Indagini Ultrasoniche Non Distruttive su Travi in Legno Lamellare

1. Principi Fisici della Metodologia Ultrasonica

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.

2. Fenomeni di Attenuazione del Segnale (Assorbimento e Scattering)

L’attenuazione dell’intensità del fascio ultrasonico lungo l’asse di propagazione è riconducibile a due meccanismi fisici fondamentali:

1. 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.

2. 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.

3. Campagna Diagnostica su Travature in Legno Lamellare

A. Oggetto dell’Indagine e Configurazione di Misura

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.

4. Analisi dei Risultati e Conclusioni

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.

5. Normativa di Riferimento

• 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.