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Tomografia a ultrasuoni su elementi lapidei

“Il metodo presenta alcune affinità con la tecnica georadar, con la differenza che è molto più sensibile ai vuoti e alle fessure e meno sensibile alla presenza di metalli”
IL PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
Il funzionamento del tomografo si basa sulla riflessione di brevi impulsi di onde elastiche ad opera di fessure, cavità, armature e altre discontinuità presenti nel materiale (metodo pulse-echo). L’intensità delle onde riflesse da queste disomogeneità dipende dal loro contrasto rispetto al materiale di base in termini di impedenza acustica (impedenza acustica Z = densità x velocità delle onde elastiche). In particolare, l’aria presente nei vuoti ha un’impedenza acustica praticamente nulla e gli impulsi vengono riflessi integralmente: R = (Z2 – Z1) / (Z1 + Z2) = – 1. Indicazioni più deboli (R ~ 0.5) si ottengono in corrispondenza delle barre d’armatura, la cui impedenza acustica è circa 4-5 volte quella del calcestruzzo.
Grazie alla ripetuta applicazione del principio mediante una serie di 12 sensori equispaziati di emissione-ricezione degli impulsi, lo strumento elabora in pochi secondi una tomografia 2D lungo una sezione ortogonale alla superficie del manufatto (B-scan), permettendo di identificare difetti e patologie anche su strutture accessibili da un solo lato (pavimentazioni, gallerie, ecc.).
Ripetendo il rilievo su una griglia regolare di punti (indicativamente 50×50 o 100×100 mm) è possibile generare un modello 3D della struttura interna dell’elemento indagato.
Strumento per l’esecuzione di tomografie ultrasoniche col metodo pulse-echo e rete di misure consentita dalla presenza di 12 sensori che operano alternatamente come emettitori e ricevitori.
In linea di principio, il metodo presenta alcune affinità con la tecnica georadar, con la differenza che è molto più sensibile ai vuoti e alle fessure e meno sensibile alla presenza di metalli. Inoltre, la lunghezza d’onda degli impulsi elastici è significativamente inferiore (~50 mm), il che consente un maggiore livello di dettaglio in rapporto allo spessore indagato (spessore massimo = 2 m circa, possibilità di identificare difetti dell’ordine di 30 mm alla profondità di mezzo metro).
CARATTERISTICHE TECNICHE DELLO STRUMENTO
Lo strumento in oggetto vanta diverse soluzioni tecniche che lo rendono particolarmente efficace nell’utilizzo sul campo. In primo luogo i sensori vengono applicati a secco, senza l’interposizione di un materiale di accoppiamento, come invece avviene nelle comuni indagini ultrasoniche. I sensori sono poi dotati di molle precaricate indipendenti, che ne permettono l’adattamento anche a superfici non perfettamente piane. Non è quindi richiesta alcuna preparazione particolare della superficie di prova, oltre alla normale rimozione di polvere e colature cementizie. Un’altra peculiarità riguarda il tipo di vibrazioni generate, che consistono in brevi impulsi di onde taglio di frequenza variabile da 25 a 85kHz. Questo permette una maggiore dettaglio nella restituzione tomografica (minor lunghezza d’onda), un più agevole adattamento alle diverse qualità di calcestruzzo e agli spessori da indagare, oltre alla capacità di identificare anche fessure sature d’acqua.
CAMPI DI IMPIEGO
Il tomografo a ultrasuoni oltre che essere impiegato per l’analisi di strutture in cemento armato, si presta a diverse applicazioni nel campo dei controlli non distruttivi sulle strutture in pietra, specie se caratterizzate da blocchi sufficientemente grandi e regolari, con superficie abbastanza liscia, tale da garantire un adeguato contatto con i sensori. In questo senso, esso risulta particolarmente efficiente per l’ispezione di costruzioni in blocchi di marmo o altro materiale lapideo con caratteristiche ad esso comparabili. Tra le principali finalità di tale metodo è possibile annoverare:

  • Misure di spessore di elementi accessibili da un solo lato (murature, lastre di rivestimento di edifici, pavimentazioni, ecc.);
  • Localizzazione di vuoti e di cavità;
  • Identificazione di morfologie murarie (muratura piena, a sacco, a doppio paramento etc.);
  • Identificazione di eventuali laminazioni proprie del materiale, venature della pietra;
  • Valutazione dell’efficacia di interventi di consolidamento;
  • Individuazione di fessure parallele alla superficie del manufatto (purché più profonde di 50 mm).

Tomografia 3D di un blocco di marmo di carrara (spessore 200 mm) e tomografia 2D dello spessore in cui si individua sia lo spessore sia la venatura (a circa 100mm di profondità) mostrata nelle immagini sottostanti.
Superficie del blocco di marmo di Carrara su cui si osserva la venatura del materiale lapideo e due dettagli della stessa
Fonte: Prof. Roberto Felicetti – Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale – Politecnico di Milano
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