ESEMPI DI APPLICAZIONI GPR (Ground Penetrating Radar) SU BENI ARCHITETTONICI E GRANDI COMPLESSI DI EDILIZIA CIVILE E INDUSTRIALE NEL CENTRO ITALIA

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1 ESEMPI DI APPLICAZIONI GPR (Ground Penetrating Radar) SU BENI ARCHITETTONICI E GRANDI COMPLESSI DI EDILIZIA CIVILE E INDUSTRIALE NEL CENTRO ITALIA D.Cassioli, D.Marchetti, F.Olini, O.Orlandi, R.Seri, S.Spina D.Cassioli, D.Marchetti, O.Orlandi, R.Seri - GEO 3D S.r.l. Via Emilio Greco, 3d, Rieti-tel/fax info@geo-3d.it F.Olini, S.Spina ISTEDIL Istituto Sperimentale per l Edilizia S.p.a. Via Tiburtina Valeria Km 18,300, Guidonia M. (ROMA)-tel fax infobox@istedil.it Autore relatore: Domenico Marchetti Parole chiave: Monitoraggio strutture civili, Ingegneria civile, Georadar. SOMMARIO Nell ambito delle attività di monitoraggio ed indagini di strutture civili, di cui la società ISTEDIL S.p.a. si occupa da decenni, si sono affiancate le metodologie di indagine più tradizionali, con tecniche diagnostiche non distruttive di tipo GPR. Il Ground Penetrating Radar utilizzato in modalità 2D e 3D, ha permesso di acquisire informazioni su tecniche costruttive, elementi strutturali, armature e difetti, su strutture di grande pregio artistico dove risultava di particolare importanza la non invasività e in ambito civile all interno di grandi complessi interessati da interventi di monitoraggio e recupero. In questo contributo sono presentati esempi di applicazione su due edifici storici del patrimonio architettonico di Roma: nel primo, seicentesco, ampliato e ristrutturato ad inizio novecento, sono state eseguite delle scansioni GPR sulle lastre di marmo che ricoprono degli archi allo scopo di individuare la presenza di lesioni e distacchi e la posizione di elementi metallici di ancoraggio delle lastre; nel secondo, settecentesco, originato dall ampliamento di un edificio quattrocentesco, sono stati indagati invece alcuni solai con la finalità di individuarne la struttura, permettendo di definirne la configurazione geometrica e le dimensioni. Infine si presenta un esempio di indagine su una grande strutture in c.a. in Roma: nell intervento è stato indagato un elemento strutturale al fine di individuare la geometria delle armature e l estensione degli elementi stessi. Il valore aggiunto della tecnica georadar in questo caso è stato di poter verificare velocemente ampie superfici e di raggiungere aree inaccessibili con altre tecniche. Introduzione Il georadar o GPR (Ground Penetrating Radar) è una tecnica geofisica che negli ultimi decenni ha conosciuto un discreto sviluppo ampliandone i campi di applicazione. La facilità di acquisizione, la maneggevolezza della strumentazione e la restituzione dei dati grezzi contestualmente all acquisizione ne ha permesso la diffusione anche in contesti di ingegneria civile e architettura.

2 L immediatezza del dato potrebbe però creare facili entusiasmi sulla restituzione dati, che invece, nonostante l evoluzione della strumentazione e dei software dedicati, rimane un processo molto elaborato, che richiede grande esperienza da parte di tecnici specializzati. Inoltre va sottolineato che la prova con GPR rimane una prova geofisica indiretta, con caratteristiche qualitative eccellenti, ma quantitative limitate; fatto questo non compreso a scala globale e che crea a volte malintesi tra committente ed esecutore. Breve descrizione del metodo La tecnica GPR si basa sulla misura delle proprietà fisiche (resistività elettrica, permittività dielettrica, polarizzabilità indotta, etc) dei materiali 1,2 mediante l utilizzo di onde elettromagnetiche che vengono immesse, riflesse e ricevute da un antenna che viene trascinata sulla superficie del materiale da investigare. Le modalità di propagazione delle onde elettromagnetiche sono strettamente legate alle costanti dielettriche dei materiali, che derivano a loro volta dallo stato fisico degli stessi (densità, porosità, permeabilità, conducibilità, etc.), pertanto tutte le interfacce separanti mezzi con caratteristiche diverse possono essere individuate in modo tanto più certo quanto più alto è il contrasto fisico. In pratica, attraverso l antenna, dispositivo trasmittente-ricevente, collegata ad un registratore grafico, viene inviata nel mezzo di indagine una serie continua di impulsi elettromagnetici, in corrispondenza delle superfici di discontinuità una parte dell'energia trasmessa viene riflessa e captata dalla sezione ricevente dell'antenna mentre un'altra parte penetra ulteriormente per essere riflessa da una superficie sottostante. Contemporaneamente al movimento dell'antenna il registratore grafico produce una sezione continua spazio-tempo nella quale si osservano le tracce delle diverse riflessioni o, comunque, delle anomalie nella risposta (Fig.1). Figura 1. - Trasmissione, riflessione e ricezione del segnale radar

3 Il dato ottenuto dalla prova è denominato sezione radarstratigrafica o radargramma. Quest'ultima ha carattere qualitativo in quanto consente l'interpretazione delle caratteristiche delle diverse "riflessioni" sotto forma di geometria e di intensità del segnale ricevuto (Fig.2). Figura 2 - Radargramma La sezione radarstratigrafica riporta in ascissa i valori delle distanze misurate e in ordinata il tempo di riflessione degli impulsi che viene trasformato in profondità, nota la costante dielettrica, e quindi la velocità dell onda. Acquisendo le sezioni su una maglia impostata ad intervalli regolari lungo i due assi cartesiani x ed y, in fase di elaborazione, è poi possibile ricostruire un modello tridimensionale che importa i radargrammi secondo la regolarità di acquisizione lungo i tre assi cartesiani x, y e z. Strumentazione e metodi di acquisizione Si è utilizzata una strumentazione costituita da un unità di acquisizione SIR 3000 della Geophysical Survey System Instruments (GSSI) ed antenne di frequenza 400 MHz,1.0GHz e 1.5 GHz. L elaborazione dei dati è stata effettuata mediante software RADAN 6 GSSI. Le scansioni sono state effettuate con antenne dotate di carrello encoder, e nei punti troppo stretti per la movimentazione della rotella di acquisizione, in modalità tempo con acquisizione continua apponendo sul radargramma dei marker a distanze prestabilite (fig.3). Figura 3.Acquisizione con antenna priva di carrello encoder.

4 Edifici storici Il GPR può risultare molto utile in tutti quegli edifici di importanza storica, in cui non è possibile intervenire con metodi diretti ed invasivi. A titolo di esempio si riportano due lavori eseguiti per conto di ISTEDIL S.p.a., presso due edifici di importanza storica siti nel Comune di Roma, oggetto di ristrutturazione, in cui non era possibile intervenire in modo diretto. Nel primo edificio seicentesco, ampliato e ristrutturato ad inizio novecento, sono state eseguite delle scansioni GPR sulle lastre di marmo che ricoprono un arco allo scopo di individuare la presenza di lesioni, distacchi e zone di ammaloramento e la posizione di eventuali elementi metallici di ancoraggio delle lastre stesse. Con l ausilio di un impalcatura mobile è stato passato il trasduttore su parti ritenute significative del prospetto frontale, del prospetto laterale e delle basi dell arco(fig. 3-4). Figura 4.Arco esaminato. Dall elaborazione dei dati è stato possibile stimare lo spessore delle diverse lastre di marmo, tramite la localizzazione dell interfaccia marmo-malta muratura, ed individuare la presenza di laterizi forati alla base delle lastre in base al peculiare pattern di riflessione (Fig.5), nonché la presenza di alcuni vuoti all interno della muratura di sostegno.

5 Figura 5.Radargramma da lastra di marmo decorazione prospetto frontale. Figura 6.Radargrammi arco interno. Infine sono state localizzate alcune diffrazioni molto intense associabili a perni metallici di sostegno delle lastre di marmo (Fig. 6). Nel secondo edificio, situato anch esso nel Comune di Roma, lo scopo dell indagine era la ricostruzione della struttura dei solai del piano primo adibito a biblioteca e del piano secondo. La fase di acquisizione è stata organizzata in modo da indagare le strutture trasversalmente e longitudinalmente, utilizzando in gran parte l antenna da 1000MHz per indagare con maggiore dettaglio i primi 1,5 m e in piccola parte l antenna da 400 MHz in modo da avere una visione globale della struttura. In particolare il solaio del piano secondo è stato indagato con antenne da 1000 MHz e 400 MHz. Due radargrammi acquisiti con antenna da 1000 Mhz mostrano sezioni particolarmente significative ai fini della ricostruzione della struttura del solaio, confermate anche da altri dati acquisiti in altre direzioni: in fig.7 si riporta il radargramma più significativo, in basso dopo post processing e superiormente con interpretazione dei segnali.

6 Figura 7.Radargramma acquisito con antenna da 1000 MHz. Nella porzione superiore del radargramma, nei primi 20 cm di spessore si evidenziano delle riflessioni puntuali associabili ai travetti del solaio, disposti perpendicolarmente rispetto alla sezione acquisita, ad una equidistanza di circa 80 cm; tra un travetto e l altro si nota una piccola volta di collegamento; lo spessore totale di massetto e travetti è di circa 20 cm. Alla base di questo solaio superiore si evidenzia la presenza di vuoto, che tende a rastremarsi fino a scomparire man mano che ci si avvicina alla zona centrale dell edificio; in prossimità delle pareti perimetrali raggiunge uno spessore massimo di circa 35 cm. Alla base del vuoto si registra un altra riflessione associabile ad un riempimento di varia natura (in alcuni punti si riconoscono tavelloni); questo riempimento, contrapposto al vuoto sovrastante, aumenta di spessore dalle pareti verso il corridoio; La struttura più evidente si è registrata nella zona centrale dell edificio coincidente con un corridoio, dove si nota un arco di volta la cui sommità si trova al centro circa del corridoio stesso; al di sopra della volta c è uno spessore di circa 55 cm di materiale al cui interno non si registrano né vuoti né ferri di alcun tipo; si nota inoltre come il vuoto ai lati della volta si chiuda proprio all inizio della curvatura della stessa. Infine se si guarda l intradosso del solaio nel complesso si nota una leggera inclinazione nella direzione dell arco di volta. Grandi complessi di edilizia civile e industriale Con lo sviluppo di antenne ad alta frequenza (> 500 MHz) di dimensioni sempre più ridotte e di sempre maggiore maneggevolezza è divenuta frequente la richiesta di indagini su elementi strutturali di edifici in cemento armato con l utilizzo del georadar in modalità 2D e 3D. Di seguito si riporta un esempio di applicazione su un grande complesso di edilizia civile in Roma.

7 Il committente poneva dei quesiti riguardanti la posizione e la geometria dei ferri di armatura nel solaio. Per il solaio è stata utilizzata un antenna con frequenza di 1000 MHz in modo da definire la tessitura delle armature presenti. In particolare è stata organizzata una maglia di acquisizione lungo due direzioni perpendicolari al fine di elaborare un modello 3d. Le dimensioni della maglia sono 4,4 m x 3,8 m, con le x (4,4 m) trasversali alla stanza e le y (3,8 m) longitudinali. La spaziatura tra le acquisizioni è stata impostata pari a 20 cm (fig.8). Figura 8.Maglia di acquisizione su solaio. L elaborazione del modello tridimensionale ha permesso di individuare due sezioni nel piano x-y tagliate a differenti profondità, 5 cm e 15cm, che evidenziano in modo molto chiaro la geometria delle armature. In fig.9 si evidenzia la presenza di una maglia elettrosaldata con passo pari a 20 cm disposta regolarmente. L irregolarità presente circa al centro della maglia è dovuta ad un piccolo errore di posizionamento nell acquisizione di una singola scansione.

8 Figura 9 Sezione X-Y a 5 cm di profondità. Scendendo a maggiore profondità, si nota che a 15 cm è presente un altra armatura (fig.10). Figura 10.Sezione X-Y a 15cm di profondità. Lungo l asse delle x, cioè trasversalmente alla stanza è presente una serie di ferri che a gruppi di 3 si ripete ogni 60 cm; tra di essi il passo è di circa cm; lungo l asse delle y, cioè longitudinalmente alla stanza, è presente

9 una maglia di ferri con passo di 15 cm a due a due con segnale più o meno forte, molto probabilmente ad indicare un diverso diametro dei ferri. Inoltre si può sottolineare la presenza di un segnale meno nitido nell area lungo l asse delle y, in corrispondenza di due pilastri, ad indicare una zona umida. CONCLUSIONI I contributi proposti sono esemplificativi di ciò che più frequentemente il mercato richiede a società specializzate nelle indagini non distruttive con GPR per gli accertamenti preliminari ad interventi di consolidamento, restauro o monitoraggio di edifici storici e civili. Le indagini descritte hanno permesso di definire con estrema precisione qualitativa tecniche costruttive, elementi strutturali, armature e difetti. Il GPR in modalità 2D e 3D ha permesso di risolvere quesiti sia semplici, ma anche piuttosto complessi, velocemente, con elevata precisione ed affidabilità. BIBLIOGRAFIA 1 D.J. Daniels Surface penetrating radar,the Institution of Electrical Engineers, London J.H. Bungey and S.G. Millard Radar inspection of structures, Proceedings of The Institution of Civil Engineers - Structures and Buildings vol 99 issue 2 pp