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Una diagnostica non invasiva in ambito civile e strutturale

I georadar vengono sempre più utilizzati per investigare gallerie, ponti, infrastrutture. Perché?

Uno dei fattori che ha diffuso l’uso del georadar (GPR, Ground Penetrating Radar) è la sua caratteristica di indagare molteplici materiali, terreni o strutture.

La tecnica georadar si basa sulla trasmissione delle onde elettromagnetiche in un mezzo e sulla ricezione degli echi di ritorno.

Codevintec
1. Il cedimento del fondo stradale evidenziato dal rilievo georadar

Ad ogni cambio di materiale o – meglio – ad ogni differenza di costante dielettrica del materiale attraversato, il segnale rimbalza verso l’antenna georadar: maggiore è la differenza dielettrica tra un materiale e l’altro, più forte sarà l’ampiezza del segnale ricevuto di ritorno e più chiara la sua individuazione.

Le variazioni di costante dielettrica si trovano anche all’interno di uno stesso materiale, perché dipendono anche dalla densità e dall’umidità dei materiali stessi. Proprio per questo motivo, il georadar è una tecnica usata in un ampio spettro di applicazioni:

  • mappatura dei sottoservizi;
  • indagini strutturali;
  • rilievi su pavimentazioni stradali, gallerie e ponti;
  • porti e aeroporti;
  • archeologia;
  • ricerche stratigrafiche e geologiche;
  • individuazione di cavità e oggetti sepolti;
  • rilievi ambientali;
  • indagini forensi;
  • ricerca di ordigni bellici.

Il dato georadar compare come una “restituzione cromatica” secondo una scala di colori a scelta (in Figura 1, di tonalità grigia).

Come scritto, maggiore è la differenza di costante dielettrica tra i materiali, maggiore è il contrasto nell’immagine restituita, quindi è più netto il passaggio da un materiale all’altro. Sempre in Figura 1 vediamo un dato georadar acquisito su una strada urbana: lo spessore anomalo evidenziato in rosso è dovuto al cedimento del fondo stradale.

Lo stesso vale quando si ritrovano vuoti o cavità sotterranei. In Figura 2 è riportato un esempio di un vuoto ben definito, sotto una lastra di calcestruzzo armato (sono ben visibili i ferri di armatura) con una copertura di asfalto. 

Quale georadar usare?

A seconda dell’applicazione si utilizzano diversi sistemi georadar (https://www.codevintec.it/3d-radar-geoscope-it).

Per rilievi puntuali, in spazi ristretti o contenuti si scelgono georadar più compatti, con antenne a impulso, con frequenze ben definite per usi mirati. In Figura 3 vi è un esempio di sistema compatto per rilievi fino a 50 cm nel calcestruzzo.

  • georadar
    2 cod
    2. Il rilievo di una strada: dall’alto, la copertura di asfalto, la lastra di calcestruzzo armato con i ferri ben visibili e il vuoto sottostante
  • Ground Penetrating Radar
    3A cod
    3A. L’indagine georadar con un sistema ad alta frequenza su una soletta armata rileva la posizione e la geometria dei ferri di armatura, la loro disposizione spaziale e in quota
  • costante dielettrica
    3B cod
    3B. L’indagine georadar con un sistema ad alta frequenza su una soletta armata rileva la posizione e la geometria dei ferri di armatura, la loro disposizione spaziale e in quota

Nel caso di vaste aree o quando serve avere una visione completa del sottosuolo, si utilizzano sistemi ad array con tecnica step-frequency. Questi georadar hanno schiere di antenne che permettono di ottenere un dato tridimensionale già in campo, oltre ad essere molto rapidi e produttivi.

La tecnica step frequency consente con un solo rilievo di avere tutte le frequenze disponibili da 200 MHz fino a 3 GHz, senza dover cambiare antenna. In Figura 7 si vedono i set di dati acquisiti con sistemi georadar 3D con tecnica step-frequency e si nota il dettaglio estremo ottenibile con questi sistemi.

Tali sistemi hanno la caratteristica di essere movimentati anche da un autoveicolo, aumentando notevolmente la capacità produttiva di rilievo e incrementando la qualità e la quantità dei dati registrati.

Nelle Figure 8 e 9 sono illustrati dei casi pratici di utilizzo, sia di sistemi georadar compatti che degli array 3D con tecnica step frequency.

  • frequenza
    4 cod
    4. Le antenne ad alta frequenza possono distinguere i cambi di tessitura muraria su una struttura, grazie all’alta risoluzione
  • Antenne
    5 cod
    5. La sezione di un profilo georadar effettuato su una soletta con pignatte che poggiano su dei travetti, entrambi ben visibili dalla restituzione a schermo
  • rilievi ambientali
    6 cod
    6. Un’immagine radar dei cavi di precompressione su un ponte, uno degli utilizzi più comuni dei sistemi georadar compatti ad alta frequenza

La teoria GPR: cos’è la costante dielettrica

Le onde radar viaggiano a velocità diverse a seconda del materiale attraversato; qualsiasi strato di separazione tra materiali diversi produce una riflessione, ricevuta dal georadar. Lo strumento registra il tempo necessario al ritorno del segnale e della forza di tale riflessione.

Il sistema usa queste due informazioni e le converte un dato significativo con informazione della distanza (dall’antenna) del target che ha provocato la riflessione; per farlo correttamente, gli serve quella che è conosciuta come la costante dielettrica.

Questa costante dipende dalla velocità con cui le onde elettromagnetiche si muovono attraverso un particolare materiale.

Le costanti dielettriche, note anche come permessività dielettrica relativa, sono misurate su una scala da 1 a 81, dove 1 è la costante dielettrica per l’aria (attraverso la quale le onde radar viaggiano più rapidamente) e 81 la costante per l’acqua (attraverso la quale le onde radar viaggiano più lentamente).

  • restituzione cromatica
    7 cod
    7. I sistemi step-frequency: nelle immagini ottenute a diverse quote affiancando diversi profili georadar paralleli, si notano perfettamente tutti gli elementi costitutivi del sottofondo stradale. Tutti i profili sono ottenuti con un solo passaggio
  • tecnica step-frequency
    8 cod
    8. La visualizzazione del dato radar in planimetria (parte sopra) e dato radar in sezione (parte sotto). Si vedono le stratificazioni di un sottofondo autostradale e la composizione dell’asfalto ad una determinata quota
  • calcestruzzo
    9 cod
    9. Dal dato radar alla restituzione di interfacce degli spessori: la visualizzazione delle interfacce di asfalto e calcestruzzo

Gli oggetti metallici sono al di fuori della scala, poiché le onde radar non possono penetrarli affatto; sono descritti come aventi una costante dielettrica “infinita”.

Per convertire la misura fatta dal georadar (il tempo) in quello che ci serve (la profondità), gli strumenti devono essere calibrati con precisione, inserendo la corretta costante dielettrica del terreno che stiamo investigando. Di conseguenza, le letture di profondità dei sistemi GPR sono accurate solo quando è accurata la costante dielettrica con cui sono calibrate.

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