Prove Soniche e Ultrasoniche
Normativa di riferimento:
Rilem M.S.D1: Measurement of mechanical pulse velocity for masonry
UNI 12504-4.2005: Prove sul calcestruzzo nelle strutture - Parte 4: Determinazione della velocità di propagazione degli impulsi ultrasonici”
Scopo delle prova:
Determinare la presenza e la distribuzione delle discontinuità (vuoti, cavità) interne ad una struttura in muratura e il livello di ammorsamento della sezione muraria.
Tra le tecniche non distruttive, le prove soniche e ultrasoniche, sono quelle più comunemente impiegate. I metodi di controllo sonici sono in grado di caratterizzare e descrivere qualitativamente la muratura di mattoni o pietra rendendo possibile il confronto tra le zone sane e quelle degradate. Sono prove complementari a quelle di tipo meccanico (martinetti piatti).
La tecnica di prova è fondata su alcune relazioni che legano la velocità di propagazione delle onde elastiche attraverso un mezzo materiale alle caratteristiche meccaniche e fisiche del materiale provato. Infatti la velocità di propagazione dell’impulso sonico nella muratura diminuisce in presenza di lesioni o fratture: le fratture creano dei vuoti, dove l’onda è più lenta, e producono rifrazioni cosicché il percorso più veloce si allunga e non sarà più quello diretto tra sorgente e ricevitore.
La velocità è dunque il parametro che definisce lo stato di conservazione del materiale e lo qualifica come molto danneggiato, parzialmente danneggiato e non danneggiato.
Prove soniche: come funzionano
Dallo studio dei valori di propagazione dell’onda elastica nella muratura è possibile individuare la presenza di discontinuità interne. La velocità sonica è infatti maggiore nei mezzi omogenei (es. rocce argillose 3500m/s), mentre risulta minima nell’aria (342 m/s).
Confronto tra differenti traiettorie soniche per la verifica dell’omogeneità della struttura e della presenza di eventuali discontinuità.
Le fasi di acquisizione della prova prevedono in sintesi di:
― predisporre una maglia di 36 punti su una superficie muraria di 1 mq, per ottenere un campione di dati rappresentativo dell’effettivo stato di conservazione della muratura. Per la modalità di prova in trasparenza le griglie di prova vengono posizionate sulle facce opposte dello stesso muro mediante collimatore digitale.
― sollecitare con un martello strumentato i punti della griglia. In questo modo ciacun colpo genera onde elastiche che si propagano nello spessore murario.
― L’intensità e frequenza dell’impulso generato, dipendenti dalla durezza della punta del martello e dell’area d’impatto, sono rilevate attraverso un trasduttore di forza incorporato nel martello.
― La propagazione dell’onda elastica nella struttura muraria è rilevata da un accelerometro.
― La velocità di propagazione dell’onda elastica è calcolata dividendo lo spessore della sezione muraria per il tempo di percorrenza.
Martello strumentato (immagine a sinistra) e ricezione impulso con accelerometro (immagine a destra).
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, pe trasmissione radiale ed in superficie. Quest’ultima configurazione di prova è il meno indicato per analizzare le strutture murarie in quanto risente notevolmente delle irregolarità superficiali del materiale.
Prova per trasparenza (a sinistra), prova radiale (in centro) e prova superficiale (a destra).
L’elaborazione dei dati consiste nel calcolo del tempo di attraversamento dell’onda nel mezzo, inteso come differenza di tempo tra il momento in cui il segnale viene emesso dal martello e quello in cui viene ricevuto dall’accelerometro. Conoscendo poi la lunghezza della traiettoria percorsa dall’onda sonica è possibile risalire alla velocità d’attraversamento del segnale, la quale qualifica lo stato di conservazione del mezzo attraversato.
Ad ogni velocità registrata, viene associato un colore in modo da ottenere una mappatura della sezione muraria dove i valori più elevati della velocità definiscono le zone maggiormente connesse (è possibile valutare presenza e distribuzione dei diatoni) e prive di difetti, mentre i valori più bassi caratterizzano le zone maggiormente danneggiate o sconnesse.
Figura a destra: mappa delle velocità soniche su campione murario di 1m x 1m. Nella mezzeria di sinistra emergono carenze strutturali della sezione. Nella mezzeria di destra si rivela la presenza di connessioni trasversali (diatoni) nella sezione.
Per la misurazione degli spessori degli strati, sono da preferire le indagini tramite onde soniche per la loro maggiore capacità di penetrazione all’interno di murature molto deteriorate o di forte spessore che spesso si trovano in situ ed in edifici storici.
Prove ultrasoniche: come funzionano
Le prove ultrasoniche differiscono dalle indagini soniche per la frequenza degli impulsi generati, superiori ai 20KHz. La velocità di propagazione delle onde elastiche è direttamente correlabile alle caratteristiche meccaniche e fisiche del materiale se il materiale è elastico, omogeneo ed isotropo.
Un utile impiego delle indagini ultrasoniche consiste nello stimare la profondità delle fessure negli elementi lapidei, come le colonne in pietra.
La modalità di prova in questo caso è prevede che le coppie di sensori vengono posizionate alla stessa distanza x dalla lesione di cui si vuole stimare la profondità. Si effettuano prima almeno 3 determinazioni del tempo di volo su porzione di materiale integro. Successivamente vengono fatte le determinazioni dei tempi di volo su ciascuna coppia di punti a cavallo della fessura, mantenendo sempre la stessa distanza x dei sensori dalla lesione. Nelle immagini sottostante si riporta lo schema di acquisizione:
Configurazione della disposizione delle sonde per la misurazione della profondità delle fessure
Attraverso delle relazioni matematiche che tengono in conto le velocità di attraversamento del segnale ultrasonico nel mezzo sano e fessurato è possibile risalire ad una stima della profondità della lesione in un punto. Ripetendo l’indagine lungo la lesione si ricava l’andamento delle profondità ai vari livelli di prova.
Di seguito un esempio dei risultati che si possono ottenere per la valutazione dell'andamento delle profondità delle lesioni in una colonna.
Modalità di prova per la stima della profondità di un fessurazione lungo il fusto di una colonna in pietra naturale
