Qualità delle iniezioni murarie: prove soniche e termografia

Fabbricato oggetto di consolidamento e validazione mediante indagini non distruttive

Le indagini riguardano un fabbricato ex magazzino RFI oggetto di recupero e trasformazione edilizia. L’intervento prevede di mantenere l’involucro in muratura originaria costituita da maschi murari dello spessore di 80 cm apparecchiati con elementi lapidei appena sbozzati misti con pietrame di varia pezzatura e laterizi pieni apparentemente di buona cottura.

La malta usata è sicuramente a base di calce. Pertanto, trattasi di una muratura con un’apparecchiatura disordinata, eterogenea e apparentemente con scarsi diatoni presenti. Proprio per questo motivo, è stato progettato un intervento di iniezioni di malte consolidanti nei maschi murari da mantenere, nonché un rinforzo strutturale mediante betoncino armato.

Piano di indagine: relazione metodologica

Tutti i maschi murari hanno uno spessore pari a circa 80 cm (distanza da considerare nelle impostazioni allo strumento, tra la fonte dell’onda meccanica (impatto del martello strumentato) e l’accelerometro (ricevitore).

La porzione di muratura indagata per prima è stata una porzione di muro di spina interno posto al piano terra che presenta la stessa tipologia di struttura e stesso spessore, successivamente sono stati indagati n. 12 maschi murari scelti a caso e ancora un elemento interno posto al piano secondo non iniettato, per avere un confronto tra i dati scaturiti in elementi murari non trattati con iniezioni ed elementi trattati (maschi murari).

Di seguito vengono riportate tabelle sinottiche comprensive di foto dell’elemento in esame, dati spessore muratura, velocità dell’onda acustica, tempi di volo, medie e calcolo del modulo elastico applicando la sopraccitata formule.

È bene sottolineare fin d’ora che, per quanto riguarda le prove soniche-microsismiche si sarebbero dovute eseguire le stesse prove negli stessi punti dei maschi considerati anche PRIMA delle iniezioni consolidanti eseguite per poter avere un reale confronto dei dati relativi alle velocità di propagazione dell’onda meccanica sia ante che post iniezione.

È stato in un certo qual modo “superato” quest’aspetto della mancanza del dato iniziale compiendo n. 2 indagini su altrettante apparecchiature murarie interne, ovviamente non iniettate, ed aventi caratteristiche morfologiche, di apparecchiatura e di spessori analoghi ai maschi iniettati. Pertanto, il confronto è stato eseguito su elementi diversi ma aventi simili caratteristiche costruttive e dimensionali.

Indagine sonica: principio e finalità

Le prove soniche rappresentano una delle tecniche di indagine non distruttive più adottate per le strutture in muratura.

La tecnica sonica appartiene alla famiglia dei metodi d’indagine acustici e sfrutta la propagazione nel materiale di segnali con frequenze limitate (generalmente 20Hz÷20kHz) per ottenere maggiori lunghezze d’onda a minor risoluzione, ma con la possibilità di raggiungere maggiori profondità di penetrazione nel materiale.

Utilizzando segnali molto energetici, generati da un breve impatto elasto-meccanico sulla superficie, questa metodologia di prova si presta per un approccio conoscitivo ed investigativo, valutando l’omogeneità del materiale e quindi la presenza di discontinuità o lesioni (Figura 2).

Il parametro misurato è il tempo che serve all’impulso emesso per coprire la distanza tra l’emettitore e il ricevitore: esso è proporzionale, nel caso di un mezzo omogeneo ed isotropo, al modulo elastico dinamico, al coefficiente di Poisson e alla densità del mezzo.

Nel caso di strutture in muratura, tuttavia, per l’intrinseca eterogeneità e anisotropia che caratterizza le tipologie esistenti, la velocità delle onde soniche non può essere direttamente correlata alle proprietà del materiale (resistenza e rigidezza), anche se per ben definite tipologie, è stata trovata una buona corrispondenza tra la velocità sonica e il modulo elastico della muratura (Epperson e Abrams, 1989; Riva et al., 1998).

La finalità di questa prova è principalmente connessa alla valutazione di una connessione trasversale tra i paramenti costituenti la compagine muraria successivamente ad intervento di iniezioni di malte consolidanti all’interno della stessa.

Tale aspetto risulta assai rilevante sia in ottica statica (spanciamento per carichi verticali) sia in chiave sismica. Nei meccanismi di 1° modo, infatti, la presenza di una buona connessione trasversale (connessa alla presenza di diatoni o più generalmente ad una tessitura muraria anche nello spessore della parete) consente l’evoluzione di un meccanismo di ribaltamento dell’elemento strutturale, in modo monolitico, meccanismo che si attiva sempre in maniera analoga ma che evolve differentemente se i due paramenti sono mal ammorsati.

La presenza di paramenti scollegati trasversalmente comporta capacità di spostamento ridotte, in paragone a murature di buona qualità ed anche i parametri di resistenza possono essere incrementati, in determinate condizioni al contorno come consentito dalla normativa tecnica. Nei meccanismi di 2° modo, la presenza di una buona connessione trasversale, viene tradotta, secondo gli allegati alle NTC2018, in un coefficiente correttivo da applicare ai valori di resistenza desunti da prove specifiche o riferiti a predeterminate tipologie murarie.

Questo tipo di indagine, che prevede unicamente lo scrostamento al vivo della muratura, si basa sulla propagazione dell’impulso all’interno di un materiale (“mezzo”, in questo caso la muratura), determinandone il Modulo di Elasticità Dinamico dell’elemento di muratura indagato correlato al coefficiente di Poisson.

La strumentazione è costituita da:

• Un martello non strumentato o strumentato (ossia dotato di una cella di carico nella testa d’impatto, e collegato ad un sistema di acquisizione che consente di registrare la funzione tempo-ampiezza della forza esercitata all’impatto) é la fonte dell’onda acustica (generalmente di frequenza inferiore ai 10 kHz) che si genera dall’impatto della massa battente sulla superficie di prova. L’energia meccanica si trasforma in energia acustico-vibrazionale e l’onda si propaga nel semispazio omogeneo isotropo, (se tale è il materiale indagato) come fronti d’onda approssimativamente semisferici di compressione e di taglio, mentre sulla superficie si propagano in maniera concentrica dal punto di battuta le onde superficiali. Le onde di compressione, per la loro maggiore velocità rispetto a quelle di taglio e per la loro maggiore energia nella direzione d’impatto sono quelle generalmente sfruttate nelle indagini microsismiche.
• Un sensore ricevente (o più sensori riceventi) s’incarica di registrare e trasmettere al sistema di acquisizione la risposta del materiale alla propagazione del segnale nella sezione, risposta che verrà registrata come forma d’onda che rappresenta le variazioni di ampiezza delle vibrazioni avvenute alla superficie in un breve lasso di tempo. La propagazione dell’onda nel materiale sarà infatti influenzata dalla geometria della sezione oltreché dalle caratteristiche fisico-meccaniche del materiale o dei materiali attraversati.

Dalla disposizione relativa tra trasmittente e ricevente si diversificano varie tecniche di conduzione delle indagini soniche-microsismiche. Tra queste le principali sono:

• per trasmissione diretta del segnale, ossia per trasparenza quando la stazione trasmittente e ricevente si trovano sulle due superfici opposte della parete, (sistema utilizzato nella presente diagnosi);
  
• per trasmissione indiretta del segnale, ossia per trasmissione superficiale, quando stazione trasmittente e ricevente sono collocate sulla stessa superficie di prova ma distanziate tra loro;
  
• per riflessione del segnale, quando trasmittente e ricevente sono adiacenti sulla stessa superficie.

Le indagini microsismiche relative a questa campagna di prove, effettuate su n° 14 elementi in muratura, sono state tutte sviluppate per trasmissione diretta del segnale.

In ogni caso, i parametri estratti da ciascuna delle forme d’onda registrate – quella prodotta dall’emittente e quella acquisita dal ricevitore – sono generalmente l’attenuazione subita dal segnale lungo il percorso di propagazione e il cosiddetto “tempo di volo” ossia il tempo intercorso tra l’inizio del segnale trasmesso e l’inizio del segnale ricevuto.

Mediante dette prove, può essere calcolato il modulo elastico sonico E_d che in genere, per il bassissimo sforzo generato nel test, sovrastima del 10% circa il normale modulo elastico misurato su provini o carotaggi.

Nota la densità ρ del materiale e fissato il modulo di Poisson ν, detto modulo elastico lo si può ricavare dalla relazione:

Nel caso in esame, trattandosi di una muratura costituita in maniera disordinata da pietrame marnoso, laterizio pieno e malta a base di calce, si utilizzano i seguenti parametri:

• densità ρ pari a: 2,50 kg/dm³
• modulo di Poisson ν pari a: 0,3

La velocità sonica è influenzata da:

• frequenza di input, generata da diverse strumentazioni;
• numero di giunti attraversati. La velocità tende a diminuire con l’aumento del numero di giunti;
• presenza di fessure;
• caratteristiche del materiale superficiale.

Per esempio, l’eventuale presenza di intonaci o lesioni superficiali, filtra le componenti in alta frequenza del segnale.
Dato che la lunghezza d’onda è legata al rapporto tra velocità e frequenza, questo effetto tende ad aumentare la lunghezza d’onda, quindi a diminuire la risoluzione della prova. Può accadere che la risoluzione non consenta che considerazioni generali sulla localizzazione di zone di bassa velocità nella muratura.
Gli intervalli di velocità tipici, onde stimare la bontà di una muratura, sono i seguenti:

• V < 1000 m/s: individua murature fortemente danneggiate con presenza di grossi
  vuoti interni;
• 1000 m/s < V < 2000 m/s: rappresenta la maggioranza delle murature in mattoni esistenti;

valori di:

• V inferiori ai 1500 m/s: possono indicare presenza di vuoti e difetti, irregolarità nei corsi o
  nelle giunzioni;
• V > 2000 m/s: indica murature accuratamente costruite e conservate con elevata resistenza a compressione, stimabile fra i 5 e 15 MPa.

In presenza di lesioni o fratture o altri tipi di discontinuità, la velocità sonica diminuisce in quanto l’onda è più lenta in corrispondenza di vuoto e si producono rifrazioni multiple del segnale cosicché il percorso si allunga e non risulta più quello diretto tra sorgente e ricevitore.

La risoluzione della prova, in termini di dimensione minima del difetto riconoscibile, è quindi legata alla lunghezza d’onda della frequenza dominante, e anche dalle dimensioni stesse dell’oggetto esaminato.
La lunghezza d’onda λ è legata alla velocità di trasmissione ν_e alla frequenza f, attraverso la semplice relazione

λ= ν/f

Per una fissata velocità l’incremento della frequenza produce una diminuzione della lunghezza d’onda e quindi l’aumento della risoluzione. Tuttavia, con l’aumento della frequenza, l’energia del segnale si attenua e diminuisce la profondità della sezione muraria investigabile.

La frequenza ottimale deve essere pertanto scelta valutando contemporaneamente le esigenze di risoluzione e l’attenuazione del segnale, legata allo spessore murario.

Nel caso in questione, con questa tipologia di muratura, si possono utilizzare frequenze di input attorno ai 3,5 - 5 kHz.
Le prove soniche, in generale, vengono effettuate con vibrazioni elastiche di frequenze variabili tra i 16 e i 20000 Hz.
Il rilievo delle velocità trasmesse lungo diversi percorsi possibili all’interno della porzione muraria individuata consente poi, impiegando determinati algoritmi per l’elaborazione, di effettuare delle mappature delle velocità (tomografia sonica).

Ogni singola battuta di prova consta quindi di una lettura puntuale, localizzata all’intorno della regione di materiale dove stazione trasmittente e stazione ricevente sono posizionate. Per ovviare a questo, su materiali fortemente disomogenei quali gli apparecchi murari, si predispongono più stazioni di misura entro aree omogenee di muratura, generalmente disponendo i punti di battuta ai nodi di griglie con maglia di dimensioni opportune.

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