INDAGINI DIAGNOSTICHE SULLE STRUTTURE IN MURATURA ESISTENTI

Transcript

1 INDAGINI DIAGNOSTICHE SULLE STRUTTURE IN MURATURA ESISTENTI Dott. Ing. Giuseppe Spera Docente di Indagini diagnostiche e Consolidamento delle Strutture Murarie Dipartimento di Strutture, Geotecnica, Geologia applicata all Ingegneria Università degli Studi della Basilicata

2 Dati necessari e identificazione del livello di conoscenza RILIEVO COMPLETO VERIFICHE IN-SITU ESTESE VERIFICHE IN-SITU ESAUSTIVE RILIEVO COMPLETO LC1 LC1 LC1 RILIEVO SOMMARIO LC1 LC2 LC3

3 Coefficienti parziali di sicurezza Livello di conoscenza LC1 LC2 LC3 Coefficiente 1.5 γ m γ m 0.70 γ m

4 Controllo strutturale attraverso il monitoraggio MONITORAGGIO STATICO Se una struttura fosse interessata da importanti quadri fessurativi è consigliabile procedere alla misura delle deformazioni nel tempo al fine di verificarne l eventuale progressivo aumento nel tempo (cedimenti del terreno, variazioni termiche, carichi eccessivi, ecc.). rivolto a grandi strutture strumentazione semplice (estensimetri, fessurimetri, ecc.) durata minima di 18 mesi per eliminare l effetto termico

5 Controllo strutturale attraverso il monitoraggio

6 Controllo strutturale attraverso il monitoraggio Cardani G., Tedeschi C., Binda L., Baronio G. Cascine Chiesa Rossa, Milano Molte colonne mostrano fuori piombo in diverse direzioni, dovuti a insufficienza delle connessioni, quali quelle con le travi di piano. Nel monitoraggio si sono utilizzati dispositivi elettronici capaci di seguire l evoluzione del dissesto. Strumentazione

7 Controllo strutturale attraverso il monitoraggio MONITORAGGIO DINAMICO Per la verifica di comportamenti strutturali e dell integrità di una struttura possono essere effettuate prove dinamiche in situ, considerate tecniche affidabili e frequentemente utilizzate per il controllo della risposta della struttura a vibrazioni. Tali prove sono, in genere, efficienti in fase diagnostica nel rilievo di eventuali anomalie e per la calibrazione di modelli numerici (ad esempio modelli ad EF). Il rilievo dei dati è generalmente effettuato con una rete di accelerometri, installati in parti significative della struttura. L analisi spettrale permette, quindi, di estrarre i parametri modali dalle registrazioni, in termini di frequenza, forme modali e smorzamento.

8 Controllo strutturale attraverso il monitoraggio

9 Prove di Laboratorio o in Situ PROVE DISTRUTTIVE PROVE MODERATAMENTE DISTRUTTIVE PROVE NON DISTRUTTIVE

10 Prove di Laboratorio FASE DI PRELIEVO significatività dei risultati; non distruttività del campionamento; non disturbo del campione. A causa della difficoltà di campionamento di prismi di muratura di dimensioni significative, generalmente il prelievo interessa solo singoli elementi (malta, pietre o mattoni) o assemblaggi di limitate dimensioni.

11 Prove di Laboratorio PROVE SULLE MALTE inesistenza di prove standardizzate; difficoltà di prelevare campioni di dimensioni sufficienti per la caratterizzazione meccanica; acquisizione di informazioni relativamente a composizione della malta e stato del degrado. Provino di malta dopo la prova di compressione

12 Prove di Laboratorio PROVE SULLE MALTE Analisi chimiche e petrografiche Trattamenti termici o chimici Metodi ottici Tipo di legante e di aggregato Rapporto legante/aggregato Grado ed estensione della carbonatazione; Presenza di reazioni chimiche e di sostanze di nuova formazione (reazioni pozzolaniche, reazioni tra aggregati e leganti, reazioni alcali - aggregati ecc.) Separazione inerti/legante per la valutazione della granulometria realizzazione di campioni

13 Prove di Laboratorio PROVE SULLE MALTE Riconoscimento dei Sali solubili Il riconoscimento dei sali può fornire indicazioni sulle cause di degrado ed accertare la loro presenza contribuisce a determinare lo stato di conservazione della muratura in cui si rilevano. In linea di massima le analisi chimiche sono rivolte a verificare la presenza di: 1. Solfati Disciolti nei leganti, sono altamente dannosi perché fortemente solubili, quindi facilmente trasportabili nella muratura, e cristallizzano innescano il meccanismo di sfogliamento; 2. Nitrati Derivano dalla decomposizione di sostanze organiche e indicano spesso la risalita di acqua inquinata nelle pareti; 3. Alogenuri Presenti nelle antiche murature sono legati a fenomeni di migrazione di Sali.

14 PROVE SULLE MALTE Prove di Laboratorio

15 ANALISI CHIMICHE Perdita alfuoco 13,70 Fe 2 O 3 2,77 R esiduo in s o lu b ile 64,06 CO 2 11,70 C ao 14,83 N a 2 O 1,17 SiO 2 50,38 M go 1,61 K 2 O 1,30 Al 2 O 3 + F e 2 O 3 15,48 SO 3 0,19 Sil. S o l. 0,38 R apporto leg/agg: G.C arbonatazione ANALISI GRANULOM ETRICA DELL AGGREGATO PESO SETACCIO PASSANTE CURVA GRANULOM ETRICA C A M P IO N E (m m ) (% ) METODO: A tta c c o te rm ico seg uito d a s e ta c c ia tu ra m anuale 16,00 8,000 5,600 4,750 2,000 0,850 0,425 0,250 0,180 0,106 0, ,00 100,00 97,92 97,41 93,50 88,36 73,05 52,12 25,67 7,11 0,00 % passante cumulativo Castelletto.grf luce netta dei setacci (mm)

16 Prove di Laboratorio PROVE SU PIETRE E MATTONI Prove Chimiche Prove per l individuazione di solfati alcalini. Analisi ottiche e mineralogiche Osservazioni ottiche (stereomicroscopio, SEM); Osservazioni petrografiche su sezione sottile. Prove di Durabilità Prove di gelo e disgelo; Prove di cristallizzazione salina.

17 Prove di Laboratorio PROVE SU PIETRE E MATTONI Provini di mattoni dopo la prova di compressione Prove Meccaniche Prove di compressione e di trazione indiretta; Prove di durezza superficiale Prove Fisiche Misura del peso specifico Misura dell assorbimento d acqua per immersione totale o per risalita capillare; Diffrattometria a raggi X; Porosimetria a mercurio; Misura dei coefficienti di espansione termica e in acqua.

18 PROVE SU PIETRE E MATTONI Prove di Laboratorio

19 Prove di Laboratorio PROVE DI COMPRESSIONE Monotona

20 Prove di Laboratorio PROVE DI COMPRESSIONE Ciclica

21 Prove di Laboratorio PROVE DI COMPRESSIONE Ciclica

22 PROVE DI RACKING TEST Prove di Laboratorio

23 PROVE DI COMPRESSIONE DIAGONALE Prove di Laboratorio

24 PROVE DI COMPRESSIONE DIAGONALE Prove di Laboratorio

25 Prove di Laboratorio PROVE SU TAVOLA VIBRANTE Il comportamento dinamico di strutture in muratura può essere verificato mediante tavola vibrante, imprimendo una sollecitazione crescente fino al raggiungimento del collasso della struttura. Le prove sono solitamente effettuate su modelli in scala funzione della dimensione della tavola vibrante.

26 Prove in Situ distruttive PROVE SU PANNELLI Adottate sia per la compressione che per il taglio, vengono realizzate in sito isolando il campione con dei tagli verticali per eliminare il confinamento laterale ed applicando il carico attraverso una struttura di contrasto. Per l esecuzione delle prove distruttive a taglio secondo tale procedura, possono efficacemente utilizzarsi gli stipiti delle aperture come superficie sulle quali applicare l attrezzatura di contrasto.

27 Prove in Situ distruttive PROVE SU PANNELLI Isolamento di una striscia di muro con due tagli verticali e messa in carico mediante martinetto nella zona centrale della parete. Strumentazione della parete secondo le due diagonali dei due semipannelli individuati dalla retta di applicazione del carico. Lo schema della prova è del tipo beam test e corrisponde all applicazione di un carico di compressione diagonale sui due semipannelli. La prova è effettuata in presenza della compressione esistente nella parete per effetto dei carichi ad essa sovrastanti. Nei casi in cui questi si rivelino insufficienti, il carico di compressione viene fornito mediante mezzi e modalità simili allo svolgimento della prova di compressione diretta.

28 Prove in Situ distruttive PROVE SU PANNELLI Strumentazione per la prova ciclica

29 Prove in Situ distruttive PROVE SU PANNELLI Tipo di risultati e utilizzo per la verifica di efficacia delle iniezioni di malta

30 Prove in Situ distruttive PROVE SU PANNELLI Isolamento di pannelli di forma circa quadrata per fare prove di compressione diagonale

31 PROVE SU PARETI Prove in Situ distruttive

32 Prove in Situ distruttive PROVE SU PARETI Non Rinforzata Rinforzata Tipo di risultati e utilizzo per la verifica di efficacia delle iniezioni di malta

33 Prove in Situ moderatamente distruttive ISPEZIONE DIRETTA Può essere condotta: 1. Effettuando un limitato scasso nella muratura; 2. Mediante carotratrice a rotazione con testa diamantata 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

34 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. La semplice procedura di eseguire un foro con una punta di trapano, con una punta 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. Alcune trasformazioni dell'immagine ci consentono di aumentarne la lettura della materia presente all'interno della muratura.

35 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 Svantaggi Impossibilità di prelevare campioni integri; Numero di prove non elevato; Informazioni locali

36 Prove in Situ moderatamente distruttive MARTINETTI PIATTI È, forse, l unica tecnica disponibile in grado di fornire informazioni attendibili sulle principali caratteristiche meccaniche di una struttura muraria in termini di deformabilità, stato di sollecitazione e resistenza. La prova è condotta introducendo un martinetto piatto in un taglio effettuato lungo un giunto di malta. A fine prova lo strumento può essere facilmente rimosso e il giunto eventualmente risarcito.

37 Prove in Situ moderatamente distruttive MARTINETTI PIATTI Stato di sollecitazione Detta P f la pressione idraulica nel martinetto, corrispondente al pieno recupero delle deformazioni a cavallo del taglio, la relazione di equilibrio è data da: S f =K j K a P f dove S f : valore calcolato dello sforzo K j : costante di calibrazione del martinetto (<1) K a : costante di taglio e del martinetto (<1) : pressione del martinetto piatto P f

38 Prove in Situ moderatamente distruttive MARTINETTI PIATTI Deformabilità della muratura Un secondo martinetto piatto è inserito in un taglio parallelo al precedente e distante circa cm. I due martinetti delimitano una porzione di muratura non disturbata di dimensioni apprezzabili, su cui effettuare una vera e propria prova di compressione monoassiale. Una apposita strumentazione posta sulla superficie, strain gauges o LVDT, fornisce la misura delle deformazioni verticali o laterali durante tutta la prova. Il modulo elastico può essere determinato durante la prova, condotta a controllo di carico, nelle fasi di carico e scarico.

39 Prove in Situ moderatamente distruttive Prova con un martinetto piatto MARTINETTI PIATTI Prova con due martinetti piatti

40 Prove in Situ moderatamente distruttive MARTINETTI PIATTI Prova con un martinetto piatto Prova con due martinetti piatti

41 Prove in Situ moderatamente distruttive MARTINETTI PIATTI LVDT 5 LVDT 1,2,3, σ σ Sforzi [N/mm2] Sforzi [N/mm2] Sforzi [N/mm2] ε l ε v ε l ε v ε l ε v Deformazioni [µm/mm] Deformazioni [µm/mm] Deformazioni [µm/mm]

42 Prove in Situ moderatamente distruttive MARTINETTI PIATTI Utilizzo dei martinetti piatti per verificare l efficacia di interventi caso di iniezioni di malta.

43 Prove in Situ moderatamente distruttive MARTINETTI PIATTI 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

44 Prove in Situ moderatamente distruttive PROVA PENETROMETRICA Obiettivi 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 Penetrometro Windsor

45 Prove in Situ moderatamente distruttive PROVA PENETROMETRICA

46 Prova Penetrometrica STRUMENTO Posizione Compressione (mm) Forza (N)

47 PROCEDURA Prova Penetrometrica

48 PROCEDURA Prova Penetrometrica

49 PROCEDURA Prova Penetrometrica

50 PROCEDURA Prova Penetrometrica

51 PROCEDURA Prova Penetrometrica

52 PROCEDURA Prova Penetrometrica

53 PROCEDURA Prova Penetrometrica

54 Prova Penetrometrica Perforazioni Colpi Profondità (mm) SPU (mm -1 ) ,100 1, ,100 1, ,250 1, ,250 1, ,600 1, ,800 Colpi 1,103 SPU 7 = 30 41,200 0, Profondità 40,350 (mm) 1, ,500 1, ,900 1, ,400 1, ,850 1, ,600 1, ,250 1, ,800 0,556 Strokes per Penetration Unit

55 Prova Penetrometrica Avigliano Via Roma Media SPU = c.v mm % Vaglio Basilicata Vico Pellico Media SPU = c.v mm % 1 2 Avigliano Vico Tarpea Media SPU = c.v. Media SPU = c.v mm % mm % Marsico Nuovo Monastero Media SPU =0.623mm -1 Media SPU =0.628mm -1 1 c.v % 2 c.v %

56 Prova Penetrometrica Avigliano C.so Garibaldi Media SPU = c.v mm % Avigliano Via Amendola Media SPU = c.v mm % 1 2 Muro Lucano Cattedrale Media SPU = c.v. Media SPU = c.v mm % mm % Vaglio Basilicata Via Pagano Media SPU = c.v mm %

57 Prova Penetrometrica Avigliano C.da Ponte dell Acero Media SPU = c.v mm % Abriola Via Lacava Media SPU = c.v mm % Tito Via Umberto I Media SPU = c.v mm % Potenza Casa cantoniera SS7 Media SPU = c.v mm %

58 Prova Penetrometrica Potenza Casa cantoniera SS7 Media SPU = c.v mm % Rivello Largo S. Mansueto Media SPU =0.862mm -1 Media SPU =1.274mm -1 1 c.v % 2 c.v % 213% SPU = mm SPU = mm -1

59 OBIETTIVI CALIBRAZIONE DELLA PROVA Stokes per Penetration Unit (SPU): Compressione verticale sul giunto di malta Altezza del giunto di malta Angolo di attrito interno della malta Indagini sperimentale: Campioni di malte storiche prelevate in situ Identificate Sabbie sciolte di granulometria assegnata

60 PROVA CON LA CELLA DI CALIBRAZIONE 1. Altezza del giunto Cassetti 2. Compressione verticale Martinetto idraulico 3. L angolo di attrito Sabbie Grossa Passante allo staccio n 18 ASTM (d = 1 mm) Trattenuto allo staccio n 25 ASTM (d = mm) Sabbie Fine Passante allo staccio n 25 ASTM (d = mm) Trattenuto allo staccio n 40 ASTM (d = mm)

61 PROVE IN LABORATORIO Sabbia Grossa Fine SPU medio (mm-1) SPU medio (mm-1) 0,65 1,05 1,00 0,60 0,95 0,55 0,90 0,85 0,50 0,80 0,45 0,75 0,70 0,40 0,65 0,35 0,60 0,55 0,30 0,50 0,25 0,45 0,40 0,20 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Carico verticale (Mpa) Carico verticale (Mpa) Giunto 15 mm Giunto 20 mm Giunto 25 mm Giunto 30 mm Giunto 35 mm Giunt o 15 mm Giunt o 20 mm Giunt o 25 mm Giunt o 30 mm Giunt o 35 mm

62 Regressione Sabbia Grossa PROVE DINAMICA ANALISI DI REGRESSIONE MULTIPLA Variabile dipendente Variabile Indipendenti R R 2 Coefficienti di regressione Errore standard SPU Costante Compressione E Altezza del giunto 1.200E SPU[mm -1 ] = 0.754[mmN -1 ] σ v [MPa] [mm -2 ] h g [mm] [mm -1 ] Regressione Sabbia Fine Variabile dipendente Variabile Indipendenti R R 2 Coefficienti di regressione Errore standard SPU Costante Compressione E Altezza del giunto 3.800E SPU[mm -1 ] = 0.555[mmN -1 ] σ v [MPa] [mm -2 ] h g [mm] [mm -1 ]

63 PROVE DINAMICA SPU sperimentale (mm -1 ) Sabbia grossa Sabbia fina SPU teorico (mm -1 )

64 PROVE PSEUDO - STATICA ANALISI DI REGRESSIONE SEMPLICE Grafico a Dispersione (Sabbia Grossa) Forza (N) ,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 SPU (mm -1 ) Parametri a dispersione Intecetta per L'origine Retta di regressione F[N] = [Nmm] SPU[mm -1 ] [N] (R 2 =0.884) F[N] = [Nmm] SPU[mm -1 ] (R 2 =0.880)

65 PROVE PSEUDO - STATICA ANALISI DI REGRESSIONE SEMPLICE Grafico a Dispersione (Sabbia Fina) F orza (N ,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 SPU (m m -1 ) Param etria dispersione Retta dir egressione Intercetta per l'origine F[N] = [Nmm] SPU[mm -1 ] [N] (R 2 =0.961) F[N] = [Nmm] SPU[mm -1 ] (R 2 =0.953)

66 PROVE SULLA MALTA PRELEVATA DALLA CHIESA DELLA MADONNA DELLA PIETÀ Dipendenza di SPU e Forza 200 Frazione grossa della granulometria (d= mm staccio n 200ASTM) 160 Prove realizzate utilizzando l intera granulometria 120 Prova dinamica SPU medio = mm -1 C.v. = 5.916% Forza (N) Prova pseudo-statica 80 Forza = N Prove realizzate 40utilizzando la sola frazione grossa della granulometria Prova dinamica 0 SPU medio = mm -1 C.v. = 3.822% Prova pseudo-statica Profondità (mm) Forza = N Tutta la granulometria solo la granulometria grossa 23.6 N % N N

67 Prove in Situ moderatamente distruttive SCLEROMETRO A PENDOLO Schmidt hammer rebound test Verifica la qualità dei giunti di malte. 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

68 Prove in Situ moderatamente distruttive SCLEROMETRO A PENDOLO

69 Prove in Situ moderatamente 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.

70 DILATOMETRO Prove in Situ moderatamente distruttive

71 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.

72 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.

73 Prove in Situ non distruttive TERMOGRAFIA prisma rotante rilevatore azoto obiettivo Immagine reale immagine termografica

74 Prove in Situ non distruttive TERMOGRAFIA 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. Mentre la termografia passiva interessa solo lo strato più superficiale 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.

75 TERMOGRAFIA Prove in Situ non distruttive

76 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 eventuali anomalie e modifiche nella tessitura, per la verifica della presenza di 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 allo svolgimento della prova; Necessità di calibrazione degli algoritmi di acquisizione.

77 Prove in Situ non distruttive INDAGINI SONICHE La tecnica di indagine sonica si basa sulla generazione di impulsi sonici o ultrasonici 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.

78 INDAGINI SONICHE Prove in Situ non distruttive oscilloscopio ingresso trigger ingresso impulsi filtraggio sensore (accelerometro) martello eccitatore amplificazione

79 Prove in Situ non distruttive INDAGINI SONICHE Le misure soniche di velocità possono essere svolte secondo tre procedure: 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 semidiretta: i due punti sono sui due lati opposti della parete muraria, ma non in corrispondenza simmetrica 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) radiale: i trasduttori possono essere applicati su facce adiacenti del mezzo indagato

80 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: sono onde a grande ampiezza con velocità di poco superiore alle onde longitudinali. Hanno ampiezza e frequenza molto influenzabili dallo stato di fessurazione e vengono facilmente riflesse dalle pareti dei vuoti. Esiste una tecnica specifica per la loro misura detta carotaggio sonico.

81 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+ ν) 1 2ν 1 ν

82 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. 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.

83 Prove in Situ non distruttive INDAGINI SONICHE 1) V<1000 m/s: individua murature fortemente danneggiate con presenza di grossi vuoti interni; 2) 1000 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 15 MPa.

84 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.

85 Prove in Situ non distruttive INDAGINI SONICHE Ma la lunghezza d onda λ è legata alla velocità di trasmissione ν e alla frequenza f, attraverso la semplice relazione λ = 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 3.5 kh

86 Prove in Situ non distruttive INDAGINI SONICHE Le prove soniche vengono effettuate con vibrazioni elastiche di frequenze variabili tra i 16 e i Hz. 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 20 khz a 1000 MHz. Tali onde non riescono a essere trasmesse da mezzi gassosi, per cui sono sfruttate per l'individuazione di microfessure 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.

87 INDAGINI SONICHE Prove in Situ non distruttive Pilastro C Velocità soniche (m/s) Le indagini soniche sono utilizzate nella diagnosi della muratura per controllare le caratteristiche della muratura dopo interventi di consolidamento (iniezioni di malte e resine), verificando i cambiamenti delle caratteristiche fisiche del materiali. pc135b pc234b 1 pc333b pc432b pc531b pc630b pc729b pc828b pc927b pc1026b 2 pc1125b pc1224b pc1323b pc1422b pc1542 pc1641b pc1740b pc1839b pc1938b pc2037b pc2136b non iniettato iniettato Prima Dopo Cattedrale di Noto 3

88 Prove in Situ non distruttive INDAGINI SONICHE Grafici di superficie relativi a indagini soniche per trasparenza eseguite sulla parete della sinopia Accademia di Brera

89 Prove in Situ non distruttive INDAGINI SONICHE Grafico tridimensionale dei tempi di arrivo delle onde per una superficie muraria

90 Prove in Situ moderatamente distruttive INDAGINI SONICHE Utilizzo delle prove soniche per verificare l efficacia di interventi caso di iniezioni di malta.

91 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, dato l elevato numero di misure richieste; L elaborazione dei risultati, data la disomogeneità del materiale; La necessità di una calibrazione dei valori per le differenti tipologie murarie.

92 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.

93 Prove in Situ non distruttive GEORADAR Utilizzi: 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.

94 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 di khz); 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. Tali segnali vengono riprodotti sul monitor del sistema ed eventualmente memorizzati o stampati come pseudoimmagine (sezione tempi-distanze) della sezione indagata.

95 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. 20 ns 8 w 150 cm 8 w t t t t t 290 cm Chiesa di S. Egidio a Fontanella, Bergamo

96 Prove in Situ non distruttive GEORADAR Dalla rappresentazione grafica così ottenuta 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, applicando la seguente formula: νm t h = 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 legate dalla formula: 2 ε = dove c è la velocità delle onde elettromagnetiche nel vuoto. c ν 2 m

97 GEORADAR Prove in Situ non distruttive Le indagini vanno effettuate su 4-5 linee parallele muovendo l'antenna ad una velocità costante (es. 2.5 o 5 cm/ns). Modalità di acquisizione Effetti di bordo Zona non disturbata Zona di distrubo x Tx Tx-Rx Tx Rx x (a) Tx Rx (b) x (c) Rx (d)

98 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 900 MHz 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 500 MHz.

99 Prove in Situ non distruttive GEORADAR Utilizzo del georadar per verificare l efficacia di interventi Caso di iniezioni di malta

100 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 rivestite in 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.

101 Prove in Situ non distruttive TOMOGRAFIA SONICA E RADAR È una raffinata tecnica di elaborazione di dati sonici o radar. Il principio di base è l acquisizione di una maglia di dati (tempi di attraversamento degli impulsi sonici o elettromagnetici) lungo una fitta rete di percorsi nel materiale, in modo da ricostruire una mappa dell intera sezione analizzata. La tecnica computazionale utilizza una metodologia iterativa per elaborazione di una grande quantità di dati.

102 Prove in Situ non distruttive TOMOGRAFIA SONICA E RADAR Questa procedura, può fornire informazioni sulle variazioni delle caratteristiche elastiche o sulla eventuale presenza di lesioni o discontinuità legate a rifacimenti, tamponamenti, rinforzi. Ricostruzioni tomografiche sono molto utili per la diagnosi di elementi isolati, come i pilastri, e per la verifica di singole sezioni murarie. Lo svantaggio è legato all alto costo, in termini sia di tempi di acquisizione che di elaborazione dei dati.

103 Progetto delle indagini e valutazione dei risultati FINALITÀ

104 Osservazioni conclusive La parola "muratura" è un termine generale per definire diversi materiali che differiscono molto uno dall'altro dal punto di vista dei: (i) componenti (ii) dell'assemblaggio (iii) della tecnica costruttiva Caratteristica tipica della muratura è la disomogeneità che influenza i risultati delle indagini e l'efficacia dell'intervento di riparazione. Il rilievo geometrico e del Q.F., insieme al controllo ed al monitoraggio della struttura, possono dare informazioni fondamentali sul comportamento della struttura stessa nel tempo.

105 Osservazioni conclusive Le prove meccaniche in situ (martinetti piatti semplici e doppi, ecc.) possono fornire informazioni quantitative sui parametri meccanici della muratura, mentre le prove di laboratorio sono importanti per la caratterizzazione dei singoli componenti (malta, mattoni, pietre) o di piccoli campioni di muratura. Le prove non distruttive possono fornire informazioni utili, soprattutto estese ad ampie parti di muratura. Tuttavia, l'elaborazione e l'interpretazione dei risultati richiedono ancora molto lavoro di ricerca, soprattutto lo sviluppo di software adatto a tale scopo, se non si vogliono utilizzare i risultati in termini troppo rozzi.