Tecniche avanzate per la diagnostica strutturale di edifici esistenti

Tecniche di prova non distruttive per la caratterizzazione degli edifici esistenti

Per esprimere un giudizio informato sulla stabilità delle strutture esistenti e sulla qualità dei materiali che le costituiscono è necessario acquisire un opportuno livello di conoscenza di molti aspetti quali la storia dell’evoluzione costruttiva degli edifici, le tecniche di realizzazione, le geometrie ed i dettagli costruttivi, lo stato di dissesto, i materiali utilizzati ed il loro degrado nel tempo. A questo scopo le tecniche di indagine diagnostica sono essenziali per ottenere le informazioni necessarie e per completare o confermare i dati resi disponibili da altre indispensabili fonti (ad esempio dalla ricerca documentaria).

Le tecniche diagnostiche utilizzate nel settore civile si basano sostanzialmente sull’applicazione di principi fisici che consentono di ottenere misure che possono poi essere correlate alle grandezze geometriche o meccaniche che sono necessarie per effettuare le valutazioni ingegneristiche quantitative.

Metodi di prova diretti e indiretti: alcuni esempi

Alcuni metodi di prova forniscono direttamente informazioni che risultano utili per le valutazioni strutturali, altri metodi forniscono solamente informazioni indirette. Per esempio mediante le prove con martinetti piatti è possibile ottenere, utilizzando opportuni coefficienti di calibrazione, la misura dello stato di sollecitazione e del modulo elastico, che sono grandezze direttamente utilizzabili nella modellazione strutturale.

Attraverso le prove ultrasoniche (o soniche) vengono invece determinati i valori di velocità degli impulsi ultrasonici (o sonici) che possono dunque essere utilizzati solamente in modo indiretto, per esempio per valutare per comparazione l’uniformità del materiale stesso oppure per definire sperimentalmente una correlazione tra le velocità delle onde soniche e la resistenza a compressione.

Metodi di prova non distruttivi per l'ingegneria civile

Come definito dalla norma (Circ. n. 7 21/01/2019 e DPCM 09/02/2011) il modello di riferimento per l’analisi strutturale deve essere messo a punto sulla base di un percorso della conoscenza che deve essere sviluppato individuando gli elementi costituenti ed i dettagli costruttivi dell’organismo strutturale ed utilizzando i dati ottenuti dalla caratterizzazione meccanica dei materiali e del loro eventuale stato di degrado. Nel seguito vedremo come queste due operazioni possono essere realizzate attraverso metodi di prova non distruttivi per l’ingegneria civile (Non-Destructive Testing in Civil Engeneering ovvero NDT-CE secondo l’acronimo inglese).

La classificazione IAEA

Il Syllabus redatto nel 2024 dall’International Atomic Energy Agency (IAEA) raggruppa i metodi NDT-CE in macrogruppi in relazione alle modalità operative applicate:

• metodi basati sull’utilizzo di quantità meccaniche o metriche;
• metodi basati sull’analisi di fenomeni acustici (onde di pressione);
• metodi basati sull’analisi di fenomeni elettrici e magnetici;
• metodi basati sull’analisi di fenomeni legati alle radiazioni.

Affronteremo nel seguito l’analisi dei metodi basati sull’analisi di fenomeni acustici e sull’analisi di fenomeni elettrici e magnetici i quali risultano intrinsecamente non distruttivi in quanto, utilizzando fenomeni di natura ondulatoria, non provocano alcun tipo di danno alle strutture analizzate e per questo possono essere applicati nell’ambito di articolate campagne diagnostiche strutturali in modo esteso.

Tecniche di prova basate sull’analisi dei fenomeni ondulatori

I metodi basati sull’applicazione delle onde di pressione risultano idonei per analizzare le caratteristiche dei materiali ed il loro stato di degrado. Tali onde si propagano tramite fenomeni di compressione o decompressione locale e comprendono un intervallo di frequenza che va dalle onde sismiche, che variano da frequenze inferiori a 1 Hz fino a 10÷30 Hz, alle onde che vengono percepite dall'orecchio (onde sonore) con frequenza compresa tra 20 Hz e 20 kHz alle onde ultrasoniche con frequenza superiore a 20 kHz.

Prove ultrasoniche (UPV) e soniche

Per generare gli impulsi si utilizzano solitamente trasduttori piezoelettrici che se hanno alta frequenza (da 60 kHz a 200 kHz) sono adatti per brevi lunghezze di transito (fino a 50 mm) e se hanno bassa frequenza (da 20 kHz a 40 kHz.) possono essere utilizzati per lunghezze di transito fino a 15 m. Tra il trasduttore e la superficie ispezionata il contatto viene garantito da gel o plastilina utilizzati come materiale accoppiante.

Tuttavia se il materiale risulta troppo disomogeneo per consentire la trasmissione dei deboli impulsi emessi da tali trasduttori (per esempio quando si analizzano murature storiche) è necessario operare applicando l’impulso con maggiore energia, ovvero attraverso un martello strumentato che consente di generare onde soniche, di minore frequenza e maggiore capacità di penetrazione.

Le più comuni prove ultrasoniche, conosciute con l’acronimo UPV ovvero Ultrasonic Pulse Velocity, comportano la misurazione della velocità (media) di trasmissione delle onde ultrasoniche che attraversano un materiale (Fig. 1) consentendo così di determinare in modo indiretto le sue caratteristiche. Come noto esiste una correlazione fisica tra il valore del modulo elastico (dinamico), la densità dello stesso e la velocità di propagazione delle onde di pressione, applicabile nel caso di materiale omogeneo, elastico, isotopo, simmetrico, peraltro tutte condizioni difficilmente riscontrabili nei materiali utilizzati per l’ingegneria civile.

Diagnostica con Ground Penetrating Radar (GPR)

Per analizzare la geometria e la stratigrafia delle strutture possono essere inoltre utilizzati metodi che si basano su fenomeni appartenenti allo spettro delle onde elettromagnetiche, come le tecniche basate sugli infrarossi, o sul visibile, o sui raggi x e raggi gamma.

Tra di essi è molto frequente l’utilizzo del Ground Penetrating Radar (GPR) che analizza la propagazione delle onde elettromagnetiche in un mezzo (Fig. 3). Il GPR utilizza la propagazione (e la riflessione) di onde elettromagnetiche ad alta frequenza: analisi a maggiore profondità (fino a 2-3 m nel suolo e nelle strutture) vengono effettuate con antenne da 200-600 MHz che tuttavia forniscono bassa risoluzione. Antenne ad altissima frequenza (1÷2 GHz) consentono invece di indagare profondità più limitate (fino a 50-60 cm) ma con maggiore risoluzione.

Il suo principio di funzionamento si basa sulla trasmissione di onde elettromagnetiche da parte di un’antenna che scorre sulla superficie di indagine. Tali onde interagiscono con i diversi materiali e, in corrispondenza di mezzi con differenti proprietà dielettriche (densità, porosità, permeabilità o conducibilità elettrica), parte dell’energia immessa viene riflessa e captata dalla sezione ricevente dell’antenna, mentre un’altra parte penetra ulteriormente per essere riflessa da una superficie sottostante, consentendo di ottenere informazioni sulla stratigrafia del manufatto.

Durante l’acquisizione dei dati, l’antenna radar viene spostata manualmente lungo la superficie da analizzare; la distanza percorsa viene rilevata tramite un encoder collegato alle ruote dello strumento. Le interfacce separanti mezzi con caratteristiche diverse vengono così individuate attraverso le riflessioni delle onde elettromagnetiche, tanto più evidenti quanto più il contrasto di proprietà dielettriche è alto. Un allineamento continuo di echi è sintomo di una discontinuità che percorre la sezione ad una certa profondità, mentre, nel caso di anomalia localizzata, la successione di echi di riflessioni andrà a delineare la forma caratteristica di un’iperbole.

Utilizzo di tecniche diagnostiche strutturali avanzate

Indagini con metodologia Pulse-Echo

Gli impulsi ultrasonici possono essere utilizzati a scopo diagnostico anche applicando il metodo Ultrasonic Pulse-Echo (UPE) che analizza le modalità di riflessione delle onde di pressione. La metodologia Pulse-Echo si basa sull’analisi della riflessione di brevi impulsi di onde generate e rilevate da trasduttori ultrasonici ad opera di fessure, cavità, armature ed altre discontinuità presenti nel materiale. L’intensità del segnale riflesso dipende dal contrasto di impedenza acustica tra il materiale base e l’anomalia; maggiore è il contrasto, più evidente è la riflessione del segnale. Poiché in particolare l'aria presente nei vuoti ha un'impedenza acustica praticamente nulla, questa tecnica risulta particolarmente efficace per individuare la presenza di vuoti all’interno di una struttura.

La ripetuta applicazione del principio mediante una serie di trasduttori equispaziati di emissione-ricezione multipla degli impulsi permette di generare immagini bidimensionali e tridimensionali della sezione ispezionata, consentendo per esempio di identificare le caratteristiche geometriche di strutture accessibili da un solo lato (Fig. 3). L’utilizzo di trasduttori a punta conica, che possono essere applicati senza l’interposizione di un materiale di accoppiamento, consente di utilizzare questa tecnica anche su superfici non perfettamente piane.

Integrazione con dispositivi di imaging 3D

L’integrazione della tecnica Ultrasonic Pulse-Echo con dispositivi di imaging avanzati consente una lettura dettagliata delle discontinuità interne nei materiali, migliorando l’interpretazione dei risultati e, di conseguenza, la qualità e l’affidabilità complessiva delle indagini. I risultati dell’elaborazione vengono rappresentati sotto forma di ecografie digitali, in cui l’intensità della riflessione è rappresentata attraverso mappe cromatiche in funzione della profondità del punto di riflessione. L’accuratezza metrica dell’imaging dipende dalla determinazione preliminare della velocità media di propagazione dell’onda nel materiale; la precisione di questo parametro garantisce risultati attendibili.

La tecnologia SFWC - Stepped Frequency Continuous Wave

Per quanto riguarda il GPR le metodologie di prova più avanzate utilizzano la tecnologia Stepped Frequency Continuous Wave (SFCW), che si basa sull’utilizzo di frequenze discrete equidistanti all’interno di una determinata larghezza di banda. Tale tecnica consente non solo un’analisi più rapida e precisa, ma anche una maggiore profondità di indagine e una migliore risoluzione delle immagini.

Nel dettaglio, la tecnologia SFWC prevede l’emissione di N segnali a sequenze discrete equidistanti, distribuite su una banda larga B, dove, l’identificazione del target avviene analizzando la risposta specifica fornita a ciascuna frequenza. In questo contesto, la risoluzione del target è inversamente proporzionale alla larghezza di banda utilizzata, mentre la massima distanza di rilevamento dipende direttamente dal numero di passi di frequenza impiegati.

L’interpretazione dei dati consiste nella correlazione delle informazioni acquisite lungo ciascuna linea di scansione, con l’obiettivo di ricostruire le anomalie del materiale. È in questo caso importante sottolineare che, per ottenere informazioni dimensionali affidabili, come la profondità o lo spessore di un oggetto o struttura, è necessario calibrare preliminarmente la costante dielettrica ɛr media del materiale attraversato. Il post-processamento digitale delle immagini consente poi di ottenere analisi monodimensionali (A-Scan), sezioni trasversali dell’elemento analizzato (B-Scan) oppure immagini tridimensionali dello stesso (C-Scan).

Analisi delle sezioni mediante tomografia ed ecografia ultrasonica

La velocità media delle onde ultrasoniche nel mezzo determinata con il metodo UPV può essere utilizzata per effettuare una correlazione con le caratteristiche meccaniche del materiale oppure per comparare i risultati in differenti punti della struttura in modo da localizzare le difettosità presenti. Tuttavia, al fine dell’analisi degli elementi costituenti e dei dettagli costruttivi, risulta interessante visualizzare nel suo insieme la sezione trasversale degli elementi strutturali. A questo scopo è possibile operare per via ultrasonica sia attraverso l’analisi delle misure dirette che attraverso il rilievo delle riflessioni delle onde. Risalendo all’etimo dei vocaboli tecnici parleremo di tomografia riferendoci alla “descrizione di una sezione” e specializzeremo la tecnica come ecografia laddove essa è intesa a fornire la “descrizione di un eco”.

Le sezioni tomografiche possono essere ottenute direttamente dalle misure delle velocità di propagazione degli impulsi ultrasonici integrando le stesse, in corrispondenza di alcune sezioni, secondo una griglia regolare di punti di emissione/ricezione. Per ogni punto di trasmissione vengono ricevuti ventagli di misura in ricezione, secondo una geometria opportunamente predeterminata, a completare la copertura della sezione di indagine. La ricostruzione delle sezioni in forma di contour viene effettuata partendo dalla misura dei tempi di percorso delle onde longitudinali su di un elevato numero di percorsi che si incrociano mutuamente nella zona delimitata dalla geometria di posizionamento dei punti di trasmissione e ricezione. Le sezioni indagate vengono discretizzate secondo una griglia ai cui nodi verranno determinate le velocità, e lungo le cui maglie la velocità stessa verrà supposta variabile in modo bilineare. I tomogrammi così ottenuti consentono di osservare le variazioni del campo di velocità delle onde, evidenziano per esempio le anomalie presenti nella struttura (Fig. 4).

Utilizzando la tecnica Pulse-Echo è invece possibile ottenere sezioni ecografiche che, per esempio, consentono di individuare la presenza di elementi strutturali differenziati inglobati nel corpo delle murature (Figura 5).

La sperimentazione finora compiuta ha consentito di osservare come questo metodo risulta ben applicabile per elementi strutturali abbastanza omogenei, come ad esempio i pilastri in pietra al piano terra dell’edificio a cui è riferito l’esempio, mentre fornisce risultati più difficilmente interpretabili per le murature, a causa della scarsa energia degli impulsi ultrasonici, che sono difficilmente rilevabili nel caso l’analisi venga applicata ad elementi spessi e disomogenei.

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L'articolo prosegue con un paragrafo dedicato all'analisi dei dettagli costruttivi tramite scansioni GPR e riporta una ricca bibliografia.