Monitoraggio dei movimenti franosi e delle strutture

Transcript

1 Monitoraggio dei movimenti franosi e delle strutture Numerosi incidenti e disastri del passato hanno messo in luce i rischi derivanti dalla realizzazione di grandi opere (es. dighe, gallerie, ponti ecc.) o derivanti da eventi naturali (es. eruzioni vulcaniche, frane ecc.). La necessità quindi di monitorare opere in costruzione, edifici pericolanti e zone a rischio sta diventando sempre più importante. È spesso necessario utilizzare le misure in tempo reale, in modo da attivare eventuali allarmi non appena le soglie di tolleranza vengono superate. Il monitoraggio rappresenta oggi una delle maggiori sfide del settore topografico, dal momento che necessita di alta precisione e massima affidabilità degli strumenti di analisi e calcolo. Monitorare significa controllare attraverso misure l evoluzione nel tempo di un fenomeno deformativo, attraverso punti di riferimento che si trovano all'interno o in prossimità di un'area. Il monitoraggio topografico viene basato sullo studio e l'analisi nel tempo delle variazioni angolari e spaziali dei punti delle parti strutturali materializzati da capisaldi, ma spesso hanno interesse solamente le deformazioni planimetriche oppure solamente quelle altimetriche. Il monitoraggio trova largo impiego nel settore dell'ingegneria civile per il controllo della stabilità di strutture, durante e post-opera come ad esempio : gallerie edifici storici e monumentali dighe muri di sostegno o paratie Vi sono inoltre sistemi molto avanzati per il monitoraggio di qualsiasi movimento franoso, mediante l utilizzo di strumentazioni che permettono la trasmissione dei dati su web per la consultazione remota. L attività di studio di un movimento franoso si può avvalere di vari sistemi strumentali e software che comprendono sia quelli più tradizionali come : - rilievi topografici di precisione mediante utilizzo di stazioni totali, livelli e strumentazione GPS, con installazione di capisaldi di misura e postazioni fisse per la messa in stazione dell apparecchiatura topografica; i ricevitori satellitari, consentono ormai di ottenere la posizione dei punti con precisioni accurate. I vantaggi del sistema GPS sono infatti l elevata precisione, la possibilità di operare in un punto qualsiasi della Terra, in ogni istante e in tutte le condizioni meteorologiche. - stazioni meteo fisse, per il controllo dei parametri meteorologici (pioggia, temperatura, umidità); - strumentazione geotecnica (estensimetri, fessurimetri, inclinometri, ecc.), installata in superficie oppure in pozzi; - sondaggi geognostici (carotaggio); - piezometri, per la misurazione della profondità della falda nei terreni interessati; - centraline per la raccolta e l elaborazione dei dati - sistemi di trasmissione (reti radio, sistemi satellitari, reti GSM, ecc.). sia quelli più innovativi, basati sulle tecniche di remote sensing, come : - il SAR (Syntetic Aperture Radar) satellitare e da terra - il TLS (Terrestrial Laser Scanner)

2 Il sistema SAR la cui strumentazione viene posizionata sul versante opposto rispetto a quello dove è in atto un movimento di frana, acquisisce i dati in continuazione permettendo così di ottenere un immagine radar ogni 4-5 minuti e di ottenere il monitoraggio in tempo reale del dissesto; infatti dall analisi degli interferogrammi, cioè della differenza esistente tra due immagini radar, è possibile stimare lo spostamento della frana. Il sistema laser scanner (detto anche laser 3D) consente il rilevamento di modelli tridimensionali degli oggetti con differenti scale e risoluzioni. Rispetto ad altre tecniche di rilievo, non vengono scelti solo alcuni punti caratteristici dell oggetto da rilevare ma a tutto quanto risulti presente nel range d azione del segnale inviato dallo strumento. Infatti questo sistema che opera misurando migliaia di punti al secondo (formando così delle "nuvole di punti" ) consente di eseguire il rilievo geometrico degli oggetti con un ragguardevole livello di dettaglio e completezza. Per queste sue caratteristiche si rivela particolarmente adatto per il rilievo e la rappresentazione spaziale di manufatti complessi o situazioni altrimenti difficilmente documentabili, a causa della loro irregolarità. Un ultima tematica affrontata è stata quella di usare il laser scanner da postazione fissa per il monitoraggio delle frane in situazioni critiche, infatti generalmente il rilievo geostrutturale su pareti rocciose e frane di crollo è eseguito con attrezzatura alpinistica da personale specializzato che oltre ad essere generalmente molto costoso, a volte risulta addirittura impossibile da realizzare, a causa dell elevata pericolosità dell accesso ai luoghi di misura. Quando le condizioni di pericolosità del sito e le necessità di un monitoraggio continuo lo richiedessero, potendo operare da valle e per lunghi periodi, la tecnica TLS costituisce quindi una valida alternativa risolvendo i problemi logistici con una tecnica di misura indiretta. Tali tecniche applicate in questo ambito forniscono sicuramente un supporto visivo importante per una corretta interpretazione dei dati ai fini delle analisi di stabilità dei versanti rocciosi. Si sono sviluppate infatti delle procedure per la definizione di modelli virtuali 3D a differenti livelli di dettaglio, ottenuti decimando la nuvola originale di milioni di punti acquisiti, e procedure per l applicazione di tecniche avanzate di resa grafica (rendering), quali la sovrapposizione fra geometria e immagine fotografica (texture mapping). Dopo l installazione dei sistemi di monitoraggio, i tecnici provvedono alla gestione dei sistemi di trasmissione dati e realizzano sopralluoghi (periodici e sistematici) per effettuare le misurazioni necessarie al controllo dei movimenti superficiali del fenomeno franoso, oltre che per realizzare la manutenzione delle apparecchiature. Utilizzando i dati ottenuti dalle reti di monitoraggio è possibile produrre : - elaborazioni statistiche; - costruzione delle stratigrafie dell area in esame; - planimetrie, in cui vengono riportati gli spostamenti planimetrici misurati sui capisaldi; - individuazione delle possibili superfici di scorrimento e volumi interessati dal movimento; - individuazione del tipo di movimento franoso e sua evoluzione nel tempo; - installazione di sistemi di pre-allarme Early Warning, con l invio di segnali di allarme ai cellulari. È importante rilevare che il controllo effettuato per mezzo di reti topografiche risulta a volte problematico a causa della precisione strumentale, infatti non sempre si è in grado di evidenziare spostamenti quando la loro entità è relativamente piccola. Occorrono comunque tecniche di analisi statistica che evidenzino la significatività dei movimenti (utile può essere un approccio di tipo bayesiano che è in grado di segnalare deformazioni della rete in anticipo e anche la presenza di errori grossolani). Inoltre è sempre opportuno, prima di installare i sensori o i punti di controllo in

3 una determinata posizione, eseguire una simulazione della rete per vedere se gli errori intrinseci della rete sono paragonabili, o meglio ancora inferiori, ai movimenti da monitorare. Il monitoraggio strutturale Il monitoraggio strutturale rappresenta il metodo più moderno per evitare i numerosi incidenti e disastri derivanti da : invecchiamento fisiologico dei manufatti eventi naturali quali frane, sismi, fenomeni di subsidenza (progressivo abbassamento verticale del piano campagna) cattivi criteri di costruzione. La necessità di monitorare gli edifici e le opere infrastrutturali in genere, sta diventando sempre più importante; il monitoraggio consente la misurazione, periodica o continua, del comportamento degli elementi delle strutture civili. Il monitoraggio diventa indispensabile, per salvaguardia della pubblica incolumità, quando non vi sono risorse economiche per la messa in sicurezza degli edifici, o quando per motivi di tutela del patrimonio storico-artistico non sono possibili interventi massicci necessari per la messa in sicurezza dei monumenti. Tramite il monitoraggio, infatti, è possibile verificare il reale comportamento delle strutture e attivare, in modo automatico, eventuali allarmi al superamento delle soglie di tolleranza. Inoltre quando vi sono interventi di recupero, restauro o adeguamento degli edifici, l esatta diagnosi, confermata dal monitoraggio, consente di adottare gli interventi più idonei per la soluzione delle problematiche in atto. In sintesi il controllo strutturale dovrebbe avvenire : 1) possibilmente in fase progettuale o almeno esecutiva 2) dopo la costruzione in fase di collaudo 3) in fase di esercizio per strutture da monitorare importanti e a rischio Nel tempo si controlla l evoluzione degli spostamenti o delle deformazioni. Si controllano gli spostamenti quando si deve monitorare una struttura rigida, mentre si controllano le deformazioni quando la struttura è elastica o deformabile con legge non lineare o casuale. Gli spostamenti possono essere a loro volta : relativi assoluti Fig, 1a) Traslazione o cedimento assoluto di tutta la struttura rigida Fig. 1b) Cedimento relativo di una spalla della struttura rigida rispetto all altra, a cui corrisponde una rotazione del ponte.

4 Nell esempio del ponte occorre definire in modo preciso quale è la struttura da controllare perché solitamente non si tratta solo della travata ma anche delle pile o delle spalle. I caposaldi di riferimento non devono essere soggetti a movimenti, quindi sufficientemente distanti dalla zona di carico e di possibile deformazione e nel caso si vogliano stabilire non solo traslazioni verticali ma anche spostamenti planimetrici devono essere tali da poter fissare per essi un sistema di riferimento cartesiano ortogonale locale. I caposaldi possono quindi dividersi in : planimetrici altimetrici plano-altimetrici. I controlli delle strutture possono essere effettuati mediante : - livellazione idrostatica - triangolazioni o trilaterazioni - linee di mira - pendoli ottici o meccanici - il controllo delle fessurazioni aperte Controllo con livellazione idrostatica Si utilizzano bicchieri posti stabilmente su strutture che devono essere controllate verticalmente; tali bicchieri vengono riempiti con acqua e sono comunicanti tra loro (secondo il principio dei vasi comunicanti) e con una centralina che può avere un controllo remoto. Fig. 2) : bicchiere per livellazione idrostatica

5 Le misure si effettuano leggendo, rispetto alla graduazione, il livello dei liquidi contenuto nei bicchieri arrivando ad una approssimazione di pochi decimi di mm. La livellazione idrostatica è utilizzata per controllare grandi strutture (negli anni 70 il duomo di Milano) o dighe Enel La strumentazione in figura 3a è piuttosto superata e richiede una attenta messa in opera e controlli periodici. Vi sono attualmente dei sensori elettronici più moderni che sono collegabili a filo oppure via onde radio convogliate (figura 3b). Fig. 3a) Indicatori di livello idraulico Fig. 3b) Indicatore di livello simile a quello a lato ma con trasmettitore radar ad onda guida Controllo per triangolazioni o trilaterazioni Si effettua per il monitoraggio di grandi strutture o di frane su cui si inseriscono dei segnali che devono rimanere stabili su dei pilastrini per il periodo di tempo necessario al controllo. Sui pilastrini si inseriscono inoltre delle mire a centramento forzato (anche retro illuminate). I punti in genere sono collegati mediante triangoli possibilmente regolari a due o più caposaldi su cui si misurano angoli e distanze con teodoliti al secondo, o meglio con stazioni totali. La diga ad arco è un esempio tipico dell applicazione di questa metodologia. Fig. 4) Schema di controllo per triangolazione Per il controllo ad esempio del punto 2, posto con gli altri alla sommità della diga, non ci si limiterà a misurare gli angoli in A e B, ma possibilmente si misureranno con un distanziometro di precisione le distanze A2 e B2, cercando di rendere la rete più iperdeterminata possibile. La precisione dipende da questo e, pur attrezzandosi con teodoliti a 0,1 mgon occorre che la lunghezza dei lati da misurare non siano eccessive (poche centinaia di metri) se si vogliono misurare i millimetri o la loro frazione.

6 La misura delle basi (AB o CD) essere molto accurata e ridotte opportunamente alla temperatura di riferimento tutte le misure lineari. Il problema della distanza può essere assai vincolante nel caso di frane estese ove i caposaldi devono essere posizionati in zona sicura e quindi piuttosto distanti; in genere in questi casi ci si accontenta di precisioni di qualche mm. Controllo per linee di mira Si effettua anch esso per grandi strutture (in genere dighe a gravità o a paramento lineare) sempre con dei segnali (mire) a centramento forzato. Si istituiscono delle linee di mira tra due segnali in posizione stabile all estremità della diga e i segnali che invece si possono spostare a pattino su pilastrini lungo il bordo della struttura come quello in fig. 6b). È anche possibile un monitoraggio remoto attraverso stazioni totali robotizzate situate ad una estremità e mire costituite da mini-prismi retro riflettenti. Fig. 6a) Linee di mira e mira intermedia Fig. 6b) Mira regolabile su pattino con micrometro. Controllo con pendoli ottici o meccanici I pendoli (diritti o rovesci) trovano largo impiego per la misura delle rotazioni. Ad esempio il pendolo rovescio è uno strumento che viene utilizzato per il controllo in fondazione delle dighe. Necessita della creazione di un foro verticale che viene eseguito in fase di costruzione entro cui scorrerà un filo di acciaio che viene teso verticalmente e collegato in sommità ad un galleggiante libero di muoversi su un liquido (olio). Il sistema è in genere automatizzato nelle letture mediante l impiego di tele coordinatometri. Alternativa al pendolo rovescio è il livello zenitale che è in grado di deviare la linea di mira verso lo zenith. Sul bordo della diga viene disposta una stadietta di precisione che viene letta in fase di carico e scarico del montante d acqua. Fig. 7) Pendolo rovescio

7 Controllo di fessurazioni aperte Tale controllo avviene posizionando degli strumenti provvisori o permanenti detti estensimetri a cavallo della fessura in modo di misurarne l evolversi dell ampiezza (vedasi Fig. 8 a/b, 9 a/b). Fig. 8a) Estensimetro per controllo remoto Fig. 8b) Schematizzazione di estensimetro per controllo remoto Fig. 9a) Estensimetro centesimale con barra di controllo invar Fig. 9b) Estensimetro decimale ma su base di controllo più ampia. Strumenti provvisori ed economici possono essere dei deformometri a vetrini (Figg. 10 a e b..) che sono in grado di stimare aperture con approssimazioni di circa ½ mm mentre i deformometri sono in genere dotati di scala al centesimo di mm. È importante in questo caso la taratura preliminare su asta invar fornita con lo strumento e la misura della temperatura. Fig. 10a) Deformometri a vetrini che consentano una stima anche della rotazione Fig. 10bb) Deformometri a vetrini per fessure su pareti contrapposte

8 Estensimetri a controllo remoto sono anche gli strain gages. Fig. 11) Estensimetro strain gage Questi estensimetri sono costruiti attraverso la fotoincisione di un filo sottile conduttore che costituisce una resistenza elettrica al passaggio di corrente su un supporto elettricamente isolante. L'estensimetro viene quindi utilizzato per la misurazione della deformazione incollandolo alla superficie da campionare. È correlabile la resistenza o la misura di corrente direttamente al valore della deformazione, infatti quando i sottilissimi fili fotoincisi si allontanano aumenta la resistenza elettrica. Tuttavia l estensimetro ha i suoi limiti in termini di temperatura e quantità di deformazioni che devono essere millimetriche. Tali limitazioni devono essere attentamente considerate, unite al fatto che lo strain gage ha dimensioni dell ordine del centimetro e deve andare a cavallo della fessura Una più recente categoria di estensimetri a fibra ottica (FOS - Fiber Optic Sensors) per il monitoraggio delle deformazioni è quella dei sensori a reticolo di Bragg (FBG - Fiber Bragg Grating). Questi sono costituiti da un corto segmento di fibra ottica che riflette particolari valori di lunghezza d onda e trasmette tutti gli altri, come si può vedere in Figura 12. Il segnale viaggia nella fibra e, giunto nella zona del reticolo di Bragg, può, a seconda della sua frequenza essere trasmesso, o essere riflesso all indietro. Le FBG dunque possono agire come filtri e selezionare una particolare frequenza presente sul segnale ed estrarla dalle altre. Se la parte della fibra con il reticolo è solidale alla struttura, la deformazione della stessa comporterà una deformazione del reticolo e, quindi, un cambiamento della lunghezza d onda riflessa. Le deformazioni influenzano quindi direttamente la risposta dei FBG attraverso l'espansione e la compressione di una sezione di reticolo e l'effetto ottico dovuto alla forza, che induce la modificazione dell'indice di rifrazione. In modo analogo, la temperatura influenza invece la risposta delle FBG principalmente modificando l'indice di rifrazione. Per questo, i sensori possono essere anche impiegati per la misura di temperatura, parametro fondamentale per poter analizzare la natura delle deformazioni misurate. Fig. 12) Estensimetri in fibra ottica (messi in opera dal Politecnico di Milano sulla cupola del Duomo).

9 Esempio 1: Controllo in fase di collaudo di un ponte Sia da controllare il ponte come rappresentato schematicamente dalla figura 13 nei suoi cedimenti verticali. Fig. 13 Punti di controllo per il collaudo Per l individuazione dell attrezzatura più idonea si possono fare le seguenti considerazioni che porteranno alla scelta della livellazione geometrica: - i flessimetri e gli estensimetri non controllano il cedimento delle spalle - la livellazione idrostatica è scomoda da inserire e costosa - la livellazione geometrica di precisione è veloce e precisa La fase preventiva deve : a) individuare i caposaldi sufficientemente distanti dal ponte in modo che vi sia certezza che non risentano del carico (fig. 14a); b) individuare e materializzare dei punti di controllo con borchie in acciaio inossidabile o in ottone a testa semisferica (fig. 14b) che si inseriscono in fori trapanati e sigillati con malta ad alta resistenza ed opportunamente protetti; i punti C,D,G,H sembrano superflui ma può essere opportuno inserirli per : - valutare un cedimento assoluto degli apparecchi di appoggio - valutare l eventuale rotazione del lembo della trave di banchina rispetto all appoggio teorico Fig. 14a) Borchie in ottone da murare Fig. 14b) Borchia in ottone semisferica sistemata per il controllo di un vicino piezometro. c) condurre una livellazione geometrica dal mezzo per valutare i dislivelli reali tra tutti i punti e tra i caposaldi (questa operazione può non essere necessaria nel caso non si richieda un controllo della corretta posa in opera del ponte).

10 Al momento del collaudo si condurranno le seguenti operazioni: eseguire una serie di letture, a ponte scarico, nei punti A, B,. con livello di precisione, stadia invar e lamina pian parallela oppure con livello elettronico di egual sensibilità (solitamente pochi centesimi di mm) e stadia invar, stazionando in un punto prominente e vicino ma soprattutto stabile (non occorre eseguire una livellazione dal mezzo perché il metodo sarà variometrico cioè terrà conto della differenza di letture alla stadia che non è influenzata da eventuali errori di srettifica o altri). eseguire nuovamente le letture, a ponte carico, nei vari punti A, B,. e ripeterle nel tempo (alcune volte sono necessarie alcune ore per attendere eventuali assestamenti o fenomeni viscosi); queste letture possono essere condotte anche con carichi parziali o differenti a seconda di quanto previsto dal collaudatore. Verificare, a ponte scarico, il ritorno elastico e le eventuali deformazioni permanenti. Esempio 2 : Controllo del comportamento nel tempo di un edificio in cui sono state evidenziate dei cedimenti in evoluzione. Fig. 4) Disposizione planimetrica dei caposaldi e dei punti di controllo inseriti, con basetta e naso con chiodo in ottone semisferico, al piede dell edificio sui due lati interessati al cedimento. È capitato allo scrivente di dover controllare i cedimenti di un edificio di cinque piani relativamente recente che prospettava su una strada principale e all interno del quale si erano formate delle fessure in alcune murature di tamponamento che progredivano in ampiezza, seppur lentamente ma in maniera preoccupante. Per queste operazioni è necessario un parere con uno strutturista, il quale ipotizzava un cedimento delle fondazioni verso Via Bozzole, per concordare le verifiche nei punti strategici. In questo caso lo strutturista e aveva provveduto ad inserire opportuni vetrini e deformometri sulle murature lesionate, che fortunatamente erano strutture di tamponamento di non essenziale rilevanza. Si è iniziato l inserimento attraverso tassellatura, di piastre a T fisse alle pareti dei due lati del fabbricato recanti, sulla corta mensola sporgente, il classico dado in ottone a testa semisferica. Le piastre sono state protette dalle intemperie con coperchi di plastica e siliconate lungo il perimetro. Fig. 5) Schematizzazione della piastra a parete per il controllo Poi si sono scelti due caposaldi di controllo CS1 e CS2, sempre materializzati con chiodi a testa semisferica infissi in un piano di calcestruzzo non cedevole ed in zona sufficientemente lontana dall edificio.

11 Si è condotta poi una livellazione geometrica di alta precisione con stadia invar e livello elettronico al centesimo, in posizione pressoché dal mezzo tra CS1 e CS2, valutando tuttavia l errore residuo di srettifica con il sistema livellazione dal mezzo-livellazione da un estremo e correggendo dell errore di srettifica i vari dislivelli su A,B,C ecc.. Dopo le misure si sono protetti i caposaldi e si sono effettuati i conteggi a tavolino; i controlli sono proseguiti mensilmente per il primo anno, trimestralmente per il secondo e parte del terzo. I cedimenti hanno fornito un risultato inatteso, infatti in alcuni mesi dell anno sembrava che l edificio salisse anziché scendere; in realtà questo sistematismo è stato spiegato dall innalzamento della falda freatica in alcuni mesi dell anno e dal periodo di asciutta dei terreni vicini, per la maggioranza coltivati a riso. Da questo riscontro appare chiara l importanza di effettuare controlli sul livello della falda e registrare inoltre le temperature nel periodo in cui si effettuano le misure. CEDIMENTI ANNUALI (mm) GENNAIO FEBBRAIO MARZO APRILE MAGGIO GIUGNO LUGLIO AGOSTO SETTEMBRE OTTOBRE NOVEMBRE DICEMBRE GENNAIO A B C D E F G H I Fig. 5) Andamento nel tempo dei cedimenti sui punti di controllo.. Dalle indagini fatte e da informazioni ricevute su chi aveva assistito alla costruzione, si venne a conoscenza dell esistenza di un fosso lungo via Bozzole che era stato dismesso e poi coperto, sul quale fu sistemata la fondazione dell edificio. Un certo recupero del cedimento lo si è notato anche nei mesi di inverno in cui il terreno ghiacciava. Togliendo il sistematismo, presente in tutti i vertici di controllo, rimaneva comunque un cedimento residuo non indifferente, soprattutto nel punto F. Il controllo è proseguito sotto le direttive del Tecnico strutturista per altri due anni circa, alla fine dei quali si è deciso di effettuare una sottofondazione con micropali sul lato lungo la via principale. In effetti l andamento dei cedimenti dimostrava un abbassamento che non si estingueva nel tempo ma progrediva linearmente, inoltre più che uno sprofondamento appariva una rotazione attorno ad un asse parallelo al lato lungo del fabbricato, lato su cui si è intervenuti. Il monitoraggio dei movimenti franosi Le frane in Italia hanno una importanza notevole tanto che il nostro paese risulta tra quelli tecnologicamente più avanzati per quanto riguarda la soluzione dei problemi che comportano. La conoscenza ed il monitoraggio dei fenomeni franosi sono fondamentali per una efficiente programmazione delle attività di previsione e prevenzione e per una efficace pianificazione degli interventi. Da qui si comprende l importanza dell utilizzo di strumentazioni e tecniche di monitoraggio adeguate, che permettano di studiare l evoluzione dei fenomeni franosi, comprendendone l estensione e l entità dei movimenti.

12 Gli strumenti per il monitoraggio si possono classificare, in base alla necessità o meno di accedere all area in esame per effettuare le misure, in : - dispositivi per monitoraggio da locale, sono quelli che vengono installati direttamente nella zona instabile o nelle immediate vicinanze; - dispositivi per monitoraggio da remoto, sono quelli che non prevedono un contatto fisico con la zona da monitorare; - dispositivi misti, sono quelli in cui soltanto una parte dello strumento è installata sul versante, mentre l unità di misura principale è dislocata in una postazione remota. Gli ultimi due sono fondamentali in situazioni di emergenza o di forte rischio, cioè quando non è possibile accedere direttamente alle zone interessate dal movimento. Le tecniche di monitoraggio si possono classificare, in base alla superficie/volume che deve essere monitorato, in : 1) tecniche di monitoraggio puntuale, dove il monitoraggio è limitato al punto in cui vengono installati (o ad una area ridotta intorno ad esso); gli strumenti più utilizzati sono : tridirezionale a barra bidirezionale monodirezionale a) estensimetri di superficie b) estensimetri di profondità (o multibase) c) distometri a nastro invar a filo (per il controllo della componente di spostamento lineare) lineari d) fessurometri meccanici elettrici e) inclinometri a circuito aperto (tubo aperto) per falde libere f) piezometri a circuito chiuso (tipo Casagrande) per falde confinate g) geofoni h) metodi topografici (teodoliti, distanziometri, livelli, ecc.) i) GPS Estensimetri di superficie e di profondità Gli estensimetri di superficie vengono utilizzati per misurare lo spostamento relativo tra due punti posti ai lati di una frattura rendendo le due estremità dello strumento solidali con il terreno (o roccia). In generale, quando la distanza tra i due punti è dell ordine di 1-3 m si utilizzano gli estensimetri a barra (fig. 1), invece per grandi distanze (5-50 m) si utilizzano gli estensimetri a filo (fig. 2). Lo spostamento di uno dei due punti di misura modifica la lunghezza del filo (o l estensione della barra), tale spostamento viene registrato da un sensore che lo trasmette alla centralina. L ordine di grandezza delle misure è dell ordine dei centesimi-decimi di mm. Gli estensimetri di profondità vengono utilizzati sui corpi frana (ma non solo) per il controllo dei movimenti di un certo numero di punti di misura (multibase quando tali punti sono più di uno), sia nei terreni che nelle rocce. I punti di misura sono installati dentro dei fori, in modo permanente e a profondità definite.

13 Il dispositivo si compone generalmente di uno o più cavi (oppure aste in acciaio o vetroresina) mantenuti in tensione mediante un peso e collegati in superficie a un potenziometro (fig. 3); le variazioni di valore corrispondono ad allungamenti o accorciamenti del cavo. L ordine di grandezza delle misure è dell ordine dei mm. Fig.1 Fig.2 Fig.3 Distometri I distometri consentono di misurare manualmente le variazioni di distanza tra due punti fissi rappresentati ad esempio dalle pareti di una grossa frattura ed è utilizzato generalmente su ammassi rocciosi. Si compone di un corpo cilindrico in lega leggera con una serie di elementi tra cui una bindella centimetrata, un comparatore centesimale, un sistema di tensionamento, ecc. (fig. 4 e 5). Vengono eseguite tre misurazioni e il valore da considerare è la media; consente di compiere misure con la precisione del centesimo di mm. Fig. 5 Fig. 4

14 Fessurimetri I fessurimetri (o misuratori di giunto) sono strumenti che consentono il controllo delle fessure, rispetto alle quali sono posizionati a cavallo, presenti su edifici o le piccole fratture di ammassi rocciosi. La precisione degli strumenti varia dal mm (fessurimetro lineare) (fig. 6) al centesimo di mm (fessurimetri e misuratori di giunto elettrici) La restituzione dei dati è analoga a quella già vista con gli estensimetri e distometri (grafico spostamenti-tempo) Fig. 6 Inclinometri Gli inclinometri sono dei trasduttori differenziali di dimensioni molto ridotte, atti a rilevare la rotazione di una sezione con precisione dello 0,5% una risoluzione di ± 0,001 ed un campo di lettura di ±4 (fig. 7). Vengono fissati sulla parete della struttura lungo la linea di cui interessa la deformazione. Fig. 7 Piezometri I piezometri sono strumenti che trovano ampia applicazione in campo geotecnica misurando il livello di falda (fig. 8 e 9). I vari tipi di piezometri possono essere attrezzati per le misure in continuo utilizzando piezometri elettrici e centraline di misura. Fig. 8 Fig. 9

15 Geofoni I geofoni sono strumenti che permettono l'esatta localizzazione di perdite (fluide e gassose); gli apparecchi funzionano basandosi sul rumore che una perdita emette fuoriuscendo. Questi sistemi sono ideali per il monitoraggio di reti quali acquedotti e fognature, impianti antincendio, oleodotti, gasdotti, impianti civili e industriali; sono utilizzati anche dalla Protezione Civile in caso di calamità, grazie ad essi è infatti possibile individuare persone superstiti sotto le macerie, tramite la rilevazione del respiro e del battito cardiaco. 2) tecniche di monitoraggio estensive, consentono di eseguire il monitoraggio su una superficie più o meno vasta dell area da monitorare; i principali sono : a) la fotogrammetria b) il laser scanner (LIDAR) c) l interferometria radar da satellite Le tecniche di monitoraggio estensive sono quelle attualmente più diffuse ed utilizzate, permettono di raggiungere precisioni sub-centimetriche e talvolta millimetriche. Tuttavia tali precisioni risultano spesso inadeguate per il monitoraggio di fenomeni franosi molto lenti, caratterizzati da movimenti annuali di qualche centimetro e per opere soggette a deformazioni molto ridotte, quali ad esempio le dighe. Attualmente è in fase di sviluppo, una tecnica di monitoraggio di tipo estensivo che permette di raggiungere precisioni millimetriche e spesso sub-millimetriche, andando così a completare il quadro dei metodi disponibili per un adeguato monitoraggio del territorio alle diverse scale di interesse. Questa tecnica è quella dell interferometria radar (SAR) da terra (GB-InSAR). L'interferometria è un metodo che sfruttando le interferenze di onde coerenti fra loro, permette di eseguire misurazioni di lunghezze d'onda e quindi misure di distanze e di spostamenti dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d'onda utilizzata. L elevata precisione di misura di questa tecnica è però accompagnata da due principali aspetti negativi: è possibile eseguire solo misure di spostamento lungo la linea di vista del radar e tale precisione è relativa a variazioni di lunghezza inferiori alla soglia massima di spostamento che è pari ad un quarto della lunghezza media del segnale radar utilizzato. Rilievo tramite la tecnica SAR interferometrica terrestre GB-InSAR è l acronimo di Ground-Based Interferometric Synthetic Aperture Radar, ovvero radar interferometrico ad apertura sintetica installato a terra. Nell'interferometria terrestre, l'apertura sintetica o meglio la sintesi di apertura radar (SAR), che è la distanza coperta dalla piattaforma mentre l antenna radar raccoglie informazioni, viene riprodotta attraverso un sensore radar costituito da due antenne che emettono e ricevono segnali con frequenze nel campo delle microonde, mentre vengono spostate lungo un binario rettilineo della lunghezza di qualche metro. Tale tecnica consente di ottenere immagini radar con risoluzioni in cross range migliori rispetto a quelle acquisite da sensori radar delle stesse dimensioni fisiche ma fissi, aumentando in tal modo la possibilità di localizzare il bersaglio in direzione di cross range ma riducendo l ampiezza dell area monitorata. La parola RADAR è l acronimo di RAdio Detection And Ranging, ovvero radiorilevamento e determinazione della distanza tramite onde radio.

16 Il radar è un sensore attivo che invia impulsi a microonde verso lo scenario irradiato, registra in ampiezza e fase il segnale riflesso e ottiene l informazione sulla distanza dei diversi elementi riflettenti presenti (quali rocce, manufatti, superfici metalliche, ) mediante il calcolo del ritardo temporale tra il segnale inviato e l eco ricevuto. Il sistema radar GB-InSAR è costituito principalmente da (figura 10) : due antenne, una trasmittente e una ricevente un binario metallico e un motore elettrico per la movimentazione orizzontale delle antenne un motore elettrico con vite senza fine per la movimentazione verticale delle antenne un cassone in legno contenente l elettronica principale del sistema e un personal computer un sistema di alimentazione (due batterie con caricabatteria e gruppo elettrogeno) un inverter e vari cavi di collegamento Figura 10 GB-InSAR nella sua configurazione operativa con indicazione dei vari componenti Con il termine immagine radar si intende una raffigurazione bidimensionale della riflettività di uno scenario alla frequenza delle microonde; in genere l immagine viene rappresentata in un sistema di riferimento cartesiano in cui l asse delle ascisse rappresenta la risoluzione detta di cross range, ovvero lungo la direzione di scansione del sensore (binario), mentre l asse delle ordinate rappresenta la risoluzione detta di range, ovvero lungo la direzione congiungente strumento con lo scenario (linea di vista del radar), la quale è perpendicolare alla direzione di scansione (figura 11). Figura 11 Rappresentazione schematica di un immagine radar

17 L elemento fondamentale dell immagine radar è il pixel; esso contiene un informazione di modulo, ovvero di ampiezza, la quale è legata all intensità del segnale ricevuto, e un informazione di fase, legata alla distanza (range) tra il sensore e l oggetto colpito. Le risoluzioni in range (Δr) e cross range (Δx) sono date da (Atzeni et al., 2001): c Δ r = 2 B (1) dove : c = velocità di propagazione del segnale radar B = intervallo (banda) di frequenze scandito λ = lunghezza d onda impiegata L = lunghezza del binario della scansione SAR R = distanza tra sistema radar e oggetto da monitorare λ Δ x= R (2) 2 L Dalla (1) si osserva che la risoluzione in range è indipendente dalla distanza di misura, mentre quella in cross range si degrada all aumentare della distanza di misura R (a parità di altre condizioni). Dall elaborazione delle immagini radar (SAR) acquisite è possibile ricavare delle mappe di spostamento dello scenario osservato, con precisioni millimetriche e spesso sub-millimetriche nella misura degli spostamenti lungo la linea di vista del radar e in funzione di specifiche condizioni locali e atmosferiche. Le mappe di spostamento si ottengono grazie all analisi interferometrica, la quale consiste sostanzialmente nella generazione di interferogrammi. Un interferogramma può essere ottenuto dalla moltiplicazione, pixel per pixel, di una prima immagine SAR per il complesso coniugato di una seconda immagine SAR. Dato che ciascuna immagine SAR ha pixel di dimensioni variabili con la distanza, anche l interferogramma generato avrà pixel con dimensioni che sono funzione della distanza. Da ciò risulta che le mappe di spostamento che si ottengono hanno pixel di area a terra variabile tra pochi metri quadrati (a qualche centinaio di metri di distanza tra sistema radar e oggetto monitorato) e la decina di metri quadrati (a 2-3 km di distanza). Le mappe di spostamento vengono in genere create su modelli digitali (DEM) dello scenario osservato, in modo da eliminare le deformazioni che si avrebbero se esse fossero elaborate su un generico piano e per avere una corrispondenza con lo scenario reale. Un modello digitale di elevazione DEM (Digital Elevation Model) è la rappresentazione della distribuzione delle quote di un territorio, o di un'altra superficie, in formato digitale. Le tipologie di sistemi interferometrici SAR terrestri attualmente esistenti sono ancora in fase di sperimentazione, quindi non è facile fornirne un quadro esaustivo né una classificazione. In generale esse si differenziano per la lunghezza del binario su cui avviene la movimentazione delle antenne per la realizzazione della sintesi d apertura (SAR); essa può variare da un paio di metri fino a 5 6 metri. La maggior parte di queste strumentazioni viene fissata tramite opportuni dispositivi metallici a basamenti in calcestruzzo appositamente realizzati oppure su manufatti stabili, quali muretti, coperture, ecc.. In alcuni casi, come quello riportato in figura 12, il dispositivo radar viene posizionato all interno di un container provvisto di ruote per il trasporto con rimorchio per consentire una maggior manovrabilità.

18 Figura 12 - Sistema LISA su rimorchio1 (l = 5m) Il sistema LISA è il primo prototipo di radar interferometrico portatile, sviluppato nel 1999 presso il Joint Research Center (JRC) della Comunità Europea presso Ispra (VA). Georeferenziazione delle immagini SAR Per poter riferire le immagini radar nel sistema di coordinate del DEM dello scenario monitorato occorre determinare i parametri della rototraslazione rigida tra il sistema di coordinate del GB- InSAR (cioè delle immagini radar) e quello del DEM (UTM-WGS84 con quote ortometriche). Il primo è definito dagli assi coordinati XSAR, YSAR e ZSAR mentre il secondo dagli assi coordinati Xgeo, Ygeo e Zgeo. Data la procedura di installazione dello strumento radar, che prevede la messa in bolla della struttura, è lecito ipotizzare che l asse ZSAR del radar sia diretto perpendicolarmente alla superficie terrestre e che quindi sia coincidente con l asse Zgeo del sistema di coordinate del DEM. In base a tale ipotesi, il problema si riduce ad una trasformazione di roto-traslazione sul piano orizzontale. Per stimare i tre parametri di quest ultima (α, Tx, Ty) occorre conoscere le coordinate nei due sistemi di almeno due punti, o meglio tre punti per avere una certa ridondanza e poter stimare gli errori commessi, tramite un procedimento di stima ai minimi quadrati. A tal scopo, durante l interruzione tra la seconda e la terza sequenza di acquisizione di immagini radar, sono state acquisite tramite il GB-InSAR tre immagini in potenza (ovvero valore di riflessione) del segnale retrodiffuso dall area monitorata, ciascuna relativa ad una delle posizioni all interno dello scenario in cui è stato installato un opportuno riflettore attivo (figura 14). Quest ultimo è costituito da : antenna ricevente antenna trasmittente amplificatore batteria snodo e treppiede fotografico Figura 14 Riflettore attivo posizionato all interno dello scenario monitorato dal GB-InSAR

19 Tale dispositivo ha la funzione di captare il segnale radar inviato dal GB-InSAR e ritrasmetterlo lungo la stessa direzione. In tal modo il riflettore attivo viene visto dal GB-InSAR come un punto a riflettività elevata, quindi facilmente individuabile rispetto agli altri riflettori naturali presenti nell immagine radar acquisita. Risulta quindi immediato ricavare le coordinate del riflettore attivo nel sistema di coordinate del GB-InSAR. Stima della precisione di misura Un metodo per stimare la precisione nella misura degli spostamenti è quello di considerare la distribuzione dei valori di differenza di fase sui vari interferogrammi, corrispondenti a quelle aree della scena che possono essere considerate stabili. La deviazione standard (scarto quadratico medio) della distribuzione che si ottiene rappresenta una stima della precisione di misura. L applicazione del GB-InSAR al monitoraggio dei fenomeni franosi per lo studio di stabilità dei versanti, ha permesso di effettuare importanti considerazioni riguardo la qualità e all affidabilità dei dati ottenuti e alla loro integrazione con altre tecniche; in particolare, nel monitoraggio di una frana in roccia situata nell area di cava di Baveno (VB), è stata stimata un affidabilità delle misure pari a ± 0,70 mm con una probabilità del 95%. Pregi e difetti della tecnica GB-InSAR I principali aspetti positivi sono : elevata precisione di misura, grazie alla quale è possibile monitorare anche fenomeni franosi molto lenti, soggetti a spostamenti di alcuni millimetri l anno, e spostamenti/cedimenti di manufatti in genere. Con tale tecnica è possibile monitorare aree poste fino a distanze di 3-4 km, senza richiedere l accesso di operatori nella zona monitorata, riducendo di molto il rischio per essi nel caso ad esempio di zone instabili. Inoltre, le misure di spostamento possono essere eseguite in tempo quasi reale ovvero con un tempo minimo di acquisizione di un immagine nell ordine delle decine di minuti; possibilità di eseguire monitoraggi in maniera quasi indipendente dalle condizioni meteorologiche e di illuminazione solare: solo in condizioni di forte pioggia o di intensa nevicata si ha un deterioramento del dato radar, per cui è bene non acquisire. I dati ricavati sono interpretabili con facilità ed immediatezza, trattandosi di immagini in cui gli spostamenti sono identificabili con scale colorimetriche. È possibile avere una visione globale dello scenario osservato, consentendo così di quantificare e identificare con precisione l estensione dei fenomeni che lo interessano e le aree di principale movimento; tale tecnica può essere applicata a controlli con cadenza periodica (es. alcuni mesi) e a monitoraggio in continuo, per cui si possono studiare praticamente tutti i fenomeni franosi, dai più lenti a quelli relativamente veloci (es. qualche centimetro l ora). Tuttavia, per evitare problemi di ambiguità di fase, è bene che lo spostamento che si verifica tra due acquisizioni successive sia minore di un quarto della lunghezza d onda media del segnale radar utilizzato. I principali aspetti negativi sono : viene misurata la sola componente di spostamento parallela alla linea di vista del radar e quindi perpendicolarmente alla direzione di scansione delle antenne; eventuali spostamenti in altre direzioni non vengono di conseguenza rilevati. Quindi, per poter monitorare in modo adeguato il fenomeno, è bene installare lo strumento in una posizione che permetta di misurare la componente dello spostamento che interessa maggiormente; la risoluzione in direzione di cross range, ovvero in direzione parallela al binario dello strumento, delle immagini radar si degrada all aumentare della distanza di misura. Come già spiegato in precedenza, con un binario di lunghezza 1.9 m e a parità di risoluzione in range

20 (es 3,0 m), a una distanza di 500 m si hanno pixel di dimensioni 6,7 m 3,0 m, mentre a 2 km di distanza si ottengono pixel di dimensioni 26,8 m 3,0 m. Questo pone delle limitazioni nell utilizzo della tecnica per lo studio dei movimenti di versante, infatti informazioni di spostamento mediate all interno di pixel così grandi, sono rappresentative se riferite a fenomeni di instabilità di grandi volumetrie di terreno o per spostamenti differenziali nell estensione del corpo di frana modesti. Tuttavia, a seconda della strumentazione utilizzata, delle frequenze di misura e dei tempi di acquisizione è possibile variare in un certo range la risoluzione dei pixel ottenibili, la quale risulta comunque dipendente dalla distanza di misura. A parità di altre condizioni, è possibile ridurre le dimensioni dei pixel delle immagini radar impiegando un segnale radar con frequenze maggiori di quelle impiegate nel caso di studio; tuttavia, in tal caso, si ha una maggior influenza dell effetto atmosferico e si riduce il massimo spostamento misurabile tra due acquisizioni successive (tale spostamento è pari a un quarto della lunghezza d onda media del segnale radar utilizzato); la strumentazione presenta una massa elevata e abbastanza ingombrante, per cui risulta necessario il trasporto con fuoristrada o elicottero fino al punto di installazione. Inoltre, l installazione deve essere effettuata su un basamento stabile, che nella maggior parte dei casi deve essere appositamente realizzato; per condurre l analisi interferometrica, è necessario che gli operatori facciano delle assunzioni arbitrarie dei valori di soglia della coerenza a seconda dello scenario monitorato e ricordando che al variare di tali valori di soglia si ottengono mappe di spostamento non univoche, si potrebbero ottenere risultati poco affidabili. nello spazio compreso tra lo strumento e lo scenario, per una distanza di almeno 50 metri, non devono essere presenti oggetti metallici (pali, pannelli, autoveicoli, ecc.), infatti a causa della loro elevata riflettività, rischiano di compromettere l immagine radar perché a distanze ridotte, la loro riflettività prevale nettamente su quella degli oggetti circostanti, saturando quindi l immagine. Anche il passaggio di autoveicoli può creare problemi, interrompendo il monitoraggio e rendendolo quindi discontinuo; occorre inoltre prestare attenzione alla presenza di fitta vegetazione o specchi d acqua nelle immediate vicinanze dello strumento, in quanto essi potrebbero creare problemi di decorrelazione del segnale. Confronto fra le tecniche GB-InSAR e laser scanner Sono ben note le potenzialità offerte dalla tecnica LIDAR, quindi considerando quanto evidenziato in precedenza per la tecnica GB-InSAR si possono effettuare alcuni confronti che consentano una valutazione delle due tecniche. Grazie agli strumenti LIDAR è possibile acquisire rapidamente milioni di punti dello scenario osservato e creare un modello 3D completo dell oggetto del rilievo. È possibile raggiungere le stesse precisioni delle tecnica GB-InSAR su distanze ridotte (dell ordine delle decine di metri), ma col vantaggio di fornire informazioni per ciascun punto rilevato e non informazioni mediate su pixel di area pari a diversi metri quadrati. La tecnica LIDAR permette di ottenere modelli digitali di elevazione densi (DDEM Dense Digital Elevation Model) dell oggetto osservato; nel caso di rilievi multi temporali è possibile rilevare spostamenti in ciascuna ridotta porzione dello scenario osservato e non solo in corrispondenza di pixel di diversi metri quadrati di dimensione come nel caso della tecnica GB- InSAR. Inoltre, nel caso di rilievi multi temporali, eventuali cambiamenti nella posizione di installazione del laser scanner non creano problemi dal momento che il sistema di riferimento dei modelli 3D è per cosi dire fissato sui marker utilizzati, mentre spostamenti anche solo millimetrici della

21 strumentazione GB-InSAR tra campagne successive possono ridurre drammaticamente l accuratezza di misura. Grazie al confronto multi temporale tra scansioni successive è possibile rilevare spostamenti nelle tre dimensioni spaziali, mentre con la tecnica GB-InSAR può essere rilevata la sola componente di spostamento parallela alla linea di vista del radar (ovvero perpendicolarmente al binario dello strumento). Tuttavia, dato che nel caso di applicazioni ambientali della tecnica LIDAR si ha in genere un accuratezza di misura centimetrica, possono essere osservati solo gli spostamenti di entità superiore a qualche centimetro. Per quanto riguarda il trasporto, gli strumenti LIDAR terrestri presentano in genere una massa minore dei dispositivi GB-InSAR e sono meno ingombranti, per cui è possibile trasportarli senza la necessità di mezzi particolari. Le massime distanze misurabili con la tecnica LIDAR possono variare considerevolmente tra uno strumento e l altro; in generale esse variano tra la decina di metri e diversi chilometri di distanza di misura. Infine, a differenza della tecnica GB-InSAR le acquisizioni mediante tecnica LIDAR devono essere eseguite in condizioni atmosferiche buone (assenza di precipitazioni); nel caso in cui si acquisiscano immagini digitali allo scopo di integrare i dati laser, è anche necessaria una buona illuminazione dello scenario osservato. Conclusioni Le due tecniche possono essere considerate complementari: la tecnica LIDAR può essere infatti utilizzata per generare modelli 3D accurati dell oggetto monitorato sui quali proiettare le immagini radar acquisite tramite GB-InSAR. La tecnica interferometrica SAR terrestre risulta essere particolarmente efficace come supporto a reti di monitoraggio con strumentazione tradizionale, già installate ed operanti oppure in fase di installazione. Tale tecnica può infatti fornire informazioni complementari per ottimizzare la distribuzione di sensori tradizionali e contribuire all individuazione di aree di spostamento più o meno significative. In conclusione, si può affermare che la tecnica GB-InSAR compendia le caratteristiche di precisione e flessibilità necessarie per essere considerata un valido strumento di l allerta e per i compiti di protezione civile, ma che in parte deve ancora essere migliorata e potenziata al fine di ottenere informazioni maggiormente fruibili, soprattutto da un punto di vista geotecnico. Alcuni passaggi e foto sono stati tratti (con consenso degli autori) da : Tecnica sar interferometrica terrestre per i monitoraggio delle frane Andrea Lingua, Dario Piatti, Fulvio Rinaudo