Esplorando le profondità: rilievi sonici e ultrasonici nell'analisi di murature e calcestruzzo

Tra le varie indagini non invasive a disposizione per le valutazioni strutturali, le indagini soniche ed ultrasoniche sono quelle più comunemente utilizzate per caratterizzare le strutture in muratura e in calcestruzzo che, in condizioni ottimali, dovrebbe presentare un certo grado di compattezza ed omogeneità.

La tecnica di prova sfrutta l'energia delle onde elastiche, generate da appositi trasduttori tarati su determinate frequenze, per attraversare la sezione di un oggetto e consente di calcolarne la velocità di propagazione: tanto più il materiale e omogeneo e privo di discontinuità, tanto più elevate saranno le velocità misurate.

Le prove ultrasoniche si utilizzano per localizzare le discontinuità interne in un corpo e per stimare la profondità delle lesioni visibili superficialmente. Negli edifici storici vengono preferibilmente impiegate per la valutazione dello stato di conservazione dei manufatti lapidei. Possono fornire anche una valutazione indiretta della resistenza a compressione del calcestruzzo.

Indagini Soniche e Ultrasoniche, come funzionano

Entrambe le tecniche di prova consentono di calcolare la velocità di propagazione delle onde elastiche attraverso un mezzo materiale in funzione delle sue alle proprietà elastiche. Entrambi i metodi di prova si si basano sulla generazione di onde elastiche a bassa o ad alta frequenza (soniche o ultrasoniche) in un punto della struttura, attraverso l’impiego di appositi strumenti. Il parametro che caratterizza questi metodi di prova è il tempo impiegato dall’impulso emesso per coprire la distanza intercorrente tra il punto di emissione e quello di ricezione. L’elaborazione dei dati consiste nel calcolo della velocità di trasmissione dell’onda elastica nel solido indagato.

Ed è proprio il parametro velocità ad essere fortemente influenzata dalle caratteristiche meccaniche del mezzo, in particolare dalla sua densità, dal modulo elastico e dal cosiddetto coefficiente di Poisson. Le onde soniche è ultrasoniche subiscono riflessioni e rifrazioni all'interno dell'oggetto in esame a causa di fessure e vuoti presenti. Questa interazione provoca un assorbimento di energia, portando ad un attenuamento del segnale. Di conseguenza, il cammino delle onde è influenzato dallo stato di conservazione del materiale.

Le indagini soniche e ultrasoniche possono essere effettuate secondo tre configurazioni di prova (EN 12504-4:2005), a seconda del posizionamento del trasmettitore e del ricevitore sulla superficie muraria: "per trasparenza", "per trasmissione radiale" e "di superficie". La configurazione "per trasparenza" si dimostra generalmente la più efficace per valutare lo stato di conservazione dell’intero spessore murario in quanto permette di sfruttare la massima potenza dell’impulso emesso dal trasduttore e rilevato dalla sonda ricevente.

La prova è puntuale e per una caratterizzazione accurata della struttura è opportuno organizzare delle griglie di prova composte da punti posti a breve distanza l’uno dall’altro, in modo da considerare una superficie sufficientemente rappresentativa della struttura.

Configurazioni di prova: per trasparenza, per trasmissione radiale, in superficie.

Dal confronto tra le velocità riscontrate, in base alla geometria del muro e alle traiettorie ipotetiche tra i punti considerati, è possibile verificare l’omogeneità della struttura e la presenza di eventuali discontinuità.

In linea generale le indagini soniche sono consigliate per determinare lo stato di aggregazione di materiali diversi all’interno di un paramento murario, struttura tipicamente disomogenea. Mentre si utilizzano le prove ultrasoniche per segnalare difetti, discontinuità, fessure in materiali maggiormente omogenei quali pietra, calcestruzzo e legno.

Principali impieghi dei risultati ottenuti sulle strutture in muratura e calcestruzzo

1. VALUTAZIONE DELL’OMOGENEITÀ DEI MATERIALI

Le indagini soniche ed ultrasoniche si utilizzano per condurre analisi estese su strutture in mattoni/pietre e malta con l’obiettivo di valutarne la qualità costruttiva e per identificare la presenza di anomalie strutturali non visibili in superficie.

Le informazioni che si possono ricavare dalla distribuzione delle velocità degli impulsi sonici e ultrasonici consentono di localizzare la distribuzione dei vuoti e, nel caso delle murature, degli elementi di ammorsamento collocati nella sezione muraria (diatoni). Nel calcestruzzo gli ultrasuoni permettono di confrontare la qualità e l’omogeneità dei getti.

2. RILIEVO DELLA PROFONDITÀ DI FESSURE SUPERFICIALI

Le indagini ultrasoniche, in questo caso, forniscono una stima della profondità delle fessure visibili dalla superficie, assumendo l’ipotesi che il loro sviluppo nella sezione sia regolare e che i lembi della stesse non siano a contatto tra loro.

La configurazione di prova che prevede il posizionamento dei punti di emissione e di ricezione del segnale sullo stesso piano, ad una distanza prefissata, si chiama per superficie. Tale tecnica di acquisizione è utile per studiare l’incidenza del quadro fessurativo osservato sulla superficie muraria, in particolare per conoscere lo sviluppo interno di particolari lesioni. Nell’immagine sottostante si riporta tale schema di prova.

Configurazione della disposizione delle sonde per la misurazione della profondità delle fessure

Normativa che regolamento le indagini soniche e ultrasoniche

Per le indagini ultrasoniche si fa riferimento alla normativa UNI EN 12504-4:2005, mentre per le indagini soniche si fa riferimento alla norma francese RILEM TC 127-MS.D.1. A questi si aggiungono le direttive della NTC, che indicano linee guida per sondare le caratteristiche qualitative delle strutture in muratura e calcestruzzo attraverso indagini strumentali e la Direttiva del DPCM 9 febbraio 2011 “Valutazione e riduzione del rischio sismico del patrimonio culturale in riferimento alle NTC del 2008” che tutt’oggi rappresenta uno strumento di riferimento per la tutela dei beni culturali immobili. I criteri di verifica ivi contenuti si fondano su un percorso di conoscenza della fabbrica che sia capace di comprenderne ed interpretarne la storia costruttiva, riuscendo così a formulare gli interventi effettivamente necessari, attuando quei processi di miglioramento strutturale che devono essere tendenzialmente mirati alla conservazione dell’integrità materica dell’edificio.