Spilimbergo

DIAGNOSTICO IN APPLICAZIONI DI INGEGNERIA CIVILE

RELATORE CANDIDATO:

Prof. R. D’ORSI IULIUCCI MICHELA

Matr. 070191192

Anno Accademico

2021/2022 1

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

ap 4. ESEMPI DI APPLICAZIONI IN CAMPO INGEGNERISTICO, AMBIENTALE E

C

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 1 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

2

A chi non ce l’ha fatta,

A chi ha mollato,

A chi non si è sentito all’altezza,

A chi ha trovato solo porte chiuse,

A chi non crede più in sé stesso,

A chi ha pianto notti intere pensando a quell’esame,

A chi non è riuscito a respirare per l’ansia,

A chi si è dato la colpa di ogni fallimento,

A chi ha preferito morire invece che fallire ancora,

A Me, che alla fine ce l’ho fatta!

3

LA TOMOGRAFIA GPR AD ALTA

FREQUENZA COME METODO

DIAGNOSTICO IN APPLICAZIONI

DI INGEGNERIA CIVILE 4

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 modificazione

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 aumentano 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 5

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 ottimizzati

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 la 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 della 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. 6

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).

Fig 1-2-3: Propagazione dell’onda elettromagnetica nel terreno. 7

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, hanno 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 dipendente 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