Indagini diagnostiche sul costruito storico: problematiche e prospettive

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1 Seconda Università degli Studi di Napoli Dipartimento di Architettura e Disegno Industriale «L. Vanvitelli» Corso di Caratteri costruttivi dell edilizia storica A.A. 2012/2013 Prof. arch. Francesco Miraglia Indagini diagnostiche sul costruito storico: problematiche e prospettive

2 CLASSIFICAZIONE DELLE PROVE DISTRUTTIVE L oggetto della prova subisce gravi danni NON DISTRUTTIVE Il campione non viene alterato SEMI-DISTRUTTIVE Monitoraggio Prove di collaudo

3 Schema dei metodi non distruttivi Metodi Meccanici * Metodi Acustici Metodi Elettromagnetici Metodi Chimici * Metodi Elettrochimici * Prove semi-distruttive

4 Metodi Meccanici Sclerometro Pull-Out Sonda di Windsor utilizzati per la determinazione della Resistenza del Materiale Martinetti Piatti E la prova che permette di avere informazioni sui valori di resistenza e sullo stato di sollecitazione locale della struttura portante.

5 Metodi Meccanici Sclerometro Pull-Out Sonda di Windsor Dati rilevabili: Resistenza del Materiale La misura della resistenza avviene interpolando i dati con curve di correlazione e sebbene, queste indagini siano normalizzate, richiedono talvolta fasi di taratura in laboratorio con prelievo di campioni in situ

6 SCLEROMETRO Norme: ASTM C805 - UNI 9189, DIN 1048 BS NF P UNE ISO-DIN 845 EN Attraverso la misura dell indice di rimbalzo di una massa, spinta da una molla calibrata si valuta la resistenza superficiale del materiale. Oggetto dell indagine: calcestruzzo, malte, materiali refrattari, pavimentazioni aereoportuali, rocce Disponibili vari modelli per i diversi materiali Taratura dello strumento: indispensabile

7 PULL-OUT Norme: ASTM C900 - BS 1881 Part 207 UNI 9536 Oggetto dell indagine: calcestruzzo La resistenza del materiale avviene attraverso la misura della forza necessaria ad un martinetto idraulico per estrarre un tassello in acciaio inserito nel calcestruzzo Si deve porre attenzione che il tassello utilizzato sia identico,nella geometria e per la qualità dell acciaio a quello utilizzato nella fase di sperimentazione per costruire le curve di correlazione

8 PULL-OUT Composizione Attrezzatura

9 SONDA DI WINDSOR Norma: ASTM C BS 1881 Oggetto dell indagine: calcestruzzo La valutazione delle caratteristiche meccaniche avviene mediante la misura dell indice di penetrazione L La prova non è superficiale ed interessa sia il legante che l aggregato del calcestruzzo esaminato I risultati sono fortemente influenzati dalla durezza degli aggregati

10 Attrezzatura Sonda Windsor per l esecuzione delle prove di penetrazione su calcestruzzo Versione digitale 2000 Pistola Lettore digitale Sonde-proiettili

11 Prelievo di carote o campioni Norme : UNI BS 1881 /120 - ASTM C 42-84a Sondina elettrica Carotiere diam. 100mm Questa metodologia non è, giustamente, inserita nelle Prove N.D. ma è il necessario complemento a diverse tecniche d indagini ed è uno dei sistemi più usati nella valutazione della resistenza del calcestruzzo e delle murature.

12 PROVA CON MARTINETTI PIATTI PROVA MARTINETTO SINGOLO Oggetto dell indagine: Strutture in muratura Dati rilevabili: Misura dello stato tensionale locale Risultati producibili: Valutazione dello stato tensionale attraverso la misura dello sforzo necessario al riequilibrio deformativo; verifica sperimentale delle reali condizioni statiche della struttura oggetto dell'indagine; misure di stress in sito (nei rivestimenti di gallerie, nelle pile e travi dei ponti ).

13 Tecnica applicativa: Coppie di punti di riferimento vengono applicate sulla superficie, della muratura in oggetto a cavallo del taglio che si andrà a realizzarsi; lettura micrometrica iniziale, esecuzione del taglio; misura delle deformazioni dovute al rilascio delle tensioni. Inserimento del martinetto piatto e ripristino delle condizioni iniziali.

14 Gli strumenti : Attrezzatura Sega dalle caratteristiche (forma, durezza della lama, potenza) adeguate al materiale costituente la muratura Compressore per l azionamento della macchina operatrice (Sega per il taglio) Coppie di basi (dischetti) di misura (almeno 3) Deformometro removibile di precisione 1 o 2 Martinetti Pompa idraulica per l applicazione della pressione

15 Il tipo di martinetto da utilizzare nella prova è funzione del tipo di muratura. Nel caso di strutture in laterizio è sufficiente un martinetto standard rettangolare di 400 x 200 mm. Quando invece si ha a che fare con murature costituite da blocchi molto irregolari e disomogenei è necessario, al fine di ottenere dei risultati significativi, incrementare la profondità del taglio per assoggettare alla prova un maggior volume. A tale scopo si adopera una particolare troncatrice idraulica a trasmissione eccentrica e martinetti semiovali che consentono di indagare un sufficiente volume di materiale in rapporto alle dimensioni dei blocchi costituenti la muratura.

16 In dettaglio la procedura è così articolata : si applicano sulla superficie della muratura delle coppie di punti di riferimento e vengono misurate, mediante deformometro di precisione, le distanze tra tali punti. La disposizione ottimale delle basi di misura è illustrata in figura L Base di misura 200 mm L/4 L/4 Martinetto

17 viene eseguito un taglio perpendicolare alla superficie della muratura che provoca un rilascio delle tensioni con conseguente parziale chiusura del taglio stesso funzione della tensione agente alla quota di prova si inserisce il martinetto piatto nell apertura creata con il taglio

18 viene azionata la pompa idraulica che mette in pressione il liquido di misura nel martinetto; tale pressione viene misurata da un manometro di precisione in dotazione alla pompa

19 l applicazione a gradini della pressione nel martinetto provoca la graduale riapertura della fessura fino all annullamento della deformazione conseguente al rilascio tensionale andranno annotati, considerando opportuni intervalli, le coppie di valori pressione deformazione.

20 Pressioni misurate e tensioni di sollecitazione Vengono letti sul manometro ed annotati su apposite schede, i valori di pressione del circuito idraulico pompa martinetti. Da tali valori di pressione p si risale allo stato di sollecitazione agente mediante la relazione = p K m K a ove Km e Ka sono due coefficienti. In particolare: K a = A j / A c rappresenta il rapporto tra l area del martinetto (Aj) e l area della superficie di taglio (Ac). Ovviamente Ka < 1. Km rappresenta un coefficiente (<1) che permette di tenere conto della rigidezza del martinetto. Tale coefficiente dipende dalle dimensioni e dalla forma del martinetto e viene determinato mediante apposite prove di taratura in laboratorio. Ogni martinetto è normalmente accompagnato da un apposito certificato di taratura in cui viene chiaramente indicato il valore di Km.

21 PROVA CON MARTINETTI PIATTI PROVA A DOPPIO MARTINETTO Oggetto dell indagine: Strutture in muratura Dati rilevabili: Determinazione delle caratteristiche di deformabilità e resistenza della muratura. Il modulo di deformabilità è calcolato per intervalli di pressione, secondo la legge di Hooke, considerando la deformazione unitaria desumibile dalle misure micrometriche lette in sito. La prova puo' fornire anche una stima della resistenza a compressione della muratura, potendo avvicinarsi al limite di rottura con l'aumento progressivo del carico. Risultati producibili: Estrapolazione di parametri meccanici (,, ) Graficizzazione dei dati rilevati

22 Tecnica applicativa: Esecuzione di due tagli orizzontali paralleli nella muratura da analizzare, preferibilmente previa rimozione di eventuali strati di intonaco o rivestimento; il "concio" cosi' isolato e' sottoposto a cicli modulati di pressione monoassiale normale al piano dei tagli, il carico è fornito da due martinetti inseriti nei tagli; le misure di deformazione sono rese possibili tramite basi di misura verticali e orizzontali, fissate sulla faccia libera del concio murario.

23 Metodo elettromagnetico Principio di funzionamento dei Pacometri

24 Localizzazione delle barre d armatura, profondità e diametro nel calcestruzzo e nelle murature Localizzazione di elementi metallici nelle strutture murarie

25 INDAGINE TERMOGRAFICA ALL INFRAROSSO Oggetto dell indagine: Superfici interne ed esterne intonacate o rivestite, edifici riscaldati, facciate e coperture Dati rilevabili: Rilievo architettonico: caratterizzazione dei materiali componenti la muratura, con distinzione tra lapidei e laterizi; rilievo di tamponamenti, canne fumarie, tracce d'impianti tecnologici; presenza subsuperficiale di elementi in legno, metallo, cemento armato. Aspetti patologici: lesioni strutturali risarcite, lesioni subsuperficiali, intrusione di umidità con possibile individuazione della fonte, decoesioni di intonaci o rivestimenti, ponti termici, inclusioni con materiali non originali, punti di probabile condensa. Aspetti morfologici: caratterizzazione delle strutture di supporto, individuazione di presenze subsuperficiali e rilievo critico; possibilità di controllo pre- e post-intervento (collaudo). Caratterizzazione: valutazione comparativa isolamento di elementi costruttivi; temperature superficiali; individuazione tracce condutture.

26 Tecnica applicativa: Utilizzo di strumentazione termovisiva speciale all'infrarosso per la visualizzazione distributiva delle temperature superficiali, in presenza di sollecitazione termica dell'oggetto (eseguibile per convezione forzata con bruciatori portatili a reostato o irraggiamento sia artificiale che solare o sfruttando il gradiente termico spontaneo tra giorno e notte) Strumento : Camere digitali all infrarosso e relativa analisi computerizzata delle immagini.

27 Il funzionamento: Tutti gli oggetti, eccetto quelli con superficie allo zero assoluto (-273,15 C), emettono radiazioni infrarosse. La Termografia è quella tecnica che, utilizzando la radiazione proveniente da un oggetto, permette di costruire un immagine relativa alla distribuzione delle temperature superficiali dell oggetto stesso. L occhio umano è un ottimo rivelatore di immagini nel campo dell emissività solare (0, m) ma è totalmente cieco al di fuori. Le camere dell infrarosso catturano le radiazioni provenienti dall oggetto e le trasformano in immagini (è come estendere la capacità percettiva umana riuscendo a visualizzare il colore proveniente da un corpo). Le camere digitali all infrarosso leggono tramite un elemento sensibile (IRCCD=infrared detector), simile a quello delle camere nel visibile (CCD), il flusso di energia emesso dalla superficie del corpo sotto esame, sotto forma di onde elettomagnetiche, e lo elaborano trasformandolo in immagine.

28 Risultati producibili: Elaborazione computerizzata di immagini IR con software applicativi e mappature critico-difettologiche; bilancio energetico

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30 Metodi Acustici Dati rilevabili: Calcestruzzo Murature Omogeneità del materiale, caratteristiche meccaniche Stato di consistenza dei pannelli murari Prove ultrasoniche Strutture Modi di vibrare: caratteristiche strutturali Prove soniche Tomografia * Prove dinamiche *

31 Si definiscono: Periodo T (in secondi s) tempo impiegato per un ciclo completo di espansione e contrazione della sorgente, o di pressione e depressione nel mezzo. Parametri generali per la definizione di un fenomeno ondulatorio Frequenza f (in Hertz Hz) numeri di cicli, ossia di oscillazioni complete, al secondo Lunghezza d onda (in metri m) distanza fra due successivi fronti d onda (o comunque fra 2 loro punti in ugual fase) nella direzione di propagazione della vibrazione Velocità di propagazione V (in m/s) velocità con un fronte d onda di vibrazione si propaga nel mezzo nella direzione di propagazione Intensità di vibrazione I quantità di energia che passa in un secondo attraverso l area unitaria. Poiché in acustica, e nelle misure di vibrazione in genere, non si eseguono normalmente misure assolute, ma misure relative, ossia si fanno rapporti fra ampiezze A di vibrazione, o fra intensità I, si è trovato più comodo esprimere tali rapporti in decibel (db)

32 NATURA DEI SUONI E DEGLI ULTRASUONI I suoni e gli ultrasuoni sono onde meccaniche che si propagano nei materiali. I metodi si differenziano a seconda delle frequenze impiegate. Necessitano per la loro propagazione di un supporto materiale al quale trasmettere la vibrazione. Gli ultrasuoni si propagano nell aria, acciaio, calcestruzzo, legno, acqua, plastica, ceramica, etc. ma non nel vuoto. In questo si differenziano nettamente dalle onde elettromagnetiche come i raggi x, la luce, etc. che trovano nel vuoto il mezzo ideale per la loro propagazione. Le onde ultrasonore possono essere di tipo longitudinale, trasversale, di Rayleigh,. La lunghezza d onda ha diretta influenza sulla sensibilità di controllo intesa come minima dimensione di difetto rilevabile.

33 PRINCIPIO DEL METODO SONICO Il principio consiste nell invio di un impulso d onde nel materiale e valutare attraverso la comparazione dei tempi di ritardo (o velocità) e dell attenuazione difetti e caratteristiche meccaniche

34 PROPAGAZIONE DELLE ONDE NEI MATERIALI: Velocità Le onde ultrasonoro si propagano nei materiali con velocità diverse a seconda del materiale e del tipo d onda (longitudinale, trasversale, etc.) La densità del materiale e le sue caratteristiche elastiche E determinano il valore della velocità dell onda in transito. Attenuazione Le onde ultrasonore generate dai trasduttori si propagano nei materiali subendo un assorbimento dovuto principalmente ai seguenti fattori: -Diffusione delle onde nella struttura del pezzo -Geometria del fascio ultrasonoro -Conversione dell energia in calore -Distanza dal trasduttore

35 Nel campo lontano dal trasduttore l attenuazione della pressione acustica che non include gli effetti geometrici segue una legge esponenziale Riflessione Differenza del valore dell impedenza acustica dei due mezzi In corrispondenza delle interfacce il fenomeno della riflessione segue in termini geometrici le leggi dell ottica ed in termini di energia riflessa, le leggi dell acustica.

36 INDAGINE SONICA Oggetto dell indagine: Strutture murarie Dati rilevabili: Caratterizzazione della muratura in termini di elasticità e grado di compattezza relativa (consistenza) in base alla velocità sonica rilevata; valutazione del grado di omogeneità dei materiali indagati; collaudo di opere di consolidamento con misure pre- e post-intervento.

37 Schema apparecchiatura per indagini soniche Unità di acquisizione segnale Sensore Ingresso trigger Martello Strumentato Ingresso impulsi Filtraggio? Amplificazione

38 Strumento Apparecchiatura per rilievi sonici Sonic System L'attrezzatura è composta dai seguenti elementi: Unità elettronica di acquisizione e controllo della misura - Punzone metallico strumentato con sensore piezoceramico per la battuta - Sensore sonico piezoresistivo per il rilievo dell'onda trasmessa - Martelli con massa da 0,500 e 2000 gr. Lo strumento può anche essere collegato ad una comune stampante o ad una stampante dedicata per la restituzione su carta dei risultati. È previsto il collegamento a PC tramite RS232 e tramite un software dedicato si possono rielaborare ed archiviare i risultati acquisiti.

39 Strumento Rivelatore ultrasonoro portatile Può impiegare sonde con una frequenza compresa fra 20 e 200 khz, per cui è idoneo ad effettuare misure nei vari campi dell ingegneria civile, tra i quali: -caratterizzazione sonica dei provini -controlli su strutture composite -carotaggio sonico -verifiche di spessori

40 Le misure soniche di velocità, normalmente espresse in metri al secondo, possono essere svolte secondo tre diverse procedure: diretta o per trasparenza; di superficie; radiale; R E R E R E A B C

41 INDAGINE ENDOSCOPICA E VIDEOENDOSCOPICA Oggetto dell indagine: Strutture (murature, volte, solai, travi lignee, ecc.) Dati rilevabili: Caratteristiche fisiche, morfologiche, compositive e del degrado all'interno della struttura indagata - Rilievo geometrico monodimensionale Risultati producibili: Descrizione stratigrafica centimetrica - Graficizzazione della superficie del percorso endoscopico - Fotografie endoscopiche - Videoregistrazione in VCR - VHS

42 Tecnica applicativa: Realizzazione di un foro di diametro mm con aspirazione e lavaggio dello stesso e successiva ispezione interna visiva tramite la sonda ottica; l'analisi è riportata su apposite schede insieme alla documentazione fotografica (cassetta documentale filmata VCR) ottenuta mediante speciale adattatore ottico e macchina fotografica (adattatore ottico per telecamera, con eventuale commento vocale)

43 Endoscopi - Videoendoscopi endoscopi rigidi o boroscopi endoscopi flessibili videoendoscopi o sonde televisive Se la fonte di illuminazione (lampada alogena) è posta all'estremità dell'obiettivo, vengono classificati come endoscopi a luce calda; se invece utilizzano fibre ottiche per la trasmissione dell illuminazione alla punta dell endoscopio, vengono definiti a luce fredda.

44 La Tecnica Georadar I sistemi georadar sono strumenti di indagine non invasiva. Attraverso l'utilizzo delle onde elettromagnetiche questi sistemi sono in grado di esaminare i materiali indagati senza interferire nelle loro caratteristiche fisiche, meccaniche e chimiche.

45 Il georadar, nell applicazione alla introspezione del suolo, è, in generale, una tecnica che consente di rivelare in modo non distruttivo e non invasivo la presenza e la posizione di oggetti sepolti utilizzando il fenomeno della riflessione delle onde elettromagnetiche. La tecnologia è basata sullo stesso principio dei sistemi radar convenzionali, ma con alcune differenze significative:

46 PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO Il radar trasmette un piccolo impulso di onda EM mediante l antenna L energia riflessa dalla discontinuità è catturata e ricevuta dall antenna. La profondità e la risoluzione sono relative alla frequenza dell antenna, alla potenza trasmessa e alle proprietà dielettriche del terreno.

47 Tempo di ritardo PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO Antenna Posizione dell antenna

48 Il funzionamento del georadar si basa sulla capacità dello strumento di emettere segnali a radiofrequenza (compresi tipicamente nel range 100 MHz - 1Ghz) e di registrare quindi ogni eco reirradiata dagli oggetti presenti nel sottosuolo, caratterizzati da dimensioni sufficienti e da proprietà elettromagnetiche diverse rispetto a quelle di ciò che li circonda.

49 Componenti del radar Unità centrale Georadar Data Logger Antenne Software di elaborazione

50 Unità centrale Antenne Data Logger

51 In generale, un mezzo omogeneo è definito da un punto di vista elettrico, da una coppia di valori: costante dielettrica relativa ( r) conduttività ( ) Nella propagazione delle onde elettromagnetiche nel suolo si evidenziano i seguenti aspetti: - riflessione - attenuazione - portata - velocità di propagazione

52 Le Antenne La scelta dell antenna è la fase fondamentale di un indagine georadar e si effettua considerando gli elementi fondamentali del rilievo: Le antenne possono operare in tre modi principali: - disposizione monostatica; - disposizione bistatica; - disposizione cross-polare.

53 Disposizione delle antenne

54 Con la disposizione monostatica, trasmettitore (TX) e ricevitore (RX) sono assemblati in un unica struttura, permettendo di ottenere informazioni in tutta l area indagata e di determinare la profondità di bersagli. Tale disposizione è consigliata per ottenere informazioni superficiali quali servizi e reperti archeologici con antenne a frequenza medio-alta ( MHz). Con la disposizione bistatica, trasmettitore (TX) e ricevitore (RX) sono separati e messi ad una certa distanza l uno dall altro. Il vantaggio consiste in una risposta più dettagliata nelle zone più profonde, mentre lo svantaggio consiste nell assenza di risposta in una porzione di terreno d funzione della distanza reciproca dei due componenti. Tale disposizione è consigliata per ottenere informazioni da zone profonde ed è generalmente impiegata con antenne a frequenza medio-bassa ( MHz) e finalità geologiche.

55 La scelta della frequenza dell antenna è inversamente proporzionale alla profondità d investigazione

56 Perciò la scelta della frequenza è frutto di un compromesso tra le seguenti esigenze: basse frequenze sono desiderabili per una maggiore penetrazione alte frequenze sono desiderabili perché consentono di ottenere una migliore risoluzione, e quindi una migliore qualità dell immagine radar; inoltre ad alte frequenze corrispondono antenne più piccole, quindi più leggere e maneggevoli.

57 In generale le antenne a bassa frequenza ( MHz) sono indicate per indagini profonde, poiché possiedono un alta capacità di penetrazione ed una bassa risoluzione. In particolare queste antenne vengono impiegate per la ricerca di: orizzonti stratigrafici; falde; cavità; zone di fratturazione.

58 Antenne a media frequenza ( MHz) per ricerche superficiali: resti archeologici; sottoservizi. Antenne ad alta frequenze ( MHz) per indagini di elevato dettaglio, quali: stato dei manufatti; resti archeologici.

59 ARRAY DI 4 ANTENNE ( MHz) 600MHz 200MHz 1600MHz ARRAY DI 8 ANTENNE ( MHz) MHz

60 Configurazioni Configurazione Tradizionale ARRAY di antenne

61 Risultati Radiogrammi Durante la scansione vengono collezionate una serie di riflessioni da punti adiacenti (tipicamente uno ogni 2 o 3 cm), le quali costituiscono l immagine della sezione radar; in presenza di un oggetto sepolto (p.e. un tubo) si ottiene un immagine radar con una caratteristica forma iperbolica (vedi Fig.). Anomalia

62 Esempio di sezione radar multipla

63 Archeologia * indagini per la scoperta di nuovi siti archeologici * identificazione di strutture archeologiche * indagini per la delimitazione delle aree archeologiche * identificazione di manufatti archeologici

64 Beni Culturali * Verifica degli spessori degli intonaci * Verifica di distacchi di affreschi * Verifica di distacchi di coperture facciate * Indagini non distruttive su pareti * Indagini su pavimenti

65 RICERCA SOTTOSERVIZI: esempio applicativo

66 Interfaccia cad

67 LA RICERCA ARCHEOLOGICA IL SISTEMA RADAR OTTIMIZZATO PER L ARCHEOLOGIA GLI OBIETTIVI GPS opzionale - Detezione strutture sepolte - Mappatura a grande scala delle aree a vocazione archeologica - Supporto alle attività di scavo - Individuazione e mappatura di cavità

68 ARCHEOLOGIA: esempio applicativo

69 MAPPA RADAR

70 Missione nel Deserto del Negev (Israele) Scopo: Ricerca di cavità

71 BENI CULTURALI: esempi applicativi Nell ambito dei Beni Culturali altrettanto numerose sono le applicazioni della tecnologia RIS, come tecnica non invasiva. Tra queste, a scopo illustrativo, si riportano i risultati ottenuti nelle indagini radar svolte su: Statue delle Cariatidi site presso Villa Adriana Affresco della chiesetta di Mocali presso l abitato di Sellano (PG) Le volte della navata centrale della Basilica di S. Francesco in Assisi.

72 La verificare la giacitura, l estensione e l andamento delle fratture interne. La statua delle Cariatidi La sezione radar rilevata

73 Gli affreschi della chiesa di Mocali (sellano Perugia) Scopo: Valutazione dello scollamento della superficie di un affresco presente al suo interno.

74 Basilica di S. Francesco (Assisi) La valutazione delle fratturazioni e le degradazioni presenti sulle volte La facciata della Basilica di Assisi La volta della Basilica di Assisi

75 Esempio di sezioni radar relative alla volta

76 In essa è chiaramente visibile l andamento della struttura muraria (contrafforte) retrostante la parete, nonché la presenza di una porta di accesso murata e solo visibile dall interno della parete.

77 INDAGINI NEL CAMPO AMBIENTALE Detezione e Monitoraggio delle contaminazioni della falda

78 AMBIENTE: LE DISCARICHE GLI OBIETTIVI - ricerca di fusti metallici - rilievo della profondità della superficie impermeabilizzante - siti industriali - siti contaminati - monitoraggio di eventuali perdite - analisi profonda mediante tecniche - borehole e cross-hole

79 Chiesa di S. Gennaro Minori Finalità dell intervento Il fine dell indagine è investigare il sottosuolo dei locali della chiesa per individuare anomalie dovute a cavità antropiche entro il volume significativo delle opere di fondazione.

80 Direzione scans. Long. Direzione scans. Long.

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82 MAGLIE

83 TOMOGRAFIA

84 MAPPA RADAR