Monitoraggio di strutture storiche mediante interferometria radar terrestre

In questa memoria vengono discusse le prestazioni, i vantaggi e gli svantaggi dell’interferometria radar terrestre con antenna ad apertura reale (TInRAR) per il monitoraggio strutturale degli edifici esistenti e storici. L’interferometro radar terrestre è in grado di rilevare spostamenti differenziali confrontando la fase del segnale radar raccolto e riflesso dalla struttura rispetto a quella del segnale trasmesso. Gli spostamenti lungo la linea di vista (LoS) che si possono misurare sono dell’ordine del centesimo di millimetro e le misure possono essere campionate con frequenza fino a 200 Hz. La memoria riporta i test dinamici effettuati sulla torre campanaria della Basilica di San Prospero a Reggio Emilia (Italia), confrontando gli spostamenti misurati dal radar terrestre con i valori ottenuti per doppia integrazione delle accelerazioni misurate da accelerometri installati direttamente sulla struttura. Grazie alla capacità di misurare in maniera continua e diretta gli spostamenti di numerosi punti della struttura, l’uso della strumentazione TInRAR integrata alla strumentazione tradizionale potrebbe essere di grande ausilio nell’interpretazione del comportamento strutturale e nella valutazione della progressione di un potenziale danneggiamento nelle strutture a seguito di eventi sismici.

Vantaggi e gli svantaggi dell’interferometria radar terrestre (TInRAR) per il monitoraggio strutturale degli edifici esistenti e storici

Il monitoraggio nel tempo di una struttura contribuisce all'individuazione di possibili danni dovuti ad un evento sismico (Alvandi e Cremona, 2006). I sistemi di monitoraggio tradizionali richiedono l’installazione di un numero adeguato di sensori (accelerometri, estensimetri, inclinometri o altro) sulle strutture al fine di identificare parametri strutturali globali o locali utili per l’individuazione del potenziale danno.

L’accuratezza nell’identificazione o nella localizzazione del danno dipende dal numero e dalla posizione dei sensori (Vincenzi e Simonini, 2017). Per identificare danni locali o di piccola entità, è spesso necessaria una grande quantità di sensori; il costo di numerosi sensori con l’adeguata accuratezza può limitare l’applicazione del monitoraggio strutturale su larga scala. Inoltre, il monitoraggio di edifici che non hanno diaframmi rigidi o di strutture la cui vulnerabilità è dominata da meccanismi locali è complesso a causa dello specifico comportamento di tali strutture. In questa memoria vengono discusse le prestazioni, i vantaggi e gli svantaggi dell’interferometria radar terrestre con antenna ad apertura reale (TInRAR) (Strozzi et al, 2012; Stabile et al, 2013; Pieraccini et al, 2014; Di Pasquale et al, 2018) per il monitoraggio strutturale degli edifici esistenti e storici. L’interferometro radar terrestre è in grado di rilevare spostamenti differenziali confrontando la fase del segnale radar riflesso dalla struttura in istanti successivi. Gli spostamenti lungo la linea di vista (LoS) che si possono misurare sono dell’ordine del centesimo di millimetro e le misure possono essere campionate con frequenza fino a 200 Hz.

La ricerca ha l’obiettivo di valutare l'affidabilità e l’accuratezza dei risultati forniti dalla strumentazione TInRAR, sia in integrazione ai sensori tradizionali sia come alternativa nel caso in cui non sia possibile installare sensori direttamente sulla struttura. Il caso studio è rappresentato da una torre in muratura di grande interesse storico, la torre di San Prospero di Reggio Emilia. Le prove sperimentali sono state eseguite durante un famoso evento culturale che si tiene nel centro storico di Reggio Emilia, durante il quale si è svolto un concerto di campane che ha permesso di misurare le vibrazioni del campanile anche in condizioni forzate. L'accuratezza dei risultati e la validazione della procedura di misura vengono valutate attraverso il confronto dello spostamento misurato dall'interferometro radar con quello ottenuto attraverso doppia integrazione delle accelerazioni misurate da due tipi di accelerometri direttamente installati sulla torre.

Il caso della torre di San Prospero di Reggio Emilia

La Basilica di San Prospero è un edificio situato in Piazza San Prospero, nel cuore del centro storico di Reggio Emilia; è dedicata al santo patrono della città e rappresenta una testimonianza del barocco emiliano. Accanto alla Basilica si trova il suo campanile, chiamato “la Torre di San Prospero” (Figura 1a), oggetto di questo studio. Il campanile ha una pianta ottagonale e si sviluppa su tre ordini, come mostrato nella Figura 1b. La struttura è in muratura di mattoni pieni ed è presente un rivestimento in pietra su tutto il perimetro. La distribuzione interna è caratterizzata da due stanze a volta ottagonale e una terza stanza, posta al piano superiore della torre, che costituisce la cella campanaria.

La costruzione della torre iniziò nel 1536, dopo una fase travagliata di approvazione del progetto, e durò più di 30 anni, con la successione di diversi architetti e tecnici responsabili di cantiere. Al termine dei lavori, avvenuto nel 1571, la torre presentava la geometria attuale. Rimane dubbio se la torre sia stata completata seguendo il progetto originale o se invece l’opera rimane tutt’oggi incompiuta: secondo gli storici, infatti, la torre doveva avere un quarto piano e una cupola. La costruzione della torre ha inoltre visto numerosi problemi nel completamento della finitura esterna a causa della difficoltà nel reperimento e dell’alto costo del marmo bianco di Verona previsto originariamente nel progetto. Tali difficoltà hanno spinto i responsabili del cantiere a modificare la scelta dei materiali di rivestimento, passando dal marmo alle più vicine ed economiche pietre arenarie delle montagne locali. Sin dai primi decenni del XVII secolo, la torre ha subito danni significativi alle facciate esterne in arenaria a causa di eventi atmosferici e sismici, nonché della mancanza di adeguate manutenzioni. Nel 1822, dopo la caduta di porzioni di rivestimento, si è provveduto alla chiusura immediata delle vicine strade di accesso ed è stato inibito il suono delle campane per evitare di aggravare ulteriormente lo stato di degrado del rivestimento. La torre fu restaurata una prima volta nel 1840; successivamente, nel 1977, vennero eseguiti importanti lavori di restauro che coinvolsero le strutture architettoniche e le facciate in pietra.

Oggi la torre mostra ancora problemi di distacco del rivestimento in arenaria e, al fine di pianificare interventi duraturi ed efficaci, è stato attivato un comitato speciale per il restauro.

Il campanile accoglie oggi cinque campane, costruite a partire dal 1546, caratterizzate da una massa variabile da 200 fino a 2400 kg, con diametri pari a 0,60, 0,80, 1,00, 1,20 e 1,50 metri (Figura 2 a). Le campane sono installate su un castello ligneo della stessa età delle campane, ancora oggi perfettamente conservato (Nobili et al, 1997; Monducci, 2006).

I sistemi di monitoraggio utilizzati 

Il monitoraggio delle vibrazioni in condizioni ambientali e forzate del campanile di San Prospero è stato realizzato tramite due sistemi accelerometrici e tramite un interferometro radar terrestre.

Figura 1. Torre di San Prospero: (a) vista da piazza San Prospero e (b) sezione verticale.

Figura 2. (a) Sezione orizzontale del campanile di San Prospero con posizione della campana principale; (b) campana principale in posizione capovolta – 1,50 m di diametro e 2400 kg di peso.

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Articolo tratto dagli atti del XVIII Convegno ANIDIS