DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria delle Infrastrutture Viarie e dei Trasporti RELAZIONE DI FINE TIROCINIO ELABORAZIONE DEI DATI GPR PER L ANALISI DEGLI SPESSORI NELLE PAVIMENTAZIONI DEI PIAZZALI AEROPORTUALI Tutor universitario: Prof. Ing. ANDREA BENEDETTO Tirocinante: FEDERICA JASMEEN GIURA Anno Accademico 2017/2018
Dipartimento di Ingegneria Laurea Magistrale in Ingegneria delle Infrastrutture Viaria e dei Trasporti IVT 1 Sommario 1. PREMESSA... 2 2. INTRODUZIONE... 3 3. ELABORAZIONE DEL DATO ELETTROMAGNETICO: GRED HD... 7 3.1. Individuazione degli strati di pavimentazione ed esportazione dei dati in fogli di calcolo Excel 9 3.2. Correzione della velocità... 11 3.3. Individuazione delle coordinate dei punti... 14 4. RAPPRESENTAZIONE GRAFICA DEI RISULTATI: SURFER 13... 15 5. CONCLUSIONI... 18
Dipartimento di Ingegneria Laurea Magistrale in Ingegneria delle Infrastrutture Viaria e dei Trasporti IVT 2 1. PREMESSA La seguente relazione mostra l attività di tirocinio svolta nel Dipartimento di Ingegneria Civile dell Università degli Studi di Roma Tre in Via Vito Volterra, 62 cap 00146. Il tirocinio è stato svolto nel periodo che va dal 20 Novembre 2018 al 18 Gennaio 2019 per una durata complessiva di 100 ore e corrispondenti all acquisizione di 4 Crediti Formativi Universitari (CFU) richiesti dal piano di studio per il corso di Laurea Magistrale in Ingegneria delle Infrastrutture Viarie e Trasporti (DM270), classe LM-23. Il lavoro svolto ha visto l elaborazione dei dati del Ground Penetrating Radar GPR per l analisi degli spessori nelle pavimentazioni dei piazzali aeroportuali realizzati in pavimentazione rigida. Tali spessori sono stati ricavati eseguendo una prima elaborazione del dato elettromagnetico attraverso l utilizzo del software GRED HD e successivamente si è provveduto alla rappresentazione grafica degli spessori attraverso il software SURFER 13.
Dipartimento di Ingegneria Laurea Magistrale in Ingegneria delle Infrastrutture Viaria e dei Trasporti IVT 3 2. INTRODUZIONE Il Ground Penetrating Radar (GPR) noto anche come Georadar è uno strumento molto utilizzato nel settore della geofisica e vede applicazioni in molti ambiti tra cui soprattutto l ambito di ingegneria. Strumento di tecnica non distruttiva che permette, in ambito dell ingegneria delle infrastrutture viarie, il monitoraggio delle pavimentazioni. Il funzionamento si basa sulla propagazione di onde elettromagnetiche trasmesse nella pavimentazione da indagare, che permette di rilevare, in modo continuo, la presenza di discontinuità dovute alle diverse conduttività dei materiali. La più comune forma di GPR utilizza un trasmettitore e un ricevitore fisso che vengono spostati sulla superficie, a stretto contatto o con una configurazione che prevede un distacco dalla pavimentazione di un altezza costante di 0,15 m o 0,50 m. Il GPR è dotato di unità di controllo che comprende il generatore di impulsi, il computer ed il software associato, le antenne di ricezione ed emissione e un display. Durante un indagine GPR l energia elettromagnetica ad alta frequenza, generata dall antenna trasmittente, si propaga nel solido attraverso onde elettromagnetiche. Le onde attraversano i materiali a differenti proprietà elettromagnetiche generando delle riflessioni. Parte del segnale infatti viene riflesso e catturato dall onda ricevente e parte continua a propagarsi nel terreno fino ad attenuarsi completamente. È molto importante la scelta della frequenza con cui emanare l onda in base al tipo di profondità che si vuole indagare. Basse frequenze (100 600 MHz) permettono un elevata profondità di indagine con una risoluzione tuttavia bassa, alte frequenze (1600 2500 MHz) permettono di migliorare la risoluzione dell indagine che tuttavia può essere effettuata per profondità basse. L unità di controllo campiona e digitalizza i dati che vengono mostrati in uno schema di analisi A-scan. Figure 2-1 A-scan
Dipartimento di Ingegneria Laurea Magistrale in Ingegneria delle Infrastrutture Viaria e dei Trasporti IVT 4 Le onde sono combinate in una traccia di riflessione che mostra il tempo di percorrenza bidirezionale sull asse verticale, cioè in particolare il tempo trascorso tra emissione e rilevazione del segnale riflesso. Sono mostrate anche le ampiezze dei segnali di ritorno e le loro polarità lungo l asse orizzontale. Le tracce acquisite possono essere integrate in un radagramma anche detto B- scan. Figure 2-2 B-scan Il seguente lavoro ha visto l analisi e l elaborazione dei radagrammi B-scan al fine di individuare gli spessori di un piazzale di stazionamento aeroportuale realizzato in pavimentazione rigida. In particolare, lo scopo è quello di andare ad analizzare lo spessore della lastra di calcestruzzo e verificare la regolarità dello stesso lungo tutta l area di interesse. Si riporta un immagine di un radagramma B-scan analizzato:
Dipartimento di Ingegneria Laurea Magistrale in Ingegneria delle Infrastrutture Viaria e dei Trasporti IVT 5 Figure 2-3 B-scan Le indagini con il GPR sono state effettuate nel mese di luglio 2018 dall Università degli Studi di Roma Tre presso il piazzale APRON 2 dallo stallo 209 allo stallo 2012 dell Aeroporto Guglielmo Marconi di Bologna. Tale piazzale ha dimensioni di 190, 9 m di lunghezza e 91,3 m di larghezza. Su tale area sono stati acquisiti 34 B-scan provenienti dalle indagini in direzione longitudinale rispetto alla stesa del getto del piazzale e 77 B-scan dalle indagini effettuate in direzione trasversale rispetto alla stesa di getto del piazzale. Tali radagrammi provengono da un analisi di indagine in cui è stata emessa un onda di 600 MHz permettendo l indagine e l analisi non solo dello strato superficiale della pavimentazione ma anche di quelli profondi e un onda di 1600 MHz. Le indagini sono state effettuate, per questioni di tempo, procedendo da ovest verso est del piazzale i radagrammi B-scan di numero dispari e da est verso ovest i radagrammi B-scan di numero pari per le indagini effettuate longitudinalmente. Analogamente per le indagini trasversali rispetto al getto di realizzazione del piazzale, quelle in numero pari vanno da nord verso sud, viceversa da sud a nord sono stata effettuate le indagini di numero dispari. Si riporta una rappresentazione grafica del metodo di indagine:
Dipartimento di Ingegneria Laurea Magistrale in Ingegneria delle Infrastrutture Viaria e dei Trasporti IVT 6 Figure 2-4 Indicazione planimetrica del rilievo effettuato con il GPR
Dipartimento di Ingegneria Laurea Magistrale in Ingegneria delle Infrastrutture Viaria e dei Trasporti IVT 7 3. ELABORAZIONE DEL DATO ELETTROMAGNETICO: GRED HD Attraverso l utilizzo del software GRED HD è stato possibile analizzare il segnale elettromagnetico ed i dati B-scan da cui ricavare gli spessori della pavimentazione aeroportuale. Il radagramma tuttavia, contiene generalmente del rumore di fondo che deve essere eliminato al fine di poter interpretare nel migliore dei modi il dato. Il primo passo fondamentale è stato quello di eliminare lo spessore d aria tra l antenna e il suolo. Questo è possibile effettuarlo attraverso il comando Move Start Time nell elenco dei comandi Process. Figure 3-1 Presenza dello strato d'aria tra antenna e pavimentazione
Dipartimento di Ingegneria Laurea Magistrale in Ingegneria delle Infrastrutture Viaria e dei Trasporti IVT 8 Figure 3-2 Comando di rimozione dello spessore d'aria "Move strart time" Successivamente è stato applicato il filtro Dewow al fine di migliorare la visualizzazione del radagramma. Tale comando può essere applicato andando nella barra degli strumenti, cliccando il comando Pocess, Time domain filter ed infine Dewow. Questo filtro agisce su ogni singola traccia eliminando eventuali componenti a bassa frequenza e migliorare quindi la rappresentazione grafica dei primi strati della pavimentazione. Figure 3-3 Individuazione del comando Dewow Individuando la tonalità di grigio idonea alla visualizzazione si è proceduto nell individuazione dello stato di lastra in pavimentazione rigida e dello strato in misto cementato di fondazione.
Dipartimento di Ingegneria Laurea Magistrale in Ingegneria delle Infrastrutture Viaria e dei Trasporti IVT 9 3.1. Individuazione degli strati di pavimentazione ed esportazione dei dati in fogli di calcolo Excel L individuazione degli strati di pavimentazione è stata effettuata attraverso l acquisizione di un po' di esperienza di visualizzazione dei radagrammi. Sono stati individuati attraverso l esecuzione di layer rosso e giallo rispettivamente il fondo della lastra di calcestruzzo ed il fondo dello strato di fondazione in misto cementato. Figure 3-4 Individuazione degli stati di pavimentazione rigida Tali layers permettono di ricavare lo spessore della lastra per tutto il suo sviluppo. In particolare, effettuato il salvataggio dei file, successivamente sono stati esportati i dati in fogli Excel chiedendo al programma di fornire dati di profondità della lastra lungo la direzione X con un passo di 0.1 m. Figure 3-5 Esportazione dei dati in Excel
Dipartimento di Ingegneria Laurea Magistrale in Ingegneria delle Infrastrutture Viaria e dei Trasporti IVT 10 Per ogni scansione B-scan sono state quindi ricavate le profondità del layer rosso e giallo. Per le scansioni di numero dispari si è fatta attenzione ad ordinare i dati in modo tale da avere i risultati ordinati tutti in ordine da ovest verso est per le indagini effettuate in senso longitudinale e dati ordinati con indagine da nord a sud per le 77 trasversali. Sono quindi stati ottenuti i risultati degli spessori del piazzale di stazionamento ordinati nel seguente modo riportato nella figura sottostante: Figure 3-6 Analisi dati GPR ordinati Le 34 indagini longitudinali sono state raccolte e sistemate in un unico foglio Excel, analogamente è stato effettuato per le 77 scansioni trasversali. Successivamente si è proceduto all analisi della velocità di propagazione dell onda.
Dipartimento di Ingegneria Laurea Magistrale in Ingegneria delle Infrastrutture Viaria e dei Trasporti IVT 11 3.2. Correzione della velocità Il programma GRED HD imposta una velocità di base di 10 cm/ns dell onda di propagazione; tuttavia questa viene corretta attraverso l indagine della costante dielettrica del materiale che viene attraversato dall onda di propagazione. Nel programma GRED HD si ha la possibilità di inserire carotaggi di indagine attraverso il pulsante Insert Core. Figure 3-7 Inserimento carotaggi attraverso "Insert Core" Nel Core definition vengono inseriti gli spessori ricavati dalla carota effettuata in sito e il layer realizzato sul programma al quale questo spessore corrisponde. Figure 3-8 Core definition
Dipartimento di Ingegneria Laurea Magistrale in Ingegneria delle Infrastrutture Viaria e dei Trasporti IVT 12 Dalla carota effettuata in sito, grazie al Giornale dei lavori fornito dalla società Guglielmo Marconi S.p.a, si ha uno spessore di 0.38 m che corrisponde nell analisi del software allo spessore del layer 1 rappresentato in rossa. È possibile ricavare il carotaggio in celestino rappresentato nella figura successiva: Figure 3-9 Inserimento del carotaggio Impostando una visualizzazione dei layers nella sezione View, con il pulsante Layer legend e possibile ricavare le costanti dielettriche del materiale attraversato. Figure 3-10 Visualizzazione delle caratteristiche dei layer attraverso Layer legend
Dipartimento di Ingegneria Laurea Magistrale in Ingegneria delle Infrastrutture Viaria e dei Trasporti IVT 13 Figure 3-11 Definizione delle costanti dielettriche dei materiali È stata individuata la velocità di propagazione dell onda sia per lo stato di calcestruzzo che per lo strato di misto cementato attraverso la seguente formula: v = c ε r Dove: v = velocità di propagazione dell onda nel mezzo [cm/ns] c = velocità di propagazione dell onda nel vuoto (30 cm/ns) ε r = permittività dielettrica del materiale La permittività dielettrica del materiale è stata ricavata, sia per lo strato di lastra in calcestruzzo che per lo strato di base in misto cementato, effettuando una media dei valori ottenuti dai carotaggi inseriti nel programma GRED HD. Per ogni scansione B-scan longitudinale sono stati inseriti 3 carotaggi. Per lo strato di lastra di calcestruzzo è stata quindi utilizzata una permittivà dielettrica del materiale
Dipartimento di Ingegneria Laurea Magistrale in Ingegneria delle Infrastrutture Viaria e dei Trasporti IVT 14 di 5,4 mentre per lo strato di misto cementato di 5,8. Lo stesso procedimento è stato effettuato sulle scansioni B-scan trasversali. Ottenuti gli spessori della lastra di calcestruzzo e dello strato di misto cementato si è proceduto ad ordinare i dati in modo tale da ottenere un unica griglia. 3.3. Individuazione delle coordinate dei punti Individuando le coordinate x,y di ogni punto di spessore ricavato, è stata ottenuta una griglia in cui sono stata riportati gli spessori provenienti dalle scansioni longitudinali, inserendo i valori della scansioni trasversali li dove presenti. Si riporta un estratto della griglia nell immagine seguente in cui in verde sono rappresentati gli spessori provenienti dai dati di analisi delle scansioni longitudinali mentre in giallino si riportano gli spessori della lastra di calcestruzzo proveniente dalle scansioni trasversali. Figure 3-12 Estratto della griglia corrispondente alle profondità ricavate dall'analisi dei dati GPR
Dipartimento di Ingegneria Laurea Magistrale in Ingegneria delle Infrastrutture Viaria e dei Trasporti IVT 15 4. RAPPRESENTAZIONE GRAFICA DEI RISULTATI: SURFER 13 Ottenute gli spessori degli strati si è proceduto ad una sua rappresentazione grafica attraverso il software SURFER 13. La rappresentazione è stata ottenuta effettuando i seguenti passi: - Acquisizione dei dati e inserimento in un New Worksheet ; - Salvataggio del file come.bln; - Apertura del file.bln; - Creazione della mappa New Contour Map. - New Worksheet: inserimento dei dati ordinati sul foglio di calcolo EXCEL sia degli spessori provenienti dalle scansioni longitudinali che dalle scansioni trasversali così come riportati nella griglia unica mostrata nel paragrafo precedente. Aprendo un nuovo file New Worksheet è possibile inserire tutti i dati ricavati, inserendo nella colonna A le coordinate x dei vari punti indagati, nella colonna B le ordinate e nella colonna C le profondità ricavate dal programma GRED HD. Figure 4-1 New Worksheet su SURFER 13 Riportati i dati su questa area, il salvataggio viene effettuato attraverso l estensione BLN Golden Software Blanking (*.bln). Figure 4-2 Salvataggio del file.bln
Dipartimento di Ingegneria Laurea Magistrale in Ingegneria delle Infrastrutture Viaria e dei Trasporti IVT 16 Successivamente viene aperto il file attraverso il Grid Data. Aprendo un nuovo Plot è possibile ricavare su di esso la rappresentazione grafica degli spessori. New Plot Figure 4-3 Apertura di una nuova finestra di lavoro Attraverso il tasto Contour Map è possibile ricavare il risultato di base delle indagini degli spessori della lastra di calcestruzzo. Figure 4-4 Individuazione del comando "New Contour Map" Per la lastra di calcestruzzo e lo strato di misto cementato sono state ottenute rispettivamente le seguenti immagini rappresentative:
Dipartimento di Ingegneria Laurea Magistrale in Ingegneria delle Infrastrutture Viaria e dei Trasporti IVT 17 Figure 4-5 Rappresentazione dello spessore della lastra di calcestruzzo Figure 4-6 Rappresentazione dello spessore dello strato di misto cementato
Dipartimento di Ingegneria Laurea Magistrale in Ingegneria delle Infrastrutture Viaria e dei Trasporti IVT 18 5. CONCLUSIONI Il seguente tirocinio è stata un opportunità di crescita formativa che ha permesso l ampliamento di conoscenze e capacità di utilizzo di software non utilizzati e studiati nel corso di studi. Tale tirocinio è stato di fondamentale importanza per l analisi del piazzale aeroportuale in pavimentazione rigida. La Tesi di Laurea prevede infatti un analisi degli ammaloramenti e fessure che possono verificarsi su una pavimentazione rigida di un piazzale aeroportuale. Per tale scopo è importante andare ad indagare gli strati della pavimentazione al fine di risalire alle giuste cause. Il Georadar permette di analizzare lo stato delle pavimentazioni di tutta l area di interesse attraverso una tecnica non distruttiva. Con tale strumento inoltre, le indagini vengono effettuate in tempi brevi. Attraverso il programma GRED HD è stato infatti possibile individuare lo stato della pavimentazione e ricavarne gli spessori di ogni strato. Il software SUPERF 13 ha invece permesso una loro rappresentazione importando i dati ottenuti dal precedente software, GRED HD.