La tecnica di controllo non distruttivo (CND) con ultrasuoni si basa sulle modalità di propagazione delle onde elastiche di volume (onde longitudinali P) all’interno di un solido omogeneo o composito.
Lo scopo della misura è la determinazione rigorosa del tempo di volo (Time of Flight – TOF) impiegato da un impulso ultrasonico ad alta frequenza (in genere tra 20 kHz e 500 kHz) per percorrere la distanza nota d tra un trasduttore emettitore (TX) e un trasduttore ricevitore (RX):
La velocità di propagazione v è direttamente correlata alle proprietà fisiche e meccaniche del mezzo attraversato, secondo la relazione elasticodinamica:
Edin = Modulo di elasticità longitudinale dinamico (MPa);
ρ = Densità di massa del materiale (kg/m³);
ν = Coefficiente di Poisson.
In presenza di discontinuita fisiche (fessure, delaminazioni, vuoti interni, variazioni locali di densità o attacchi biologici), il fronte d’onda subisce variazioni di traiettoria, riflessioni, rifrazioni e fenomeni di attenuazione dell’ampiezza del segnale.
L’attenuazione dell’intensità del fascio ultrasonico lungo l’asse di propagazione è riconducibile a due meccanismi fisici fondamentali:
Assorbimento Termo-Viscoso:
Deriva dallo smorzamento dell’energia cinetica molecolare e dalla sua progressiva dissipazione sotto forma di calore, legata alla viscosità intrinseca e alla conduzione termica delle particelle del mezzo.
Diffusione (Scattering):
È causata dal marcato disadattamento di impedenza acustica (Z = ρ*v) che si verifica all’interfaccia tra il legno e l’aria presente all’interno di difetti o fessure. Tale discontinuità disperde il fascio ultrasonico in molteplici direzioni, riducendo drasticamente l’energia dell’onda trasmessa al ricevitore. L’intensità dello scattering è massima quando la lunghezza d’onda del segnale λ è paragonabile o inferiore alle dimensioni della fessura/difetto.
È stata eseguita una campagna di controlli non distruttivi mediante ultrasuoni per verificare l’integrità strutturale e lo stato di conservazione/incollaggio delle lamelle costituenti le travi di copertura di un capannone industriale.
L’indagine ha riguardato n. 3 travi principali in legno lamellare. Su ciascun elemento sono stati effettuati rilievi comparativi:
In zone sane/integre: Per la caratterizzazione del valore base della velocità dell’onda longitudinale;
A cavallo delle fessure visibili e sospette delaminazioni: Per valutare la profondità della lesione e l’accoppiamento tra i singoli strati di legno.
Per garantire la massima precisione, sono state adottate basi di misura standardizzate con interasse tra i trasduttori pari a d1 = 10 cm e d2 = 20 cm, impiegando gel d’accoppiamento acustico ad elevata viscosità per eliminare l’aria all’interfaccia sonda-legno.
dall’elaborazione dei dati dei tempi di volo e dalle velocità apparenate registrate si osserva che:
Zone Integre (Riferimento): Il segnale ultrasonico si è propagato in maniera omogenea con elevata ampiezza e forme d’onda definite, restituendo velocità di propagazione elevate con valori medi prossimi a v≈ 2000 m/s;
Zone Fessurate / Delaminate: Nelle stazioni a cavallo delle macro-fessure e in corrispondenza delle micro-fessure dell’interfaccia di incollaggio, si è registrata una marcata attenuazione del segnale con drastiche cadute della velocità apparente (v << 2000 m/s), imputabile alla deviazione del percorso dell’onda attorno al difetto (allungamento del tempo di volo).
Conclusioni: L’indagine ultrasonica ha confermato la presenza di discontinuità e delaminazioni diffuse lungo le linee di incollaggio delle travi indagate, consentendo di perimetrare con precisione le porzioni degradate e di fornire i dati di base per la progettazione degli interventi di ripristino e rinforzo strutturale.
UNI EN 14579: Strutture di legno – Metodi di prova – Determinazione della velocità di propagazione del suono;
UNI EN 12504-4: Prove sul calcestruzzo nelle strutture – Parte 4: Determinazione della velocità di propagazione degli impulsi ultrasonici (utilizzata per le metodologie generali di prova TOF);
UNI 11119: Beni culturali – Manufatti lignei – Strutture portanti di legno – Ispezione in situ per la diagnosi degli elementi strutturali.
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