Termografia e valutazioni sismiche: ecco quali anomalie strutturali può riconoscere

Termografia per il costruito: in che cosa consiste e come applicarla al rilievo delle caratteristiche costruttive di un edificio per la valutazione della sua vulnerabilità sismica  

La conoscenza degli edifici attraverso la progettazione di un piano di prove diagnostiche

Nella scelta delle prove utili per approfondire la conoscenza delle caratteristiche dei manufatti edilizi, occorre programmare un vero e proprio progetto di diagnosi per selezionare le indagini da condurre in sito o in laboratorio.

Le indagini da svolgere in situ possono essere di tipo qualitativo o quantitativo, e, a loro volta possono essere suddivise in indagini distruttive, leggermente distruttive e non distruttive. A quest’ultima categoria appartiene la termografia.

Il rilievo termografico, ampiamente conosciuto ed utilizzato in ambito industriale e nella valutazione delle dispersioni termiche, costituisce un utile strumento per una prima valutazione speditiva delle “anomalie strutturali” celate dai rivestimenti o, comunque, non facilmente rilevabili a occhio nudo in strutture murarie di mattoni e/o pietra.

I controlli più ricorrenti negli edifici possono riassumersi in questi punti principali:

  • Presenza di cavità e aperture tamponate;
  • Presenza di tubazioni e canne fumarie;
  • Localizzazione di corpi metallici murati (interventi di consolidamento mediante putrelle, rinforzi, catene, chiavi);
  • Quadri fessurativi non visibili anche a distanza ragguardevole;
  • Tessiture murarie celate dall’intonaco;
  • L’orditura dei solai in latero-cemento e con struttura lignea controsoffittata.

Con questa tecnica di indagine è anche possibile ridurre, se non eliminare, il numero di saggi sulle murature tramite asportazione degli intonaci e quindi favorire il controllo di superfici poste anche in zone altrimenti inaccessibili.

La circolare esplicativa alle NTC 2018 indica la termografia tra le principali tecniche diagnostiche non distruttive finalizzate a classificare la qualità della muratura per il raggiungimento del livello di conoscenza 2 (LC2). Non di meno la direttiva del Presidente del Consiglio dei Ministri 9 febbraio 2011 “Valutazione e riduzione del rischio sismico del patrimonio culturale” in riferimento alle NTC, indica nei paragrafi 4.1.4/6 come l’impiego della termografia edile sia di supporto e completamento alle attività di rilievo geometrico e di caratterizzazione dei materiali.

Principi fisici della termografia in edilizia

La termografia è una tecnica diagnostica non invasiva in grado di rilevare l’intensità delle radiazioni infrarosse (cioè il calore) emesse, riflesse ed eventualmente trasmesse da un corpo e ne determina la distribuzione superficiale delle temperature mediante alcuni parametri, tra cui i principali sono l’emissività ε e la temperatura riflessa apparente Trif. L’emissività è un indicatore di quanto il materiale sia efficiente nell’emettere la sua energia per irraggiamento, mentre la temperatura riflessa apparente dipende dalla radiazione ambientale riflessa dalle superfici inquadrate dalla termocamera. 
Ogni materiale, ad una determinata temperatura, emette energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche ed è caratterizzato da una propria conducibilità termica, ovvero dalla capacità di trasmettere calore, e da un proprio calore specifico, cioè la capacità di trattenere calore. 

Di conseguenza ogni oggetto realizzato assemblando diversi componenti (come la muratura), se riscaldato, vedrà i suoi stessi componenti assumere diverse temperature in relazione alle differenze dei due parametri sopracitati. 

Come esempio, si consideri una struttura composta da mattoni e pietre, con un rivestimento di intonaco. La pietra è caratterizzata da conducibilità termica più elevata del mattone e da un calore specifico generalmente più basso. In seguito ad un riscaldamento dovuto, ad esempio all’irraggiamento solare, si osserverà un incremento più rapido della temperatura nelle pietre, rispetto ai mattoni. Viceversa, una volta terminato tale irraggiamento, le pietre si raffredderanno più velocemente dei mattoni adiacenti.
L’intonaco steso sulla muratura risente delle differenze termiche tra le componenti lapidee sottostanti e, sebbene in misura attenuata, le restituisce sulla sua superficie esterna attraverso una distribuzione differente di gradienti termici dando forma alla geometria dell’apparecchio murario celato dall’intonaco.

La termocamera impiegata per il rilievo della radiazione termica è sostanzialmente simile ad una macchina fotografica, in grado però di impressionare la radiazione infrarossa. Il calore emesso da un oggetto sotto forma di radiazione infrarossa viene captata dall’ottica e concentrata sul sensore termico. Da qui l’elettronica contenuta nell’apparecchiatura converte l’energia termica in segnali elettrici, elaborati successivamente in immagine termica (termogramma) visualizzabili su un monitor e trasferibili su computer per elaborazioni tramite software dedicato.

Il termogramma è un’immagine costituita da una matrice di punti, del tutto analoga ad una fotografia digitale, che raccolgono le informazioni radiometriche incidenti sul sensore della termocamera. L’energia termica rilevata viene convertita in temperatura superficiale, impostando emissività e temperatura riflessa, e ad ogni pixel dell’immagine termica viene attribuito un colore (scala di grigi o falsi colori). L’insieme dei pixel colorati riproduce forma e dimensioni degli elementi nascosti, per esempio, sotto l’intonaco. La differenza di temperatura tra un punto e l’altro può arrivare a frazioni centesimali di grado centigrado.

Particolare attenzione va portata quando si analizzano superfici colorate durante processi di scambio termico per irraggiamento. Le superfici scure e chiare, a parità di condizioni superficiali, hanno la stessa emissività, ma differente fattore di assorbimento delle radiazioni termiche. Per esempio, sulle superfici scure la componente di radiazione riflessa è molto bassa, poiché la superficie assorbe buona parte dell’energia che incide su di essa e la riemette completamente. Nel caso di superfici colorate solo una parte delle radiazioni incidenti viene assorbita, mentre la restante parte viene riflessa. Questo comportamento, dipendente dai pigmenti utilizzati per ottenere il colore, può rendere difficile l’interpretazione di eventuali “anomalie termiche” nel termogramma, se non si esegue prima una ricognizione a vista delle superfici intonacate.

Nell’ambito delle applicazioni architettoniche la termografia può essere condotta secondo due modalità di prova:

  • passiva, analizzando cicli termici naturali (insolazione e successivo raffreddamento),
  • o attiva attraverso il riscaldamento della superficie da analizzare.

La termografia passiva permette di rilevare la radiazione termica emessa da un corpo senza apportare alcuna sollecitazione termica; permette quindi di svolgere le verifiche termoigrometriche delle murature e delle dispersioni termiche dell’involucro edilizio. La termografia attiva viene utilizzata per verificare l’aderenza dei rivestimenti ai supporti murari e per individuare le strutture nascoste sotto lo stato superficiale di intonaco.

Analisi termografica: modalità di rilievo con sollecitazione termica solare

Se mediante una termocamera si inquadra dall’esterno la facciata di un edificio, con l’obiettivo di scoprire e identificare le “discontinuità strutturali” celate dall’intonaco, sarà possibile sfruttare l’irraggiamento solare per avere un riscaldamento uniforme e graduale di tutte le superfici. 

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Dopo un prolungato riscaldamento, la termocamera permette di rilevare l’energia emessa dal corpo analizzandone il flusso termico.
In una muratura il calore si diffonde per conduzione tra i vari strati di materiali che compongono la muratura e si scalderanno in maniera differente in ragione di caratteristiche fisiche differenti in termini di massa, inerzia e conducibilità termica. Il calore si distribuirà maggiormente se trova materiali più conduttori (es. la muratura) o si accumulerà se incontrerà materiali/fluidi più isolanti (es. legno ed aria).

Risulta, quindi, comprensibile come sia efficace l’impiego della termografia per rilevare strutture lignee (Mannucci - De Ponti. 2016) non visibili poiché rivestite da intonaco, canne fumarie murate o quadri fessurativi non riconoscibili a vista come quelli presenti lungo gli intradossi delle volte. In questi casi, il termogramma rivelerà dove il flusso termico si è accumulato sulla superficie per via della maggiore resistenza termica offerta dal legno o dall’aria al passaggio di calore lungo la sezione muraria. 

Nelle figure sottostanti si riporta un esempio di rilievo di strutture in legno non visibili. Le condizioni idonee allo svolgimento dei rilievi termografici sono rappresentate dall’elevato calore ambientale dovuto alla particolare collocazione geografica dell’edificio. L’irraggiamento solare ha scaldato l’aria presente nel sottotetto a tal punto da creare un passaggio di calore verso la copertura absidale. Il legno di cui è costituita la struttura portante fornisce una resistenza elevata al passaggio del calore rispetto alle sottili membrature di tamponamento in malta e fibre naturali. Nel termogramma il legno risulta quindi più freddo per effetto dell’accumulo di calore nella zona del sottotetto, mentre in corrispondenza delle tamponature in muratura si ha un passaggio di calore maggiore dovuto al ridotto spessore del materiale (inerzia termica minore rispetto a quella del legno) e alla sua maggiore conducibilità.

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La stessa metodologia di prova sopra descritta si può applicare ad una muratura intonacata per il rilievo delle tessiture murarie rivestite da intonaco. Questo metodo di rilievo risulta quindi indispensabile quando si devono verificare le tipologie murarie impiegate per la costruzione di una struttura e altre discontinuità strutturali (es. presenza di tamponature, interventi di consolidamento non documentati), non visibili ad occhio nudo e connessi all’evoluzione storica della fabbrica oggetto di intervento (Binda et al. 2011). 

Durante la fase di riscaldamento avremo un passaggio di calore tra i vari strati della muratura a partire dall’intonaco esterno. Dove i materiali sono più omogenei (intonaco e malta) il flusso di calore passerà più agevolmente, mentre dove ci sarà un cambio di materiale nella compagine muraria (mattoni, pietre, metalli) il passaggio di calore subirà delle modifiche in base alla maggiore o minore resistenza termica offerta dai vari materiali. Avremo così un leggero accumulo di calore in corrispondenza dei mattoni (aree calde nel termogramma) rispetto ai giunti di malta oppure un maggiore passaggio di calore (aree più fredde nel termogramma) in corrispondenza degli elementi termicamente più conduttivi come le catene o altri elementi di rinforzo in metallo oppure mensole lapidee poste di testa. Questi elementi fungono da ponti termici, favorendo il flusso di calore verso l’interno del muro e dal punto di vista termografico sono più freddi rispetto ai giunti di malta.

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Un altro elemento di vulnerabilità sismica per un edificio in muratura è rappresentato dalla presenza di canne fumarie non visibili o da nicchie tamponate con materiali diversi da quelli della struttura originale. In entrambi i casi si riscontra una sensibile riduzione dello spessore murario con conseguente riduzione delle sezioni resistenti del maschio murario. Quando la parete viene riscaldata per irraggiamento solare oppure mediante un termoconvettore il flusso termico incontra una maggiore resistenza al suo passaggio in corrispondenze dei volumi d’aria interni alle canne fumarie o compresi tra le tamponature e il fondo delle nicchie. Questo avviene perché l’aria esercita un effetto isolante nella muratura e quindi il calore tende ad accumularsi in corrispondenza della discontinuità secondo lo schema riportato di seguito.

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Un’altra applicazione tipica della termografia che impiega il riscaldamento attivo delle superfici riguarda le verifiche dell’aderenza dei rivestimenti (anche lastre in pietra) per identificare eventuali distacchi. Come rappresentato nella figura sottostante in corrispondenza di un distacco si crea una lama d’aria che si comporterà come uno strato estremamente isolante ed impedirà il passaggio di calore. La conduttività termica dell’aria è molto bassa (l=0,027 W/m2) e di conseguenza il flusso di calore viene rallentato quando incontra una discontinuità nella stratigrafia del materiale a seguito di un distacco. Da un punto di vista termografico il distacco superficiale viene identificato come area maggiormente calda per accumulo del calore dovuto all’effetto isolante dell’aria contenuta tra supporto murario e rivestimento non aderente. La porzione di muratura dove il rivestimento è ben aderente al supporto murario si presenterà invece più fredda a seguito del passaggio di calore più regolare tra la superficie e gli strati più interni del muro.

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