Strutture in muratura soggette ad azioni sismiche. Indagini e livelli di conoscenza (2)

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1 Corso di Riabilitazione Strutturale POTENZA, a.a Strutture in muratura soggette ad azioni sismiche. Indagini e livelli di conoscenza (2) Dott. Marco VONA Scuola di Ingegneria - Università di Basilicata

2 PROVE IN SITU MODERATAMENTE DISTRUTTIVE ISPEZIONE DIRETTA 1. Effettuando un limitato scasso nella muratura

3 PROVE IN SITU MODERATAMENTE DISTRUTTIVE ISPEZIONE DIRETTA 1. Mediante carotratrice a rotazione con testa diamantata

4 PROVE IN SITU MODERATAMENTE DISTRUTTIVE ISPEZIONE DIRETTA All interno delle perforazioni, possono essere introdotti endoscopi, collegati o meno ad una apparecchiatura fotografica o ad una videocamera, per una successiva ricostruzione della sezione

5 PROVE IN SITU MODERATAMENTE DISTRUTTIVE ENDOSCOPIO Gli endoscopi sono strumenti di indagine che dal campo medico e industriale sono sempre più utilizzati anche nel settore della diagnostica edilizia, della conservazione e del restauro, in modo particolare delle murature storiche Per definizione l analisi endoscopica ha lo scopo di analizzare la muratura attraverso una ripresa reale documentabile con foto e video

6 PROVE IN SITU MODERATAMENTE DISTRUTTIVE ENDOSCOPIO La semplice procedura di eseguire un foro con una punta di La semplice procedura di eseguire un foro con una punta di trapano, ad esempio da 35 mm trasversalmente alla muratura, con l inserimento di una cannula endoscopica attrezzata con una videocamera per la ripresa video e fotografica, ci permette di leggere la reale condizione della muratura

7 PROVE IN SITU MODERATAMENTE DISTRUTTIVE ENDOSCOPIO Alcune trasformazioni dell'immagine ci consentono di aumentarne la lettura della materia presente all'interno della muratura

8 PROVE IN SITU MODERATAMENTE DISTRUTTIVE ISPEZIONE DIRETTA Vantaggi Prova più indicata per l analisi della morfologia muraria Visione diretta della sezione muraria Informazioni importanti sulla presenza di cavità

9 PROVE IN SITU MODERATAMENTE DISTRUTTIVE ISPEZIONE DIRETTA Svantaggi Impossibilità di prelevare campioni integri Numero di prove non elevato Informazioni locali

10 PROVE IN SITU MODERATAMENTE DISTRUTTIVE Prova con Martinetto piatto (singolo o doppio) La tecnica è stata originariamente applicata per determinare in situ i livelli di sforzo nella muratura Successivamente il metodo è stato calibrato per rilevare le caratteristiche di deformabilità della muratura stessa Già dalle prime applicazioni su monumenti storici sono apparse chiaramente le notevoli potenzialità del metodo

11 PROVE IN SITU MODERATAMENTE DISTRUTTIVE Prova con Martinetto piatto (singolo o doppio) Si tratta di una tecnica, forse l unica disponibile al momento, in grado di fornire informazioni attendibili sulle caratteristiche meccaniche di una muratura in termini di stato di sforzo, deformabilità e resistenza La prova è condotta introducendo un martinetto piatto in un taglio effettuato lungo un giunto di malta

12 Prova con Martinetto piatto (singolo o doppio) Forme tipiche

13 Prova con Martinetto piatto (singolo o doppio) Preparazione ed esecuzione del taglio mediante sega circolare con disco diamantato avente dimensioni leggermente superiori al martinetto

14 Prova con Martinetto piatto (singolo o doppio) La prova è condotta introducendo un martinetto piatto in un taglio effettuato lungo un giunto di malta

15 Prova con Martinetto piatto singolo La prova è leggermente distruttiva: a fine prova lo strumento può essere facilmente rimosso e il giunto eventualmente risarcito Lo stato di sforzo può essere determinato grazie al rilassamento causato dal taglio perpendicolare alla superficie muraria Il rilascio determina una parziale chiusura del taglio

16 Prova con Martinetto piatto singolo La prova prosegue ponendo il martinetto piatto nell apertura e aumentando la pressione in modo da riportare i lembi della fessura alla distanza originaria, misurata prima del taglio La parte interessata dall operazione deve essere strumentata con estensimetri rimovibili In tal modo è possibile misurare con precisione gli spostamenti prodotti dal taglio sulla muratura e dal martinetto durante la prova

17 Prova con Martinetto piatto singolo Chiamando con P f la pressione idraulica nel martinetto, corrispondente al pieno recupero delle deformazioni a cavallo del taglio, la relazione di equilibrio è data da: dove S f valore calcolato dello sforzo K j costante di calibrazione del martinetto (<1) K a costante di taglio e del martinetto (<1) P f pressione del martinetto piatto

18 Prova con Martinetto piatto (singolo o doppio) Nelle murature di mattoni, il taglio può essere effettuato facilmente lungo i giunti orizzontali. In tali casi si utilizza un martinetto rettangolare In altri casi, il taglio può essere fatto con un disco rotante, fornito di una lama diamantata Il martinetto piatto avrà quindi la stessa geometria del taglio

19 Prova con Martinetto piatto (singolo o doppio) L uso dei martinetti piatti su murature di pietra irregolare, non è semplice, data la difficoltà nell individuazione di giunti continui regolari Il taglio e il successivo inserimento del martinetto, quindi, interesserà direttamente i corsi di pietra È da sottolineare che nel caso di murature a più paramenti, la prova fornisce indicazioni concernenti esclusivamente gli strati più esterni Una richiesta fondamentale, per quanto riguarda l efficacia della prova, è l affidabilità della misura della pressione di equilibrio

20 Prova con Martinetto piatto doppio

21 Prova con Martinetto piatto doppio

22 Prova con Martinetto piatto doppio

23 Prova con Martinetto piatto doppio Vantaggi Fornisce informazioni attendibili sulle principali caratteristiche meccaniche della muratura in termini di deformabilità, stato di sollecitazione e resistenza Svantaggi Informazioni sul paramento di prova Difficoltà nella muratura di pietrame informe o sbozzato Sensitività nei confronti della pressione di equilibrio Inapplicabilità per edifici bassi

24 PROVE SEMI DISTRUTTIVE Prova penetrometrica sulle malte La resistenza alla penetrazione della malta è correlata con le sue caratteristiche meccaniche mediante l analisi statistica dei dati rilevati Misurazione dell energia spesa per praticare una cavità in un giunto di malta Forza di foratura costante durante la prova La taratura dello strumento deve essere condotta confrontando l energia di penetrazione su giunti di malta di murature realizzate in laboratorio con malte di riferimento la cui resistenza è stata misurata con prove standard a compressione (UNI EN /2007)

25 PROVE SEMI DISTRUTTIVE Prova penetrometrica 1) Profondità di perforazione di mm 2) Moderata perturbazione del giunto 3) Meccanismo attivabile a mano 4) Estrema adattabilità alle condizioni in situ 5) Facile trasportabilità

26 PROVE SEMI DISTRUTTIVE SCLEROMETRO A PENDOLO: Schmidt hammer rebound test Verifica la qualità dei giunti di malta. Il principio della prova consiste nell assorbimento di parte dell energia potenziale della massa battente in deformazione plastica del letto di malta; la rimanente aliquota di energia si traduce in un rimbalzo della massa I limiti della tecnica sono legati alla strumentazione disponibile, calibrata per malte di cemento e, quindi, spesso inadatta per malte di calce, caratterizzate da una minore resistenza

27 PROVE SEMI DISTRUTTIVE SHOVE TEST Chiamato anche Push-test, è finalizzato a misurare in situ la resistenza a taglio di un letto di malta. È necessario rimuovere un mattone e un letto di malta verticale sul lato opposto di quest ultimo Viene letto lo spostamento orizzontale del mattone spinto da un martinetto idraulico e la forza orizzontale richiesta. Lo stato di compressione è valutato mediante martinetti piatti

28 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE FINALITÀ individuazione di elementi strutturali nascosti individuazione di zone non omogenee nella muratura valutazione dell estensione del danno meccanico individuazione del degrado superficiale verifica delle proprietà meccaniche e fisiche dei componenti controllo di alcune tecniche di riparazione

29 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE TERMOGRAFIA Rileva e suddivide le radiazioni infrarosse emesse spontaneamente dai singoli punti di un corpo caldo, in un certo istante Il risultato è una immagine termica dell oggetto, visualizzabile attraverso scale di colori o di toni del grigio. Ad ogni colore o tono della scala di grigi, corrisponde un intervallo di temperatura Generalmente le differenze di temperatura associate a tale distribuzione sono dell ordine di frazioni di grado centigrado

30 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE L analisi termografica può essere condotta in modo attivo o passivo: nelle applicazioni di tipo passivo si analizzano gli effetti di cicli termici naturali (insolazione e successivo raffreddamento) nel caso attivo, invece, le superfici sono riscaldate artificialmente la termografia PASSIVA interessa solo lo strato piùsuperficiale della muratura, quella ATTIVA può essere utilizzata per indagare strati collocati ad una certa profondità (fino a cm) In tal caso, la superficie da indagare è riscaldata per diverse ore, in modo che il calore, grazie alla conducibilità termica del materiale, interessi strati più profondi nel muro

31 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE TERMOGRAFIA

32 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE. TERMOGRAFIA Vantaggi Applicabilità a vaste porzioni di murature Utilizzabile nella diagnostica di pareti affrescate o rivestite in quanto non richiede il contatto diretto Valida per l individuazione di vuoti o cavità, di inclusioni di differenti materiali, di anomalie e modifiche nella tessitura, per la verifica della presenza umidità, per il rilievo di impianti incassati Svantaggi In assenza di adeguata sollecitazione termica, la termovisione di antichi manufatti si limita agli strati più esterni Sensibilità alle condizioni al contorno Necessità di calibrazione degli algoritmi di acquisizione

33 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE INDAGINI SONICHE La tecnica di indagine sonica si basa sulla generazione di impulsi sonici in un punto della struttura, attraverso la percussione con appositi strumenti o con trasduttori elettrodinamici L elaborazione dei dati, invece, consiste nel calcolo del tempo e della velocità di attraversamento dell impulso dato nella muratura

34 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE INDAGINI SONICHE

35 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE INDAGINI SONICHE È possibile individuare la presenza di cavità macroscopiche, fessure o porzioni di muratura aventi caratteristiche differenti, intercettate lungo il percorso di trasmissione dell onda (l onda sonora per il principio di Fermat segue sempre il percorso a velocità maggiore ovvero nel materiale a maggiore densità) Controllo della qualità degli interventi mediante confronto delle proprietà caratteristiche fisiche della muratura pre e post intervento

36 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE INDAGINI SONICHE Oscilloscopio Ingresso Trigger Ingresso Impulsi Filtraggio Sensore Massa battente Amplificazione

37 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE INDAGINI SONICHE tre procedure: 1. diretta o per trasparenza: la scelta dei punti di emissione e di ricezione dei segnale acustici sono sui due lati opposti della parete muraria, alla stessa altezza dal suolo e in modo che la congiungente sia perpendicolare alle superfici 2. semidiretta: i due punti sono sui due lati opposti della parete muraria, ma non in corrispondenza simmetrica 3. di superficie: nel caso di disponibilità di una sola superficie si possono eseguire misure con punti di emissione e ricezione posti sullo stesso lato, lungo una linea retta (verticale o orizzontale)

38 INDAGINI SONICHE Per trasparenza L Tx Tr Semidiretta Tx Tx L Tr1 Tr Tr2 L1 L2 Tomografia Tr1 Tx Tr2 Tr3 Tr4 Di superficie Tx c L/2 L L/2 Tr1 L Tr2

39 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE INDAGINI SONICHE In un mezzo omogeneo e isotropo si verificano, per un impulso, tre tipi di onde: I. onde longitudinali: si generano per compressione e successiva dilatazione nella direzione di trasmissione dell'onda, sono generalmente le uniche registrate nei test; II. onde trasversali: hanno direzione ortogonale alle precedenti e velocità di propagazione inferiore; III. onde superficiali: onde a grande ampiezza con velocità di poco superiore alle onde longitudinali. Hanno ampiezza e frequenza molto influenzabili dallo stato difessurazione e vengono facilmente riflesse dalle pareti dei vuoti. Esiste una tecnica specifica per la loro misura detta carotaggio sonico

40 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE INDAGINI SONICHE Mediante le prove soniche può essere calcolato il modulo elastico sonico E d che in genere, per il bassissimo sforzo generato nel test, sovrastima del 10% circa il normale modulo elastico misurato su provini o carotaggi Nota la densità ρ del materiale e fissato il modulo di Poisson ν si può ricavare dalla relazione: E d = V 2 ρ ( ) ( 1 2ν 1+ ν ) ( 1 ν )

41 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE: INDAGINI SONICHE La velocità sonica è influenzata da: frequenza di input, generata da diverse strumentazioni numero di giunti attraversati. La velocità tende a diminuire con l aumento del numero di giunti presenza di fessure caratteristiche del materiale superficiale

42 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE: INDAGINI SONICHE Per esempio, la presenza di intonaci o lesioni superficiali filtra le componenti in alta frequenza del segnale Dato che la lunghezza d onda è legata al rapporto tra velocità e frequenza, questo effetto tende ad aumentare la lunghezza d onda e, quindi, diminuire la risoluzione della prova Può accadere che la risoluzione non consenta che considerazioni generali sulla localizzazione di zone di bassa velocità nella muratura

43 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE: INDAGINI SONICHE 1. V<1000 m/s: individua murature fortemente danneggiate con presenza di grossi vuoti interni m/s<v<2000 m/s: rappresenta la maggioranza delle murature in mattoni esistenti; valori di V inferiori ai 1500 m/s possono indicare presenza di vuoti e difetti, irregolarità nei corsi o nelle giunzioni 3. V>2000 m/s: indica murature accuratamente costruite e conservate con elevata resistenza a compressione, stimabile fra i 5 e 15MPa Sono utilizzate anche nella diagnosi della muratura per verificarne le caratteristiche dopo interventi di consolidamento (iniezioni di malte e resine)

44 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE: INDAGINI SONICHE Le indagini soniche sono utilizzate nella diagnosi della muratura per qualificare la morfologia della sezione, individuando la presenza di vuoti o difetti o lesioni In presenza di lesioni o fratture o altri tipi di discontinuità, infatti, la velocità sonica diminuisce in quanto l onda è più lenta in corrispondenza di vuoto e si producono rifrazioni multiple del segnale cosicché il percorso si allunga e non risulta più quello diretto tra sorgente e ricevitore La risoluzione della prova, in termini di dimensione minima del difetto riconoscibile, è quindi legata alla lunghezza d onda della frequenza dominante, e anche dalle dimensioni stesse dell oggetto esaminato

45 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE: INDAGINI SONICHE La lunghezza d onda λ è legata alla velocità di trasmissione νe alla frequenza f, attraverso la semplice relazioneλ=ν/f Per una fissata velocità l incremento della frequenza produce una diminuzione della lunghezza d onda e quindi l aumento della risoluzione Tuttavia, con l aumento della frequenza, l energia del segnale si attenua e diminuisce la profondità della sezione muraria investigabile La frequenza ottimale deve essere pertanto scelta valutando contemporaneamente le esigenze di risoluzione e l attenuazione del segnale, legata allo spessore murario In generale, nel caso della muratura si possono utilizzare frequenze di input attorno ai 3.5kH

46 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE: INDAGINI SONICHE Le prove soniche vengono effettuate con vibrazioni elastiche di frequenze variabili tra i 16 e i 20000Hz Il rilievo delle velocità trasmesse lungo diversi percorsi possibili all interno della porzione muraria individuata, consente poi, impiegando determinati algoritmi per l elaborazione, di effettuare una mappatura delle velocità (tomografia sonica) Le prove ultrasoniche utilizzano, invece, una banda di frequenza che varia da 20kHz a 1000MHz. Tali onde non riescono a essere trasmesse da mezzi gassosi, per cui sono sfruttate per l'individuazione di micro fessure che riescono a riflettere il fronte d'onda; per contro, il segnale ultrasonico risulta altamente attenuato per via della sua lunghezza d'onda troppo piccola in confronto alle dimensioni dei componenti la muratura

47 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE: INDAGINI SONICHE Vantaggi Applicabilità a vaste porzioni di murature Affidabilità in relazione al periodo di impiego Svantaggi I risultati colgono caratteristiche qualitative e non quantitative della muratura Le prove ultrasoniche mostrano limiti severi per indagini su materiali altamente porosi Il costo delle operazioni (elevato numero di misure richieste) L elaborazione dei risultati (la disomogeneità del materiale) La necessità di una calibrazione dei valori per le differenti tipologie murarie

48 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE: GEORADAR Le tecniche radar si applicano in base al principio che un flusso di energia elettromagnetica sia alterato dagli oggetti incontrati sul suo percorso e che tale alterazione possa essere rilevata attraverso degli echi di ritorno Nel caso della muratura gli impulsi possono essere riflessi dalle interfacce tra materiali con differenti proprietà dielettriche, come ad esempio la superficie e il fondo di murature, vuoti, discontinuità, distacchi, ecc

49 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE: GEORADAR Impiego ricerca di elementi strutturali nascosti in murature portanti e orizzontamenti individuazione di tessiture murarie nascoste da intonaci e affreschi controllo dell efficacia di iniezioni individuazione di difetti, fessure e vuoti, inclusioni di materiali diversi individuazione della morfologia delle sezioni di murature a più paramenti rilievo della presenza di umidità nelle murature

50 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE: GEORADAR La tecnica radar consiste nell'irradiare il mezzo di indagine con impulsi di energia elettromagnetica caratterizzati da una brevissima durata (qualche nanosecondo) e da un elevata cadenza di emissione (decine dikhz) L irraggiamento viene effettuato tramite un antenna trascinata a velocità costante lungo la linea di prospezione Una seconda antenna, funzionante come ricevitore e solidale con quella trasmittente, rileva gli impulsi riflessi dalle superfici di discontinuità tra materiali a differente costante dielettrica, che vengono poi trasformati dal sistema radar in segnali elettrici I segnali vengono riprodotti sul monitor del sistema ed eventualmente memorizzati o stampati come pseudoimmagine (sezione tempi-distanze) della sezione indagata

51 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE: GEORADAR Misurando il tempo necessario affinché gli impulsi attraversino tutta la sezione e siano captati dall antenna ricevente come echi di ritorno, e conoscendo la velocità di propagazione del segnale nel mezzo, è possibile individuare la posizione dei singoli ostacoli

52 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE: GEORADAR Dalla rappresentazione grafica è possibile evidenziare la presenza di superfici riflettenti, per esempio discontinuità nella stratificazione o cavità, e ricavare lo spessore compreso tra la superficie di prospezione e quella riflettente, con la formula h v m t = 2 dove h è lo spessore, t il tempo di riflessione in secondi e ν m la velocità media delle onde elettromagnetiche nel mezzo investigato Velocità delle onde elettromagnetiche e costante dielettrica sono 2 legate dalla formula ε = c 2 v m dove c è la velocità delle onde elettromagnetiche nel vuoto

53 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE: GEORADAR Le indagini vanno effettuate su 4-5 linee parallele muovendo l'antenna ad una velocità costante

54 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE: GEORADAR A seconda dello scopo dell'indagine possono essere utilizzate antenne di diversa frequenza In linea generale antenne ad alta frequenza rilevano la sezione muraria con un migliore dettaglio ma hanno lo svantaggio di presentare segnali con minore energia, spesso non sufficiente a segnalare il fondo della muratura, e più disturbati da rifrazioni locali. Al contrario le antenne a bassa frequenza permettono di rilevare tutto lo spessore. Sono però più sensibili all'effetto della prima componente del segnale Sono indicate generalmente antenne da 900MHz per murature di un certo spessore, mentre antenne da 1GHz rilevano murature sottili. In particolari condizioni, per esempio nel caso di murature molto spesse con presenza di umidità, possono essere utilizzate anche antenne da 500MHz

55 PROVE IN SITU NON DISTRUTTIVE: GEORADAR Vantaggi Applicabilità a vaste porzioni di murature Rileva anomalie anche in murature di consistente spessore e coglie la presenza di umidità Utilizzabile nella diagnostica di pareti affrescate o rivestitein quanto non richiede il contatto diretto. Svantaggi Tecnica ancora in via di sviluppo Rilevanti disturbi del segnale legati ad effetti della prima componente, ad echi multipli dovuti a numerosi cambi di materiali, sovrapposizione di echi laterali Calibrazione preliminare della frequenza di emissione.

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