2, P. Vitulo 2, G. Zumerle 3 1 Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale, Università di Brescia 2 Dipartimento di Fisica, Università di Pavia 3 Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Padova

2 XCIX Congresso Nazionale SIF - Trieste, settembre 2013 La radiografia muonica Radiografia muonica di strutture geologiche: I muoni come raggi X molto più penetranti Ricerca di camere nascoste in grandi manufatti archeologici Vulcano del Monte Asama (Giappone) 2,3 Piramidi di Giza 1 Radiografia muonica? Piramide di Chefren Indagine di strutture grandi, dense e inaccessibili Depositi di materiali radioattivi Reattore di Fukushima 1) L.W. Alvarez et al. Science 167 (1970), ) K. Nagamine et al. N.I.M. A 356 (1995), ) H.K.M. Tanaka et al. Earth and Planetary Science Letters 263 (2007), Piramide di Cheope 2

3 XCIX Congresso Nazionale SIF - Trieste, settembre 2013 La tomografia muonica: il progetto MuSteel RFCS (Research Fund for Coal and Steel) Risultati sperimentali ottenuti con un dimostratore presso LNL schermatura Pb da 5 litri 3 Il portale di MuSteel gruppo di Engineering Design DIMI, Università di Brescia Risultati di una simulazione con 5 minuti di esposizione

4 XCIX Congresso Nazionale SIF - Trieste, settembre 2013 Monitoraggio della stabilità di edifici storici o di grandi strutture: allineamento con raggi cosmici (muoni) Il problema del Palazzo della Loggia di Brescia Costruzione della copertura, 1914 Vista dell interno della copertura Brescia, Palazzo della Loggia, 1574 Dal 1914 notate progressive deformazioni della copertura dovute alla presenza di giochi foro-bullone in corrispondenza delle giunzioni degli arconi 4 Indagini e studi eseguiti dal Centro di studio e ricerca per la conservazione ed il recupero dei beni architettonici ed ambientali Dipartimento di Ingegneria Civile, Università di Brescia Particolare di una giunzione

5 spostamenti (mm) spostamenti (mm) XCIX Congresso Nazionale SIF - Trieste, settembre 2013 Il monitoraggio della Loggia ( ) Sensori costituiti da una coppia di fili di invar e acciaio per compensare gli effetti delle variazioni termiche 25 m 11 anni piastra B1 Misura dello sfiancamento degli arconi: monitoraggio con sensori meccanici a tre quote tempo (giorni) Misura di allungamento meccanica ed elettronica piastra B2 5 tempo (giorni)

6 6 XCIX Congresso Nazionale SIF - Trieste, settembre 2013 L idea del progetto Confrontare il metodo di controllo meccanico della stabilità della copertura, adottato nello studio sulla Loggia, con un ipotetico metodo di monitoraggio della stabilità dell edificio basato sull utilizzo dei muoni provenienti dalla radiazione cosmica, che attraversano il palazzo a un rateo di m/s 15 cm legno Realizzata una campagna di simulazioni per monitorare la posizione di punti specifici della copertura rispetto a un sistema di riferimento stabile, vincolato alla struttura muraria dell edificio e situato al piano inferiore rispetto alla copertura, nel cosiddetto salone Vanvitelliano : il sistema di riferimento e i punti da monitorare sono separati da un soffitto ligneo, impedendo l utilizzo di strumenti di misura meccanici o radiazioni di tipo ottico z y i muoni oltrepassano il soffitto subendo solo piccole deviazioni della loro traiettoria muoni/s

7 100 cm XCIX Congresso Nazionale SIF - Trieste, settembre 2013 z P 0 rivelatore bersaglio x y telescopio di rivelatori 7 L idea del progetto P 1 P 2 P 3 m P ric z y 15 cm legno muoni/s Misurando i punti di passaggio delle traiettorie dei muoni su un rivelatore di cosmici bersaglio, situato nel punto da monitorare, e su un telescopio di rivelatori vincolato alla struttura dell edificio, è possibile stimare lo spostamento sistematico del bersaglio mobile rispetto al telescopio fisso Vantaggi dei raggi cosmici radiazione naturale, continua nessuna sorgente artificiale, nessun rischio di natura radiologica attraversano spessori di materiali subendo solo piccole deviazioni si misurano facilmente con tecniche ben consolidate Limitazioni dei raggi cosmici la presenza di deviazioni stocastiche implica l utilizzo di distribuzioni campionarie necessità di accumulare statistica con un rateo di eventi limitato

8 m N (eventi) 3.00 m 8.80 m N (eventi) 1.00 m N (eventi) m XCIX Congresso Nazionale SIF - Trieste, settembre 2013 Simulazione del tracciamento dei raggi cosmici mediante codice Monte Carlo GEANT4 La risoluzione sullo spostamento in funzione del tempo di misura Distribuzione della differenza tra la coordinata misurata nel bersaglio e quella ricostruita con estrapolazione dal telescopio 15 gg B3 15 gg Dy (cm) 15 cm legno Dy (cm) B2 15 gg B1 Dy (cm) 15 cm legno

9 3.50 m 3.00 m 1.00 m 8.80 m m N (eventi) N (eventi) N (eventi) XCIX Congresso Nazionale SIF - Trieste, settembre 2013 La media della distribuzione è uno stimatore dello spostamento sistematico del bersaglio. s media = s distr / N rappresenta la precisione della misura ed è funzione del tempo di presa dati. La risoluzione sullo spostamento in funzione del tempo di misura 15 gg curva di precisione B mm Dy (cm) 15 gg Dy (cm) B3 curva di precisione B mm 15 gg B2 curva di precisione B3 B1 Dy (cm) 15 cm legno 0.79 mm 9 s media = s distr / N

10 spostamenti (mm) XCIX Congresso Nazionale SIF - Trieste, settembre cm legno La simulazione della misura spostamento stagionale spostamento B1 campioni di 7 giorni spostamento B2 campioni di 15 giorni Il sistema di misura simulato è sensibile a spostamenti stagionali di qualche millimetro. A maggior ragione sarebbe in grado di misurare eventuali spostamenti sistematici. piastra B2 1 anno spostamento B3 campioni di 30 giorni E possibile migliorare la precisione di misura con una più raffinata trattazione statistica dei dati. 10 tempo (giorni)

11 XCIX Congresso Nazionale SIF - Trieste, Settembre 2013 Il rivelatore di raggi cosmici Caratteristiche richieste al rivelatore: stabilità, robustezza e lunga vita utile semplicità, assenza di flussaggi e alte tensioni basso costo, basso consumo autonomia e compattezza risoluzione spaziale non elevata uso di tecnologie collaudate Bacchette di fibra scintillante 3mm x 3mm 11 Fotomoltiplicatori al silicio SiPM MPPC 3mm x 3mm

12 XCIX Congresso Nazionale SIF - Trieste, Settembre 2013 CONCLUSIONI Lo studio effettuato ha dimostrato che la radiazione naturale dei raggi cosmici può essere utilizzata con vantaggio per monitorare la stabilità di edifici civili; le prestazioni del sistema sono confrontabili con quelle delle tecniche tradizionali; i vantaggi sono molteplici: minor invasività, praticabilità anche con materiali interposti, insensibilità alle variazioni termiche, uso di sorgenti naturali e autonomia su lunghi periodi; una evoluzione del sistema potrebbe consentire un monitoraggio globale e simultaneo dell intero edificio; a questo scopo è necessario lo sviluppo di rivelatori efficaci, stabili e a basso costo. 12 Fotografie e grafici sono estratti dai seguenti volumi: 1) Il Palazzo della Loggia di Brescia, Indagini e progetti per la conservazione Atti del Convegno di studi Storia e problemi statici del Palazzo della Loggia di Brescia, Facoltà di Ingegneria - Università di Brescia, ) Per la conservazione del Palazzo della Loggia di Brescia. Parere sulla stabilità strutturale Centro di studio e ricerca per la conservazione ed il recupero dei beni architettonici ed ambientali Dipartimento di Ingegneria Civile - Università di Brescia, 1993.

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