Prove soniche per la caratterizzazione della monoliticità trasversale di pannelli murari.

Prove soniche per la caratterizzazione della monoliticità trasversale di pannelli murari. Stefano Podestà, Lorenzo Scandolo Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica e Ambientale. Via Montallegro 1, 16145 Genova. Anna Brignola Yellow Room Engineering. Via Luccoli 21/2, 16123 Genova. Keywords: Prove soniche, diatoni, pannelli in muratura in mattoni ABSTRACT Il presente articolo vuole evidenziare come l esecuzione di prove soniche su pannelli murari, sebbene non permetta di raggiungere un livello di conoscenza dell edificio esaustivo, consente di caratterizzare quantitativamente alcune proprietà della muratura molto importanti ai fini della determinazione dei parametri meccanici. In particolare, si vuole mostrare come l esecuzione di prove soniche dirette consenta di individuare la presenza di connessioni trasversali all interno della muratura e conseguentemente giustifichi l utilizzo del coefficiente correttivo proposto nella tabella C8A.2.2 della Circolare applicativa delle Norme Tecniche delle Costruzioni (NTC 08). La campagna sperimentale eseguita su 12 pannelli in mattoni con diversa tessitura, valida ulteriormente questa tipologia di prova non distruttiva, che risulta di fondamentale importanza quando si opera su bene tutelati o superfici di particolare pregio artistico-culturale. 1 INTRODUZIONE Le prove soniche rappresentano una delle tecniche di indagine non distruttive più adottate per le strutture in muratura. La tecnica sonica appartiene alla famiglia dei metodi d indagine acustici e sfrutta la propagazione nel materiale di segnali con frequenze limitate (generalmente 20Hz 20kHz) per ottenere maggiori lunghezze d onda a minor risoluzione, ma con la possibilità di raggiungere maggiori profondità di penetrazione nel materiale. Utilizzando segnali molto energetici, generati da un breve impatto elasto-meccanico sulla superficie, questa metodologia di prova si presta per un approccio conoscitivo ed investigativo, valutando l omogeneità del materiale e quindi la presenza di discontinuità o lesioni (Figura 1). Figura 1. Modalità di propagazione dell impulso. Il parametro misurato è il tempo che serve all impulso emesso per coprire la distanza tra l emettitore e il ricevitore: esso è proporzionale, nel caso di un mezzo omogeneo ed isotropo, al modulo elastico dinamico, al coefficiente di Poisson e alla densità del mezzo. Nel caso di strutture in muratura, tuttavia, per l intrinseca eterogeneità e anisotropia che caratterizza le tipologie esistenti, la velocità delle onde soniche

non può essere direttamente correlata alle proprietà del materiale (resistenza e rigidezza), anche se per ben definite tipologie, è stata trovata una buona corrispondenza tra la velocità sonica e il modulo elastico della muratura (Epperson e Abrams, 1989; Riva et al., 1998). La finalità di questa prova è principalmente connessa alla valutazione di una connessione trasversale tra i paramenti costituenti la compagine muraria. Tale aspetto risulta assai rilevante sia in ottica statica (spanciamento per carichi verticali) sia in chiave sismica. Nei meccanismi di 1 modo, infatti, la presenza di una buona connessione trasversale (connessa alla presenza di diatoni o più generalmente ad una tessitura muraria anche nello spessore della parete) consente l evoluzione di un meccanismo di ribaltamento del pannello, in modo monolitico, meccanismo che si attiva sempre in maniera analoga ma che evolve differentemente se i due paramenti sono mal ammorsati. La presenza di paramenti scollegati trasversalmente comporta capacità di spostamento ridotte, in paragone a murature di buona qualità ed anche i parametri di resistenza possono essere incrementati, in determinate condizioni al contorno come consentito dalla normativa tecnica. Nei meccanismi di 2 modo, la presenza di una buona connessione trasversale, viene tradotta, secondo gli allegati alle NTC08, in un coefficiente correttivo (Tabella C8A.2.2) da applicare ai valori di resistenza desunti da prove specifiche o riferiti a predeterminate tipologie murarie (Tabella C8A.2.1). 2 LA CAMPAGNA SPERIMENTALE I test sonici effettuati si collocano all interno di una sperimentazione più ampia volta all individuazione quantitativa dell incremento di resistenza derivante dalla presenza di diatoni in murature di mattoni. Per tale finalità sono stati realizzati 12 pannelli, di dimensione 120 cm x 120 cm circa, le cui caratteristiche sono sintetizzate in Tabella 1. I materiali utilizzati per la costruzione dei pannelli sono stati differenti: due tipologie di mattoni (mattone pieno, mattone pieno sabbiato da rivestimento) e due tipi di malta (una di calce e una "bastarda" - calce e cemento). Tabella 1. Caratteristiche geometriche dei pannelli. ID Spessore Tipologia P1 12+12 Non ammorsato P2 12+12 Ammorsato P3 24+24 Non ammorsato P4 24+24 Ammorsato P5 12+24 Non ammorsato P6 12+24 Ammorsato P7 12+12 Non ammorsato P8 12+12 Ammorsato P9 12+12 Non ammorsato P10 12+12 Ammorsato P11 12+12 Non ammorsato P12 12+12 Ammorsato La geometria dei pannelli è stata definita in modo che non variasse tra i differenti provini. I diatoni, realizzati sempre con mattoni, sono stati disposti sempre nella medesima posizione, in numero di 4 (Figura 2). Figura 2. Tessitura dei pannelli e posizione dei diatoni. Le prove soniche sono state eseguite su una maglia di 49 punti (circa 18 cm x 15 cm). La finalità di queste prove è stata quella di verificare l affidabilità della prova nella determinazione delle connessioni trasversali tra i paramenti, essendo nota a priori la localizzazione dei diatoni. Prima di condurre la prova, si è provveduto a tracciare su entrambi i lati dei pannelli una maglia di punti numerati (Figura 3), per poter eseguire correttamente un'indagine in trasparenza. Figura 3. Maglia dei punti di emissione e ricezione della prova sonica La strumentazione utilizzata per la realizzazione delle prove è la CMS v.3.1 della Boviar Srl (Figura 4).

Figura 4. Strumentazione e software di rielaborazione. 3 RISULTATI In Figura 5, 6 e 7 sono riportati graficamente i risultati ottenuti dalla rielaborazione dei segnali di ogni singola misurazione. I processi automatici di identificazione del tempo di volo non sono sempre attendibili a causa di sporcature o rumore di fondo che il sensore ricevente capta. Si evidenzia come in prove sul campo le superfici non siano sempre regolari, aspetto che può essere mitigato dall uso di plastilina Figura 6. Tomografia sonica dei pannelli P5-P8. Figura 5. Tomografia sonica dei pannelli P1-P4. Figura 7. Tomografia sonica dei pannelli P9-P12. Come si evince dalle figure precedenti i pannelli non ammorsati (P1-P3-P5-P7-P9-P11) non mostrano alcun picco di velocità all interno della zona indagata. Viceversa i pannelli ammorsati (P2-P6-P8-P10-P12) mostrano chiaramente delle zone ad alta velocità in corrispondenza degli elementi di collegamento tra

i due paramenti. Il pannello 4, pur essendo ammorsato, non mostra chiaramente la presenza di connessione trasversale. Questo poiché essendo una muratura a due paramenti, ciascuno a due teste, è presente un ammorsamento diffuso in tutto lo spessore murario (Figura 8). Si evincono comunque zone a maggior velocità che nascono dal numero minore di discontinuità che l impulso sonico deve attraversare. Infatti in questi punti l onda attraversa solamente due giunti mentre negli altri casi tre. A circa 15 cm dal diatono si risente in maniera ancora elevata dalla presenza di tale elemento. Infatti, in tale area, la velocità rimane ben superiore a quella riscontrabile lontano dai collegamenti trasversali (2000 m/s contro 1500 m/s). Figura 8. Schema costruttivo pannello P4. Il pannello 6 mostra in corrispondenza dei diatoni, una velocità sonica più ridotta rispetto agli altri pannelli. Tale aspetto è da imputare allo spessore dei paramenti (24+12), che determina una disposizione non passante del mattone. Pertanto viene rilevato un giunto di malta che riduce sensibilmente la velocità sonica. 4 SENSIBILITÀ SPAZIALE Una domanda che normalmente emerge durante l esecuzione di una campagna sonica è capire quale probabilità c è di eseguire una misurazione proprio in corrispondenza di un diatono. In altre parole, come si distribuisce la velocità sonica nell intorno dell elemento di collegamento trasversale? Tale aspetto è importante in quanto se l attenuazione fosse massima, si riuscirebbe a individuare un diatono solo eseguendo una misurazione unicamente su di esso. Per tale motivo si riportano i risultati ottenuti, a titolo di esempio, nell intorno di due diatoni dei pannelli 10 e 12. Per analizzare la velocità sonica nell intorno dell elemento è stato creato un apposito reticolo di punti di misurazione (Figura 9). Lo scopo di tale prova è capire se dalle mappe soniche sia possibile riconoscere la presenza di collegamento trasversale tra i paramenti della muratura. Figura 9. Maglia dei punti nell intorno del diatono. Figura 10. Rappresentazione della distribuzione delle velocità sonica nella zona A del pannello 10. Figura 11. Rappresentazione della distribuzione delle velocità soniche nella zona B del pannello 10. Figura 12. Rappresentazione della distribuzione delle velocità sonica nella zona A del pannello 12. Figura 13. Rappresentazione della distribuzione delle velocità soniche nella zona B del pannello 12.

5 INDIVIDUAZIONE DELLA TESSITURA La sensibilità nella propagazione delle onde soniche in riferimento alla irregolarità o discontinuità della muratura potrebbe essere utilizzata, su murature regolari, prevalentemente in mattoni, per riconoscere, seppur in maniera approssimativa, la tessitura. La variazione nella disposizione dei mattoni, testa o costa, può produrre una differenza nel numero di giunti che l onda sonica deve attraversare. Poiché ogni giunto determina un innalzamento del tempo di volo si può, in qualche modo, risalire indirettamente alla tessitura. Nella campagna sperimentale qui riportata è possibile, sulle murature a più di due teste, trovare una correlazione tra le velocità soniche e la tessitura della muratura. Prendendo ad esempio la sezione del pannello P6 (Figura 14) si nota come siano presenti allineamenti in cui trasversalmente si incontra un giunto o due. Nel caso di un giunto si può essere in corrispondenza del diatono oppure no. Nonostante si attraversi in entrambi i casi un solo un giunto, esso è sostanzialmente differente. In un caso è un giunto di malta (caso del diatono) nell altro incontra lo strato di materiale sciolto inserito per disconnettere i due paramenti. Per tale motivazione, in riferimento alla legenda di Tabella 2, ci si aspetterà una velocità maggiore nel caso del diatono. 5 Allineamento 4 Allineamento 3 Allineamento 2 Allineamento Attraversamento del diatono un giunto due giunti 1 Allinemento I risultati ottenuti per il pannello 6 mostrano una discreta rispondenza con i dati attesi anche se per alcune misurazioni (ad esempio sul 6 allineamento) i dati sono di difficile interpretazione. La disomogeneità che si può verificare nel giunto tra i due paramenti può essere una causa di tali risultati. Si è analizzato anche il caso del pannello P4 (Figura 14) ossia una muratura a quattro teste, due per ogni paramento. L incremento di spessore della muratura aumenta il numero di giunti che l input soniche deve attraversare. L effetto che si ottiene (Tabella 3) rispetto al pannello precedentemente analizzato è una livellazione delle velocità anche se si è ancora in grado di cogliere una certa corrispondenza tra il numero e tipologia di giunto attraversato. Tabella 3. Andamento della velocità sonica in riferimento ai 7 allineamenti investigati (Figura 3). Figura 14. Schema di tessitura dei pannelli P4 e P6 in riferimento agli allineamenti di Figura 3. Tabella 2. Andamento della velocità sonica in riferimento ai 7 allineamenti investigati (Figura 3). 7 Allineamento 6 Allineamento 7 Allineamento 6 Allineamento 5 Allineamento 4 Allineamento

3 Allineamento 2 Allineamento Attraversamento del diatono 1 Allinemento due giunti tre giunti I risultati mostrati dimostrano principalmente che la differenza di velocità delle onde soniche che attraversano un giunto o due giunti è maggiore di quella nel caso in cui i giunti siano due o tre. Quindi per spessori elevati la velocità sonica tende ad omogeneizzarsi ad un unico valore di riferimento che rappresenta non l'individuazione di singoli elementi passanti ma una connessione diffusa trasversale. In murature in pietrame di spessore elevato la possibilità di trovare elementi passanti è praticamente nulla e quindi è necessario riferirsi ad un valore medio rappresentativo di una connessione diffusa. Nelle murature di mattoni questa problematica può caratterizzare paramenti anche di limitato spessore. Una buona tessitura determina un collegamento trasversale diffuso, che non è associabile all'individuazione di picchi di velocità ma che deve essere interpretato in relazione al valore medio della velocità sonica e della sua deviazione standard. 6 CONCLUSIONI La realizzazione di 12 pannelli in muratura di mattoni per investigare l influenza della connessione trasversale sulla risposta nel piano della muratura ha fornito la possibilità di realizzare una campagna di prove soniche. La conoscenza della tessitura muraria, garantisce sulla validazione dei risultati ottenuti. Le indagini soniche hanno permesso di cogliere la presenza di elementi sia passanti sia di collegamento tra i due paramenti in maniera chiara. È stata indagata inoltre una fitta maglia di punti intorno ai diatoni al fine di comprendere il decadimento di velocità nell intorno dell elemento stesso. Tale aspetto è di fondamentale importanza in quanto la scelta a priori della zona da investigare non consentirebbe di poter individuare chiaramente gli elementi di collegamento. Ciò che è emerso è che la maglia comunemente utilizzata (20x20 cm) è sufficiente a trovare diatoni anche nel caso in cui dovesse ricadere in un punto intermedio della maglia di analisi. La conoscenza della tessitura dei pannelli ha suggerito di cercare una correlazione tra i profili delle velocità soniche e la tessitura stessa, in riferimento alle variazioni di velocità dovute al numero di giunti che l onda sonica deve attraversare. Si può sostenere che tale associazione può essere utile su murature in mattone in cui lo spessore sia limitato. Gli elevati spessori inducono un livellamento dei profili di velocità dovuti all elevato numero di giunti. Le prove effettuate hanno comunque contribuito a validare ulteriormente questa tipologia di prova non distruttiva, di fondamentale utilità quando si parla di beni tutelati. RINGRAZIAMENTI Si ringrazia il Consorzio ReLUIS per aver promosso e supportato la presente ricerca nell ambito del progetto ReLUIS-DPC 2010-2013. REFERENCES Epperson G.S., Abrams D.P. (1989) Non destructive evaluation of masonry buildings, Advanced Construction Technology Center, Doc. N. 89-26-03, Urbana Illinois, October, 1989 Riva G., Bettio C., Modena C. (1998) Valutazioni quantitative di caratteristiche meccaniche di muratura in pietra esistenti mediante prove non distruttive, Materiali e Strutture, L'ERMA di Bretschneider Ed., n 1 Lagomarsino S., Podestà S., Tavaroli F., Torre A., 2001. Sull efficacia dei diatoni nel miglioramento sismico delle costruzioni in pietra, Atti del X Convegno Nazionale "L'ingegneria sismica in Italia", CD-ROM, Potenza. Brignola A., Curti E., Frumento S., Lagomarsino S., Podestà S., Riotto G., 2006. Prove soniche su pannelli in muratura di edifici esistenti, Atti del Convegno Nazionale di Sperimentazione su materiali e strutture, Venezia, 6-7 Dicembre, 183-192. RILEM Recommendation TC 127-MS, MS.D.1 Measurement of mechanical pulse velocity for masonry, 2001. Abbaneo S., Berra M., Binda L., Fatticcioni A., 1995. Non destructive evaluation of bricks-masonry structures: calibration of sonic wave propagation procedures, Int. Symposium Non-Destructive Testing in Civil Engineering (NDT-CE), BAMM, Berlino, 1, 253-260.