PCC GROUP SRL. Indagini Georadar - Strutture. Head Off. I Catania, Via Cagliari, 56 T: +39 (095) F: +39 (095)

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1 PCC GROUP SRL Indagini Georadar - Strutture Head Off. I Catania, Via Cagliari, 56 T: +39 (095) F: +39 (095)

2 - CIVIL ENGENEERING - GEOLOGY AND ENVIRONMENT - GROUND PENETRATING RADAR - LOSSES DETECTING RADAR SYSTEM - ARCHEOLOGY & CULTURAL HERITAGE - CARGO INSPECTION - LOSS CONTROL - CHEMICAL ANALYSIS - INDUSTRIAL SYSTEMS AND TECNOLOGY - RESEARCH ISPEZIONI CON GEORADAR MODALITA OPERATIVE PER VERIFICHE STRUTTURALI Sommario 1. PREMESSA G.P.R. METODOLOGIE ED APPLICAZIONI PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO G.P.R STRUMENTAZIONE UTILIZZATA G.P.R LE SEZIONI G.P.R Interpretazioni radargrammi rappresentativi della struttura Head Off. I Catania, Via Cagliari, 56 T: +39 (095) F: +39 (095) M: info@pccgroup.it T: +39 (095) Via Delle Ginestre Zafferana Etnea (CT) P.IVA REA CT

3 1. PREMESSA. Una verifica strutturale con l ausilio di una metodologia georadar permette di indagare strutture in calcestruzzo quali bacini, ponti, vasche, pilastri, pareti nonché strutture sommerse. Il maggiore dettaglio dei radargrammi ottenuti con antenne ad altissima frequenza ci consente di individuare microfessurazioni presenti all'interno della struttura ed eventuali ammaloramenti nascosti. Vengono descritte le attrezzature usate e principio di funzionamento di un sistema georadar, le modalità esecutive, commenti ai radargrammi e le informazioni desunte dall interpretazione delle anomalie maggiormente significative ottenute dall elaborazione definitiva dei dati. 2

4 2. G.P.R. METODOLOGIE ED APPLICAZIONI. Attualmente le applicazioni delle tecniche di indagine con sistemi georadar, identificabili sotto il termine Ground Probing Radar (GPR) sono varie e numerose. I principali settori di applicazione possono essere così schematizzati: Detezione, mappatura e catasto del sottosuolo - ricerca di sottoservizi - ricerca di manufatti - analisi dei profili stratigrafici del terreno - Identificazione delle caratteristiche litologiche del terreno - Supporto alla progettazione di posa con tecniche directional drilling Ingegneria Civile - indagini strutturali su pareti - collaudo e verifica delle strutture - localizzazione di armature nel cemento armato Archeologia - indagini per la scoperta di nuovi siti archeologici - identificazione di strutture archeologiche - indagini per la delimitazione delle aree archeologiche - identificazione di manufatti archeologici Beni Culturali - verifica degli spessori degli intonaci - verifica di distacchi di affreschi - verifica di distacchi di coperture facciate - indagini non distruttive su pareti - indagini su pavimenti - individuazione di vuoti e cavità all interno delle strutture - individuazione di fratture o cedimenti che possano compromettere la struttura 3

5 - verifica delle iniezioni cementizie o resine per il recupero delle strutture o la loro manutenzione. 3. PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO G.P.R.. Il metodo è basato sul principio della propagazione di impulsi elettromagnetici nei materiali e sulla loro riflessione in corrispondenza delle superfici di discontinuità dovute a variazioni di permettività dielettrica che generalmente, in questo contesto, è rappresentata dalla costante dielettrica dei materiali investigati. Un mezzo omogeneo parzialmente conduttore è definito da un punto di vista elettrico da una coppia di valori: - costante dielettrica relativa - conduttività Il sottosuolo è costituito da un mezzo eterogeneo le cui caratteristiche dielettriche sono determinanti per l individuazione di segnali ben definiti e interpretabili. Il principio di funzionamento delle strumentazioni georadar da noi utilizzate può essere sinteticamente descritto nel modo seguente: - l'acquisizione dei dati avviene facendo scorrere un'antenna ricetrasmittente lentamente sulla superficie da investigare; - nell'unità centrale sono generati dei segnali ad intervalli regolari che servono a sollecitare i circuiti elettronici dell'antenna trasmittente, da questa sono irradiati degli impulsi elettromagnetici che, propagandosi attraverso i materiali, vengono riflessi in corrispondenza delle interfacce di entità dielettriche diverse. - quando le onde elettromagnetiche incontrano una discontinuità fisica, parte dell energia incidente è riflessa, captata dall'elemento ricevente e inviati nell'unità centrale generando un impulso di forma simile a quello trasmesso ma attenuato e distorto in fase e frequenza, che è raccolto da un ricevitore. 4

6 Fig. 1a - Principio di funzionamento Fig. 1b - Principio di funzionamento 5

7 Fig. 1c - Principio di funzionamento L'apparecchiatura consente di visualizzare su display a colori il radargramma registrato in tempo reale e simultaneamente memorizza i dati su disco rigido per la successiva elaborazione al computer con opportuno software. Lo scopo fondamentale del trattamento digitale dei dati al computer è quello di migliorane l'aspetto tramite operazioni di filtraggio, normalizzazione, amplificazione, ecc. al fine di semplificare la lettura e quindi l'interpretazione delle eventuali anomalie. Sull' asse orizzontale dei radargrammi sono visualizzate le progressive metriche della linea registrata mentre su quello verticale si trovano i tempi di percorso in andata e ritorno dei tragitti riflessi. 6

8 Fig. 2 Radargramma La risoluzione orizzontale dei segnali è inversamente proporzionale alla velocità di spostamento dell'antenna e la risoluzione verticale è direttamente proporzionale alla frequenza centrale degli impulsi emessi. L'intensità degli eventi riflessi è tanto più forte quanto il contrasto fra le variazioni dielettriche è maggiore. La profondità d'indagine non può essere stabilita a priori del rilievo ma dipende dall'assorbimento dell' energia elettromagnetica da parte dei materiali in cui essa si propaga e quindi dalla natura dei mezzi attraversati, dallo stato fisico degli elementi che li compongono e da fattori ambientali e/o locali quali la temperatura, l'umidità, la presenza di cavità, ecc. Inoltre, l'obiettivo della prospezione e la profondità di penetrazione sono vincolati alla lunghezza d'onda degli impulsi: infatti se una struttura sepolta ha dimensioni molto piccole, essa viene rilevata soltanto con segnali di brevissima durata la cui elevata attenuazione a livello energetico ne limita però la penetrazione. 7

9 In sintesi: antenne con frequenze alte consentono una buona risoluzione fino a modeste profondità mentre antenne con frequenze basse offrono un dettaglio relativamente inferiore, ma permettono una maggior estensione di misura dal piano campagna. Le antenne maggiormente utilizzate per indagini georadar sono elencate nella seguente tabella. Tabella 1 Tipologia Antenne La ricostruzione della sezione radarstratigrafica (conversione tempi-profondità) viene effettuata applicando, ai tempi di riflessione, i valori delle velocità di propagazione relativi alle costanti dielettriche, dei materiali investigati, con il supporto di calibrazioni in loco. La velocità media di propagazione delle onde elettromagnetiche è legata alla costante dielettrica dalla seguente relazione: 8

10 dove C = 3*108 m/s (velocità della luce nel vuoto) ed ɛr è la costante dielettrica relativa del materiale normalizzata a quella dell' aria. La presenza di acqua o umidità nei materiali in esame, comporta un aumento della costante dielettrica relativa e quindi una diminuzione della velocità degli impulsi elettromagnetici. La conoscenza della costante dielettrica relativa è utile per determinare il tipo di materiale investigato e del suo grado di saturazione. Si fa presente che i radargrammi rendono evidenti i livelli riflettenti ed eventuali anomalie elettromagnetiche, dandone indicazioni quantitative e non qualitative. La definizione di tali anomalie viene fornita nella fase d'interpretazione dei dati, in base alla tipologia (es. forma dell'oggetto che ha provocato la riflessione) e alla continuità planimetrica di echi identici o assimilabili. Il risultato dell`analisi è costituito da tomografie che illustrano visivamente gli andamenti delle discontinuità presenti nel sottosuolo, permettendo così di individuare la presenza di materiali metallici, fondazioni in cemento, tubazioni, cavi, cavità, ma anche perdite di fluidi in genere (acqua, idrocarburi, acque reflue, fogna oleosa.) e disomogeneità di varia natura. PARTICOLARITA La forma dell impulso trasmesso è opportunamente calibrata in modo da ottenere una distribuzione spettrale di tipo gaussiano con il valore centrale che rappresenta la frequenza caratteristica, o frequenza centrale dell antenna, la quale corrisponde alla frequenza dominante dell impulso. La frequenza centrale dell antenna determina le caratteristiche di risoluzione e di massima profondità di esplorazione ottenibile. Le antenne possono operare in tre modi principali: - disposizione monostatica; - disposizione bistatica; - disposizione cross-polare. 9

11 Con la disposizione monostatica, trasmettitore e ricevitore sono assemblati in un unica struttura, permettendo di ottenere informazioni in tutta l area indagata e di determinare la profondità di bersagli. Tale disposizione è consigliata per ottenere informazioni superficiali quali servizi e reperti archeologici con antenne a frequenza medio-alta ( MHz). Con la disposizione bistatica, trasmettitore e ricevitore sono separati e messi a una certa distanza l uno dall altro. Il vantaggio consiste in una risposta più dettagliata nelle zone più profonde, mentre lo svantaggio consiste nell assenza di risposta in una porzione di terreno in funzione della distanza reciproca dei due componenti. Tale disposizione è consigliata per ottenere informazioni da zone profonde ed è generalmente impiegata con antenne a frequenza medio - bassa ( MHz) e finalità geologiche. Con la disposizione cross-polare, trasmettitore e ricevitore sono ortogonali tra loro. Tale disposizione è particolarmente utile nel riconoscimento di bersagli inclinati obliqui rispetto alla direzione di trascinamento delle antenne e inoltre per particolari applicazioni scientifiche in genere. Le sezioni radar rappresentano i risultati delle indagini georadar. L asse orizzontale riproduce la direzione di avanzamento dell antenna, mentre l asse verticale rappresenta la direzione di penetrazione degli impulsi. Il segnale radar ricevuto dall antenna è sempre caratterizzato dalla presenza di rumore ( noise ) che deve essere rimosso al fine di enfatizzare il più possibile la visibilità dei bersagli ricercati. 10

12 4.STRUMENTAZIONE UTILIZZATA G.P.R. La prospezione radar è effettuata utilizzando un Georadar composto da una Unita di Controllo Radar DAD (Digital Antenna Driver) che controlla gli impulsi inviati alle antenne, ed un lap-top dedicato al controllo e al salvataggio degli impulsi elettromagnetici. La disposizione simultanea multi-array di 2 antenne con frequenze di 200 e 600 MHz in configurazione monostatica e dell antenna da 1.6 GHz permettono di ottenere una migliore capacità di penetrazione in profondità insieme alla ad una maggiore risoluzione per la parte più superficiale. Si utilizzano ad esempio per esplorare le pareti ed i muri L antenna con frequenza di impulso di 200 MHz consente di raggiungere la profondità massima di 2.5 m. Si utilizzano ad esempio per investigare a pavimentazioni, cortili e perimetri esterni I dati acquisiti sono visualizzati in tempo reale su un lap-top portatile e successivamente processati ed elaborati tramite i software, dove sono stati opportunamente filtrati (attenuazione del rapporto S/R) al fine di ottenere la migliore rappresentazione possibile. 11

13 5. LE SEZIONI G.P.R. Il rilievo radar è eseguito lungo le pareti con antenna da 1,6 Ghz e con antenne da Mhz lungo i piani calpestabili. Ciò restituisce le scansioni (radargrammi). I radargrammi, opportunamente filtrati ed elaborati, sono analizzati ed interpretati a video al fine individuare, sia lungo l asse Z che sul piano X,Y, eventuali anomalie elettromagnetiche tali da far supporre discontinuità lungo le pareti e al di sotto del piano d'indagine. Di seguito si riportano, a titolo di esempio, le immagini relative ai radargrammi e le varie anomalie riscontrate L area da investigare viene omogeneamente coperta dal rilievo radar utilizzando passi di acquisizione opportuni in relazione ai target prefissati. 5.1 Interpretazioni radargrammi rappresentativi della struttura. Fig.3 - Radargramma scansione, acquisizione su pilastro, non sono presenti variazioni di riflettori dovuti a diversi materiali utilizzati, il materiale non è coeso. 12

14 Fig.4 - Radargramma scansione, acquisizione su parete, è presente una variazione di riflettori dovuta alla disomogeneità di materiali utilizzati, nella prima parte il materiale non è coeso. Fig.5 - Radargramma della scansione eseguita lungo un marciapiede fronte edificio, nel riquadro è evidenziata un anomalia che suppone la presenza di una scala o scivola sotto p.c. 13

15 Fig.6 - Tomografia dell'insieme di scansioni effettuate con antenna Mhz, sono evidenziate aree da 1,5 m dal p.c. che rappresentano con buona probabilità cavità. Fig.12 - Radargramma di scansione eseguita con antenna da 200 Mhz. E' evidente la diversa natura del terreno sotto il piano campagna nelle due aree identificate. 14

16 Fig.14 - Radargramma di scansione acquisita con antenna da 600 Mhz. Sono evidenti le volte presenti nel soffitto del piano inferiore. 15