Diagnostica non distruttiva del legno storico: nuove prospettive dalla tomografia ultrasonica

La conservazione delle strutture lignee storiche richiede strumenti diagnostici sempre più affidabili e non invasivi. In questo contesto, le tecniche di tomografia ultrasonica rappresentano una delle metodologie più promettenti per individuare difetti interni senza compromettere l’integrità degli elementi strutturali. Una ricerca presentata ad ANIDIS 2025 propone un approccio innovativo che combina algoritmi di ricostruzione avanzati e un modello di compensazione legato all’angolo cordale delle onde ultrasoniche. L’obiettivo è migliorare l’accuratezza dell’identificazione dei difetti interni nel legno, riducendo le incertezze legate alla direzione di propagazione delle onde. I risultati aprono nuove prospettive per l’applicazione di queste tecniche nel monitoraggio e nella diagnosi del patrimonio edilizio storico.

Il patrimonio ligneo storico e la necessità di monitoraggio

Il patrimonio architettonico in legno rappresenta una componente rilevante del costruito storico, sia in Italia sia in molti altri Paesi con tradizioni costruttive analoghe. Una quota significativa dei siti protetti a livello internazionale comprende infatti strutture lignee di grande valore culturale e artistico, come dimostrano alcuni celebri complessi monumentali italiani. Tuttavia, proprio la natura del materiale comporta vulnerabilità specifiche legate ai carichi ambientali, all’azione del tempo e alle attività antropiche, che possono determinare progressivi fenomeni di degrado.

Il problema principale riguarda la riduzione della capacità resistente degli elementi strutturali. Tale riduzione può derivare da diversi fattori, tra cui la diminuzione della sezione resistente causata da difetti naturali o da processi di deterioramento. Alcuni difetti risultano visibili esternamente, come i nodi, mentre altri si sviluppano all’interno del materiale, ad esempio a causa di attacchi fungini o biologici. La presenza di questi fenomeni interni rappresenta una delle principali difficoltà nella diagnosi delle strutture storiche, perché non sempre è possibile individuarli con un semplice esame visivo.

Negli ultimi anni il tema del monitoraggio delle strutture lignee storiche ha acquisito crescente attenzione nella comunità scientifica. Episodi di collasso che hanno coinvolto edifici storici hanno evidenziato come la longevità delle strutture non sia necessariamente il fattore determinante del loro stato di sicurezza: molto spesso il problema è piuttosto la mancanza di sistemi di monitoraggio e diagnosi adeguati. Da qui nasce l’esigenza di sviluppare metodologie sempre più affidabili che consentano di indagare l’interno degli elementi senza danneggiarli.

La presente relazione è stata presentata ad ANIDIS 2025 (Assisi, 7-11 settembre) e gli autori sono: Ling Xuewei, Cristoforo Demartino, Vittoria Borghese e Chen Dongdong.

Tomografia ultrasonica e algoritmi di ricostruzione

Tra le tecniche di indagine non distruttiva più utilizzate per le strutture lignee esistenti, la tomografia ultrasonica rappresenta uno degli strumenti più promettenti. La metodologia si basa sulla propagazione di onde ultrasoniche all’interno del materiale e sull’analisi dei tempi di percorrenza tra un sensore emittente e uno ricevente. Dalla distribuzione delle velocità di propagazione è possibile ricostruire una mappa della sezione indagata e individuare eventuali zone degradate.

Nel lavoro presentato ad ANIDIS 2025 è stato approfondito il miglioramento delle tecniche di ricostruzione delle immagini tomografiche attraverso l’impiego di algoritmi avanzati. In particolare, lo studio ha combinato due approcci numerici: il Linear Time Interpolation (LTI) e il Simultaneous Iterative Reconstruction Technique (SIRT).

L’elaborazione dei dati segue una procedura articolata che prevede innanzitutto la discretizzazione della sezione indagata in una griglia di celle. Successivamente viene effettuato il tracciamento dei percorsi delle onde ultrasoniche tra i diversi sensori disposti lungo il perimetro dell’elemento. I percorsi delle onde vengono quindi tradotti in matrici che rappresentano il sistema delle relazioni tra tempi di percorrenza e proprietà del materiale. Il sistema risultante viene infine risolto attraverso un algoritmo iterativo di ricostruzione, che permette di ottenere una distribuzione delle velocità interne.

Questo approccio consente di trasformare una serie di misure puntuali in una vera e propria immagine tomografica della sezione dell’elemento ligneo. Tuttavia, la ricostruzione presenta alcune criticità legate alle caratteristiche anisotrope del legno. La velocità di propagazione delle onde ultrasoniche varia infatti significativamente in funzione della direzione rispetto agli anelli di accrescimento, rendendo più complessa l’interpretazione dei dati.

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Il ruolo dell’angolo cordale nella propagazione delle onde

Uno degli aspetti centrali della ricerca riguarda proprio l’influenza dell’angolo cordale, ovvero l’angolo tra la direzione di propagazione dell’onda ultrasonica e la tangente agli anelli di accrescimento del legno. Questo parametro fisico influisce in modo significativo sulla velocità di propagazione delle onde e quindi sull’accuratezza della ricostruzione tomografica.

In particolare, le misure effettuate in direzione trasversale rispetto alla fibra risultano generalmente meno affidabili rispetto a quelle longitudinali o radiali. Le onde ultrasoniche, infatti, devono attraversare numerosi anelli di accrescimento, incontrando variazioni di densità e di struttura che alterano i tempi di percorrenza.

Per migliorare l’affidabilità delle misurazioni è stato quindi introdotto un modello di compensazione basato su un coefficiente correttivo. L’obiettivo è individuare un fattore che permetta di stimare in modo più accurato il tempo di percorrenza delle onde tenendo conto dell’angolo cordale. Attraverso la calibrazione di questo coefficiente diventa possibile ridurre gli errori sistematici che derivano dalla direzione di misura.

Lo sviluppo del modello è stato affrontato con un approccio integrato che ha combinato simulazioni numeriche e sperimentazione. Le simulazioni agli elementi finiti hanno permesso di analizzare il comportamento della propagazione ultrasonica all’interno del materiale, includendo anche la modellazione dei sensori piezoelettrici e delle condizioni di accoppiamento con il legno. In questo modo è stato possibile valutare l’effetto della presenza di difetti interni sulle misure ultrasoniche.

Il caso studio sperimentale

Per verificare l’efficacia del metodo è stata condotta una campagna sperimentale su provini lignei contenenti difetti artificiali di diversa dimensione. Sono stati realizzati due campioni: uno caratterizzato da un difetto centrale di piccole dimensioni e uno con un difetto più esteso. I difetti non attraversavano l’intera altezza della sezione, in modo da simulare condizioni realistiche di degrado interno.

Le misure ultrasoniche sono state effettuate variando progressivamente l’angolo tra il sensore emittente e quello ricevente, replicando la logica della tomografia applicata alla sezione dell’elemento. Dalla distribuzione delle velocità è stato possibile ottenere mappe tomografiche che evidenziavano le zone di maggiore e minore velocità di propagazione.

Nel caso del difetto più piccolo, i risultati hanno mostrato come la presenza di uno strato superficiale degradato possa essere individuata con relativa chiarezza, mentre l’identificazione del difetto centrale risulta più complessa. Quando il percorso dell’onda attraversa direttamente il difetto, infatti, tutte le velocità misurate risultano alterate, rendendo difficile isolare con precisione l’area danneggiata.

Diverso è il caso del provino con difetto più grande, dove la tomografia consente di individuare con maggiore evidenza la presenza dell’anomalia interna. Anche in questo caso, tuttavia, emergono alcuni effetti di distorsione nella ricostruzione dell’immagine: la regione situata dietro il difetto rispetto alla direzione di propagazione dell’onda tende infatti a ereditare parte degli errori generati dall’ostacolo.

Calibrazione del coefficiente di compensazione

Per affrontare queste difficoltà è stato sviluppato un procedimento di calibrazione del coefficiente di compensazione legato all’angolo cordale. Come riferimento è stata utilizzata la velocità massima misurata nella configurazione a 90°, che rappresenta la condizione più favorevole di propagazione delle onde ultrasoniche.

Attraverso l’algoritmo iterativo di ricostruzione è stato possibile stimare l’area del difetto all’interno della sezione del provino. Il confronto tra area reale e area stimata ha consentito di calibrare il coefficiente correttivo e di valutare l’efficacia del modello nel migliorare la ricostruzione tomografica.

I risultati mostrano come la compensazione angolare permetta di ridurre alcune delle principali distorsioni nella mappa delle velocità, anche se rimangono criticità legate all’effetto di propagazione degli errori nelle regioni poste dietro il difetto.

Prospettive per l’applicazione in situ

Lo studio dimostra come l’integrazione tra prove non distruttive, modellazione numerica e algoritmi di ricostruzione avanzati possa contribuire a migliorare la diagnosi delle strutture lignee storiche. L’introduzione di modelli di compensazione basati sull’angolo cordale rappresenta un passo importante per aumentare l’affidabilità della tomografia ultrasonica, soprattutto nelle configurazioni di misura più critiche.

Restano tuttavia alcune sfide aperte. In particolare, l’identificazione precisa dei difetti continua a essere influenzata dalla propagazione degli errori nelle zone circostanti e dalla complessa anisotropia del materiale. Ulteriori sviluppi della ricerca dovranno quindi concentrarsi sul perfezionamento degli algoritmi di ricostruzione e sulla validazione delle metodologie in condizioni reali.

L’obiettivo finale è rendere queste tecniche sempre più efficaci per l’applicazione direttamente in situ, consentendo diagnosi più accurate e interventi di conservazione più mirati. In un contesto in cui la tutela del patrimonio costruito assume un ruolo centrale, strumenti diagnostici avanzati come la tomografia ultrasonica rappresentano una risorsa fondamentale per garantire la sicurezza e la durabilità delle strutture storiche in legno.

DI SEGUITO L'INTERVENTO INTEGRALE DI VITTORIA BORGHESE.

Il testo è stato elaborato mediante la trascrizione dell'intervento, mediante l'uso dell'IA.

IN SINTESI
-Il patrimonio architettonico in legno rappresenta una componente importante del costruito storico, ma è soggetto a degrado progressivo dovuto a fattori ambientali, biologici e all’azione del tempo, rendendo fondamentale lo sviluppo di tecniche di monitoraggio non distruttive.
-La tomografia ultrasonica è una delle metodologie più utilizzate per indagare l’interno degli elementi lignei, poiché consente di ricostruire la distribuzione delle velocità delle onde nel materiale e individuare possibili difetti interni.
-La ricerca presentata ad ANIDIS 2025 propone un miglioramento della ricostruzione tomografica attraverso l’integrazione degli algoritmi Linear Time Interpolation (LTI) e Simultaneous Iterative Reconstruction Technique (SIRT).
-Un aspetto chiave dello studio riguarda l’introduzione di un modello di compensazione basato sull’angolo cordale, che influisce sulla velocità di propagazione delle onde ultrasoniche rispetto agli anelli di accrescimento del legno.
-I risultati sperimentali mostrano che il metodo consente di migliorare l’identificazione dei difetti interni negli elementi lignei, aprendo prospettive interessanti per l’applicazione della tomografia ultrasonica nella diagnosi in situ delle strutture storiche.