Spilimbergo

Diagnostico in applicazioni di ingegneria civile

Relatore e candidato

Prof. R. D’Orsi
Candidato: Iuliucci Michela
Matr. 070191192
Anno Accademico: 2021/2022

Sommario

• La tomografia GPR ad alta frequenza come metodo diagnostico in applicazioni di ingegneria civile 3
• Introduzione 4
• Cap 1. Il metodo GPR 6
• 1.1 Campi di applicazione del GPR 7
• 1.2 Metodi di indagine 8
• 1.3 Propagazione dell'energia radar 11
• 1.4 Parametri fisici che influenzano la propagazione dell'energia elettromagnetica 12
• Cap 2. La tomografia 15
• Cap 3. Studio sperimentale in condizioni controllate 22
• 3.1 Strumentazione utilizzata 22
• 3.2 Sito indagato 23
• 3.3 Acquisizione dati 25
• 3.4 Time zero 29
• 3.5 Elaborazione 32
• 3.6 Descrizione dei parametri utilizzati dal programma di inversione 34
• 3.7 Tomografia e risultati 40
• 3.8 Conclusioni 53
• Cap 4. Esempi di applicazioni in campo ingegneristico, ambientale e geologico 55
• 4.1 Indagine per la localizzazione di cavità nel sottosuolo 57
• 4.2 Localizzazione di serbatoi di stoccaggio interrati 58
• 4.3 Individuazione di forme di origine carsica 60
• 4.4 Verifica dell'applicabilità e dell'efficacia del GeoRadar per individuare cavità o tunnel scavati da animali all'interno degli argini 61
• 4.5 Descrizione dell'indagine nel sito 1 – Canale Lorgana 64
• 4.6 Discussione e considerazioni finali 67
• 4.7 Sviluppi futuri 70

Bibliografia

72

Ringraziamenti

73

Introduzione

La prospezione geofisica è una tecnica di indagine non distruttiva del sottosuolo, che consiste nella misurazione tramite appositi strumenti di alcune proprietà fisiche del terreno che possono rivelarne la struttura, così come la presenza di oggetti sepolti. Si tratta di indagini non invasive che assumono grande importanza quando è difficile e costoso il rilevamento diretto di un oggetto sepolto, dove l'oggetto è inteso in un'ampia accezione del termine, in senso naturale (gas, carbone, petrolio) ed artificiale (resti archeologici, armature, lesioni, cavità in strutture edilizie). Se questi oggetti, comunemente chiamati anomalie, sono considerati come una modifica del terreno, valutare le differenze fisiche con il terreno circostante misurando determinate caratteristiche fisiche, significa correlare tali anomalie con la rispettiva risposta geofisica, comunemente chiamata "anomalia geofisica".

Uno dei più recenti metodi di esplorazione geofisica, ritenuto molto valido nel campo dell’ingegneria civile nonché in altri ambiti, è il Ground Penetrating Radar (GPR), che è proprio l'apparecchiatura utilizzata per questo lavoro di tesi. Questo metodo può definire, in maniera veloce, accurata e soprattutto non invasiva, i lineamenti di corpi sepolti, le localizzazioni di servizi interrati, il riconoscimento di cavità, la diagnostica su strutture e danneggiamenti di murature, le stratigrafie in tre dimensioni, consentendo un notevole risparmio di tempo e denaro.

I moderni sistemi GPR acquisiscono i dati in forma digitale su supporto magnetico o direttamente sul disco fisso del computer. Ciò consente di elaborare e di filtrare i dati grezzi immediatamente dopo l’acquisizione. Sebbene la penetrazione dell’onda radar e l’abilità di riflettere energia in superficie aumentino in un ambiente asciutto, recenti ricerche hanno dimostrato che l’assenza di umidità non è necessariamente un prerequisito per i rilievi GPR. Le attuali tecniche di elaborazione, che utilizzano potenti software, hanno dimostrato che, qualche volta, si possono ottenere dati significativi anche in condizioni di terreno molto umido.

Una modalità non ancora diffusa e consolidata nell’ambito di tecniche non distruttive è la tomografia radar in trasmissione. Le inversioni tomografiche possono utilizzare sia i tempi, che le ampiezze dei primi arrivi. In questo lavoro di tesi, è stata utilizzata l’inversione tomografica dei tempi.

I risultati ottenibili dipendono da: strumentazione, geometria di acquisizione, qualità dei dati, elaborazione dei segnali ed algoritmi di inversione. La scelta delle antenne, il numero di misure, le posizioni di sorgenti e ricevitori devono essere ottimizzate per garantire una buona copertura della sezione e tempi di acquisizione accettabili, in modo da ottenere la massima risoluzione consentita.

La tomografia radar non è ancora un metodo di uso diffuso e consolidato nel campo dei test non distruttivi per l’ingegneria civile. Comunque essa può essere un valido strumento per l'individuazione di zone degradate all’interno di murature.

Gli sforzi della ricerca vanno fondamentalmente in due direzioni. La prima è la metodologia di acquisizione (antenne dedicate, strumentazione di appoggio per acquisizioni veloci e precise). In questo senso si cerca di sfruttare al massimo la facilità di accoppiamento della sorgente all’interfaccia rispetto alle sorgenti. La seconda è la scelta e l’ottimizzazione delle tecniche di inversione. Diverse tecniche sono disponibili e nessuna si dimostra in assoluto meglio di altre: la scelta deve avvenire in base al tipo di risoluzione desiderata e alle caratteristiche dei materiali indagati. Diverse ricerche sono in atto sia per l’applicazione di metodi standard quali la tomografia per tempi e per ampiezze. Le tomografie per tempi (TT) e per ampiezze (AT) sono metodi consolidati, semplici da implementare e che non richiedono preprocessing dei dati costosi. Gli aspetti più critici sono il picking dei primi arrivi e delle ampiezze.

Capitolo 1: Il metodo GPR

Il metodo GPR si basa sulla trasmissione di impulsi elettromagnetici (radar) ad alta frequenza nel terreno e sulla misura del tempo trascorso tra la trasmissione e la ricezione in superficie degli impulsi stessi. Un impulso di energia radar è immesso nel terreno da un’antenna trasmittente che è disposta sopra la superficie del terreno. L’onda elettromagnetica si propaga verso il basso nel terreno; quando incontra una superficie di discontinuità parte di essa è riflessa (torna indietro in superficie) e parte trasmessa.

Fig 1-2-3: Propagazione dell’onda elettromagnetica nel terreno.

Le riflessioni sono generalmente causate da variazioni delle proprietà elettromagnetiche del terreno, in particolare permittività elettrica e magnetica, variazioni di contenuto d’acqua, cambiamenti litologici e variazioni di densità di volume all’interfaccia stratigrafica. Le riflessioni possono anche essere generate all’interfaccia tra l’oggetto archeologico e il terreno circostante. Spazi vuoti nel terreno, come quelli che si possono incontrare nelle sepolture, tombe, tunnel ecc., generano riflessioni significative dovute al cambiamento di velocità dell’onda radar.

1.1 Campi di applicazione del GPR

In questi ultimi anni l’utilizzo delle tecniche GPR per le prospezioni geofisiche in superficie ha assunto sempre maggiore diffusione e, soprattutto, si sono specializzate in diversi settori applicativi. Si è infatti assistito ad un notevole aumento di interesse nei confronti di questa tecnica, che dipende in gran parte dall’economia dei costi e dei tempi di esecuzione, nonché dal carattere assolutamente non distruttivo e non invasivo, dal vantaggio di essere un metodo molto speditivo che produce risultati caratterizzati da un buon livello di dettaglio. Quindi per esempio, a differenza di altri metodi, come quello magnetico ed elettrico, che trovano forti limitazioni nell’ambiente urbano, il primo per la presenza di un forte ‘rumore magnetico’, il secondo per la difficoltà di realizzare buoni contatti galvanici, la metodologia GPR si dimostra molto efficace.