ESPERIENZE DI RILIEVO LASER SCANNING NELLE ZONE EMILIANE COLPITE DAL TERREMOTO: INTERVENTI IN FASE DI EMERGENZA. Arianna Pesci 1 e Elena Bonali 2

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1 ESPERIENZE DI RILIEVO LASER SCANNING NELLE ZONE EMILIANE COLPITE DAL TERREMOTO: INTERVENTI IN FASE DI EMERGENZA 1 Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia. 2 Università degli Studi di Bologna, DAPT. Arianna Pesci 1 e Elena Bonali 2 Il terremoto dell Emilia ha causato notevoli danni alle abitazioni ma soprattutto ai monumenti, patrimonio artistico e culturale della Regione. Numerosi campanili, simboli caratteristici dei piccoli e grandi paesi distribuiti sul territorio, sono stati danneggiati o comunque interessati da grandi e piccole deformazioni. Trattandosi di strutture snelle spesso caratterizzate da altezze notevoli (superiori a 40 m) rappresentano una priorità negli interventi per la messa in sicurezza in quanto le aree coinvolte da un potenziale crollo in seguito ad altre scosse risultano estese e difficilmente marginabili. Le cronache recenti hanno mostrato come, in assenza di una soluzione tempestiva ed economica, in tempi ancora di piena emergenza, alcune amministrazioni abbiano privilegiato la sicurezza dei cittadini alla conservazione dei monumenti storici procedendo con drastiche decisioni quali l abbattimento dei campanili. Le esperienze di rilievo mediante laser scanning maturate negli ambienti di ricerca possono offrire un utile ed economico strumento per fornire, in tempi brevissimi e con alti standard qualitativi, il quadro deformativo delle strutture in esame, consentendo valutazioni mirate e specifiche, caso per caso, agli ingegneri strutturisti addetti ai lavori nonché ai VVF nell ambito delle prime veloci operazioni per la messa in sicurezza o per interventi successivi. L uso di uno strumento a grande portata, calibrato e testato per garantire un buon risultato in ogni condizione di rilievo, anche sfavorevole, ha permesso ai ricercatori dell Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) in collaborazione con le Università di Bologna e Padova di fornire il quadro deformativo di numerosi campanili nei comuni di Mirandola, Ficarolo, Sant Agostino e Bologna, lavorando sempre in condizioni di totale sicurezza. Il laser scanning Il terrestri al laser scanning (TLS) è una tecnica di rilievo estremamente interessante che permette di misurare con precisione una quantità elevatissima di punti distribuiti sulle superfici fisiche osservate. Ogni scansione fornisce una nuvola di punti cioè un insieme di milioni di coordinate di punti misurati in un sistema di riferimento relativo, la cui origine è il centro del sensore laser. L unione delle nuvole di punti permette una completa ricostruzione tridimensionale dell oggetto osservato e si ottiene mediante procedure iterative sofisticate ed efficienti. La grande densità di informazione permette sia di operare confronti diretti e dettagliati su modelli multi-temporali che uno studio di fino della morfologia che, specie in ambito architettonico, fornisce una conoscenza eccezionale per capire lo stato deformativo del monumento. Oltre al dato geometrico si ottiene anche una informazione radiometrica di intensità relativa alle proprietà chimico/fisiche del materiale illuminato dal fascio laser. Il principio di funzionamento del TLS è basato sull invio e la ricezione di impulsi laser retrodiffusi (fenomeno di backscattering) e sull analisi del segnale di ritorno. Il tutto funziona perché una superficie reale, in generale, non comporta una riflessione perfettamente speculare ma parzialmente lambertiana. Esistono varie tipologie di strumenti laser scanner, progettati e realizzati con specifiche assai differenti, che vengono classificati, semplificando al massimo, sia per il tipo di misura da effettuare sul segnale (shift temporale tra impulsi o calcolo della differenza di fase) che per la meccanica del sensore laser utilizzato (distanziometro o triangolatore). Lo scanner ILRIS 3D (Optech) rientra nella categoria degli strumenti very long range, cioè capaci di operare anche a grande distanza (centinaia di metri e oltre) e questo, insieme ad altre importanti

2 peculiarità come la potenza del segnale, lo identifica come estremamente adatto per misure da effettuare in totale sicurezza. In realtà, per utilizzare pienamente il dato TLS e la grande informazione da esso estraibile è necessario tenere sotto controllo gli errori ad esso associati. Le case costruttrici generalmente forniscono agli utilizzatori delle tabelle tecniche precise nelle quali vengono indicati i parametri più rilevanti quali: portata minima e massima, precisione sulla singola misura, divergenza del fascio laser, incremento dello stesso con la distanza, ecc. Questo però non è sufficiente a meno di non operare in condizioni sempre ottimali, cosa quasi mai consentita dalle necessità e urgenze operative, specialmente in potenziali condizioni di emergenza. Per studiare tutte le caratteristiche dello strumento utilizzato è quindi fondamentale organizzare specifici esperimenti mediante i quali ricavare, ove possibile, delle relazioni empiriche esportabili e, soprattutto, utilizzabili per ottimizzare il proprio rilievo, per garantire la ripetibilità dei risultati e, soprattutto, consentire una analisi critica sugli errori della misura. Le esperienze sperimentali maturate presso la Sezione INGV di Bologna, sovente in collaborazione con il dipartimento di Geoscienze dell Università di Padova, hanno permesso di dimostrare che lo scanner ILRIS 3D non è particolarmente sensibile alle acquisizioni realizzate con bassi angoli di incidenza, garantendo quindi la bontà della misura anche in condizioni non ottimali di rilievo, e che la risoluzione raggiungibile è più che sufficiente per lavorare in ambito architettonico al fine di monitorare gli edifici di interesse e valutarne il quadro deformativo in seguito ad eventi naturali come i terremoti o altre instabilità del terreno. L analisi dei dati Realizzare un modello completo di un monumento di interesse richiede spesso la realizzazione di più scansioni da punti di osservazione differenti. Per unire tutte le scansioni e costruire il modello finale occorre che i singoli rilievi abbiano alcune aree in comune. Su tali aree si effettuano gli allineamenti, inizialmente mediante la scelta di punti omologhi, cioè di dettagli corrispondenti sulle due nuvole di punti, per poi procedere agli allineamenti fini utilizzando algoritmi specifici ICP (Iterative Closest Points) eccellenti e rapidissimi che garantiscono un errore di allineamento di pochi millimetri (o inferiore) prevenendo la possibilità di propagare l errore durante le fasi di aggancio di tutte le scansioni e assicurando così una corretta geometria finale. La strategia di ispezione e analisi dati utilizzata, che ha permesso di raggiungere ottimi risultati nei rilievi del post terremoto dell Emilia, consiste nella definizione di una procedura standard basata sulla creazione di mappe morfologiche ottenute calcolando le distanze tra ogni punto misurato ed un opportuno piano (o primitiva) di riferimento. Le analisi morfologiche rappresentano una grande opportunità di indagine specialmente quando non esistono modelli precedenti per effettuare dei confronti diretti. Le mappe delle differenze punto-piano sono considerate mappe di deformazione, intendendo con questo termine tutto ciò che si discosta dalla regolarità, in pura accezione architettonica. Questa metodologia è stata applicata allo studio delle Due Torri di Bologna già nel 2010 permettendo di ottenere un quadro deformativo molto chiaro su tutti i prospetti, mediante rilievi rapidi e totalmente indipendenti da qualsivoglia sistema di appoggio nonostante gli spazi stretti, caratteristici dei centri storici, da cui le condizioni estremamente sfavorevoli per il rilievo. Le deformazioni del campanile di S. Giacomo Roncole Il rilievo del campanile di San Giacomo Roncole (frazione di Mirandola) è stato realizzato mediante 5 scansioni che hanno permesso di misurare i prospetti con un passo di campionamento di circa 7 mm. Le analisi dei dati hanno permesso di osservare e misurare uno spostamento di alcuni centimetri dell intera struttura lungo la frattura orizzontale alla base del campanile che attraversa tutta la sua sezione. Sono state individuate anche fratture orizzontali sul primo tronco del campanile che, in maniera analoga tagliano sia orizzontalmente che in modo diagonale le pareti osservate, sulle quali risultano movimenti rigidi dell ordine del centimetro e oltre. La morfologia delle singole unità (tronchi) alle varie altezze non mostra particolari evidenze di torsioni o deformazioni rilevanti ma, lo studio di insieme dei prospetti, rivela delle rotazioni diverse ai vari livelli suggerendo un

3 comportamento indipendente dei vari moduli. Infine, sono state individuate almeno tre cerniere di rotazione formatesi a causa delle oscillazioni del campanile durante le scosse che, nel suo stato attuale, mostra un fuori piombo di 1 m e 0.5 m, calcolato all altezza della cornice a metri (circa). Questo dato, confrontato con le testimonianze della popolazione secondo le quali il campanile, prima del terremoto, aveva una inclinazione contraria, deve intendersi come una certa sottostima dell avvenuto cambio di inclinazione. Si sottolinea che il lavoro di rilievo e analisi dati è stato realizzato in 24/48 ore circa, in perfetta sintonia con le esigenze di rapidità necessarie in tempi di emergenza. Le figure seguenti mostrano, a titolo di esempio e descrizione del metodo utilizzato, i risultati ottenuti dall analisi dati: le mappe delle differenze sono fornite nella colorazione con la scala arcobaleno in cui generalmente i valori negativi passano dal viola al blu fino all azzurro chiaro (vicino allo zero) ed i valori positivi passano dal verde chiaro al giallo fino al rosso intenso. Fig. 1 - Studio della base in cui si osserva una frattura estesa per tutta la sezione orizzontale: le mappe di deformazione mostrano lo slittamento del corpo del campanile sull area fratturata e di individuarne nettamente i contorni.

4 Fig. 2 Morfologia del prospetto sud: il piano di riferimento è stato creato interpolando i punti sull apparecchio murario compresi nel primo tronco della struttura. Le linee tratteggiate sono le fratture direttamente osservate dall ispezione visiva e lungo le quali le mappe mostrano una netta discontinuità di colore.

5 Fig. 3 Dettaglio morfologico del primo tronco: si osserva un assetto differente sopra e sotto la linea di frattura orizzontale a evidenziare un movimento di parte del corpo del campanile rispetto all area sottostante. Si riescono a misurare alcuni centimetri di spostamento orizzontale (laterale) e valori dell ordine del centimetro in direzione normale al prospetto. Ringraziamenti Un sentito grazie a CODEVINTEC srl per aver più volte concesso a titolo gratuito gli strumenti laser scanner e accessori aiutando i ricercatori dell INGV e dell Università di Padova e Bologna a garantire una presenza costante sul territorio terremotato. Grazie al Prof. Enzo Boschi per il supporto e per la preziosa collaborazione e ai colleghi Giordano Teza, Giuseppe Casula, Maria Giovanna Bianchi e Candido Bertolani.