C DIAGNOSTICA SULL’EDILIZIA STORICA O L A L U · La termografia in falsi colori evidenzia le...

Laboratorio di Archeometria

Istituto di Fisica Generale Applicata

Università degli Studi di MilanoNicola Ludwig

TECNICHE TERMOGRAFICHE PER LA TECNICHE TERMOGRAFICHE PER LA DIAGNOSTICA SULL’EDILIZIA STORICADIAGNOSTICA SULL’EDILIZIA STORICA

NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©

TERMOVISIONETERMOVISIONE• Sistema di visione che fornisce immagini della radiazione infrarossa

emessa dagli oggetti ripresi


L’INFRAROSSO

RIFLETTOGRAFIARIFLETTOGRAFIA TERMOVISIONETERMOVISIONE


PRINCIPI FISICI DI FUNZIONAMENTO PRINCIPI FISICI DI FUNZIONAMENTO

L’ENERGIA EMESSA DAGLI OGGETTI E’ PROPORZIONALE

ALLA LORO TEMPERATURA ALLA QUARTA

4TE εσ=

=>=> ogni temperatura emette una radiazione prevalente

λmaxT = costante

Legge di Stefan-Boltzmann

La distribuzione spettrale dell’energia dipende dalla

temperatura


Esempi:

SOLE (c. 6000 K -> λmax =0,5µm) UV, visibile, vicino IR

LAMPADE A INCANDESCENZA (c. 3000 K -> λmax=1µm) Visibile (30%) e IR (70%)

OGGETTI A TEMP. AMBIENTE (c. 300 K -> λmax =10µm) lontano IR


La termocamera rileva la radiazione emessa dagli oggetti e la trasforma in un valore di temperatura

PRINCIPI FISICI DI FUNZIONAMENTO (2)PRINCIPI FISICI DI FUNZIONAMENTO (2)

Problemi:1° gli oggetti reali NON emettono radiazione come corpi neri (ε =1) => emissività spettrale2° fonti di radiazione esterne all'oggetto inquadrato

alterano la corretta lettura della temperatura

“piccole variazioni di temperatura causano grosse variazioni di energia”

GRANDE SENSIBILITÀ DEL METODO !

Energia di corpo nero

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 100 200 300 400

Temperatura (°C)

Energ

ia (Wa

tt/mq)


EMISSIVITA’EMISSIVITA’

È un fattore che rappresenta per ogni

oggetto reale il grado di somiglianza col

comportamento di un corpo nero ideale

0 ≤ 0 ≤ εε ≤ 1≤ 1

ε bassa ⇒ riflessioneε bassa ⇒ riflessione

mattoni, intonaci, etc. ε > 0,8

ελ = Eλ(T)..Eλ(T)cn


Materiali con emissività differenteMateriali con emissività differente

Errori apparenti dovuti alla diversa emissività

dei materiali


L’angolo di ripresaL’angolo di ripresa

Le proprietà ottiche nel Le proprietà ottiche nel visibile non corrispondono a visibile non corrispondono a

quelle nell’IR termicoquelle nell’IR termico

Trasparente nel visibileTrasparente nel visibile≠≠

trasparente trasparente nell’infrarossonell’infrarosso

Variazioni dell’emissività con l’angolo di vista

NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE

soleCorpo a

temperatura ambiente

Lunghezza d’onda

Short wave Short wave -- long wave.long wave. Trasparenza atmosferica e bande spettrali di emissione degli oggetti

SistemiSistemi VideotermograficiVideotermograficiNICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©

TERMOGRAFIA IN ARCHITETTURATERMOGRAFIA IN ARCHITETTURA

diagnostica per immagini

remote sensing (indagini strutturali senza ponteggi)

rigorosamente non distruttiva (non invasiva)

individua strutture non a vista

“Trasparenza” delle murature

“Immagini in Infrarosso”

Campanile della chiesa parrocchiale di Ello (LC)


TEMPERATURA SUPERFICIALE

PROPAGAZIONE DEL CALORE ALL’INTERNO DELLA

MURATURA

RIVELAZIONE DI ELEMENTI NASCOSTI NELLA MURATURA

Osservabile fisica misurata:

PRINCIPIO DI APPLICAZIONEPRINCIPIO DI APPLICAZIONE

Identificazione di tamponamenti sotto

l’intonaco


STORICO stratificazione delle fasi costruttive, elementi celati e incorporati da successivi rifacimenti.

Elementi lapidei (archi, portali, capitelli, lesene, cornici, paraste…)Tamponature (porte e finestre)Tessitura muraria, ammorsamenti fra edifici

STATICO posizione tipologia e geometria della muraturaTipo di muratura (isodoma, irregolare, tipo di materiali)Presenza di elementi strutturali (pilastri, architravi, archi di scarico…)orizzontamenti lignei (solai, volte)Fratture e cricche subsuperficialielementi metallici (chiodi, chiavi, staffe catene…)

IMPIANTI tubazioni non a vista (impianti termici e idrosanitari)impianti sottostradali (reti fognarie, teleriscaldamento)canne fumarie, pluviali interni alla muratura

TERMOIGROMETRICO individuazione di elementi con anomalie termiche collegate ai cicli dell’acqua e del riscaldamento naturale/artificialePonti termici (isolamento degli edifici, dispersioni termiche)Condensa/evaporazione Risalita capillare dal suolo Infiltrazioni dalle coperture

INTONACI (affreschi, mosaici, intonaci storici): individuazione e quantificazione delle aree distaccate, verifica degli interventi di riadesione

DEGRADO monitoraggio nel tempo di processi di degrado per i quali sia nota la correlazione con il comportamento termico (aumento della porosità, variazioni di emissività x depositi salini ecc.)


Applicazioni ai beni architettonici

UMIDITA’ individuazione di aree umide sottoposte ad evaporazione

MURATURE studio della composizione della muratura per problemi di statica o storici

DISTACCHI individuazione di aree distaccate su intonaci, affreschi, mosaici


Duomo di Monreale Palermogiugno 2003 ore 20

Individuazione fenomeni di degrado non individuabili a vistaIndividuazione fenomeni di degrado non individuabili a vista

Lastre di marmo distaccate o degrado del materiale

(alterazione della porosità) (?)


(per gentile concessione TERMOLAB SRL-OGGIONO)(per gentile concessione TERMOLAB SRL-OGGIONO)

IMPIANTI - SERPENTINE

Impianto di riscaldamento a pavimento

Interruzione della serpentina


Isolamento termico

Varese Villa Comunale, ripresa notturna lato nord


STUDIO DI MURATURENICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©

TEMPERATURA TEMPERATURA -- CALORECALORE

Il flusso di calore si propaga perpendicolarmente alle isoterme

xTkQ ∆

∆−=Φ

Flusso di calore

Gradiente di temperatura

RISCALDAMENTO

T1

T2

T3

T4

ELEMENTO SANO

ELEMENTO CON DIFETTO (isolante p.es. aria)

T1

T2

T3

T4

Con T1< T2 < T3 < T4


EVOLUZIONE DELLA TEMPERATURAEVOLUZIONE DELLA TEMPERATURA

LA DISTRIBUZIONE DI TEMPERATURA IN UN SOLIDO E’ DESCRITTA DALL’EQUAZIONE DI FOURIER

α diffusività termica

ρ = densitàCs = calore specificok = conduttività termica

ρα

Cs

k=

tT

zT

yT

xT

2

2

2

2

2

2

2

2 1∂∂

=∂∂

+∂∂

+∂∂

α

L’EQUAZIONE DI FOURIER SI RISOLVE ANALITICAMENTE SOLO IN POCHI CASI CON GEOMETRIA SEMPLICE. LE MURATURE SONO APPROSSIMABILI A

QUELLA DI PIANO SEMIINFINITO


Grafico temperatura sulla superficie della muratura

Il calore specifico dei

diversi materiali ne determina il

comportamento termico

Termografia Dinamica

(evoluzione nel tempo della temperatura

dopo una sollecitazione

termica)

INTONACO

MATTONIPIETRA

Differenze di materialeNICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©

zona più fredda

difetto

Riscaldamento superficiale uniforme

Il calore viene fermato nello strato superficiale (intonaco) dalla presenza di aria nel distacco


A causa della A causa della diffusione laterale diffusione laterale del calore è del calore è difficile difficile identificare la identificare la dimensione esatta dimensione esatta di un difetto. di un difetto.

Re =raggio apparente

ωαµ 2

=µ profondità di penetrazione dell’onda termica dipende

dalla frequenza ω dello stimolo e dalla diffusività termica del materiale α

DIFETTIDIFETTI

Buco


“Defect sizing”mediante tecniche di termografia dinamica

tempo

Il diametro del “difetto“ si modifica nel tempo

Identificazione e Misura di difettiIdentificazione e Misura di difettiNICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©

Stato di conservazione di intonaciStato di conservazione di intonaci

Immagine termografica Immagine visibileAbside della chiesa parrocchiale di Ello (LC), esterno (per gentile concessione TERMOLAB SRL-OGGIONO)


PIONAPIONA

febbraio 1993 termocamera avio TVS 2000 SW


Individuazione di strutture non a vistaIndividuazione di strutture non a vista

Interno della chiesa parrocchiale di Ello (LC)

(per gentile concessione TERMOLAB SRL-OGGIONO)


Tessitura in ciottoli, stessa temperatura della muratura

Tessitura in laterizi moderni, isolanti (temperatura più alta)

Caratterizzazione di muratureCaratterizzazione di murature

Chiesa di S. Maria Incoronata, Martinengo (BG), presenza di tamponamenti sopra l’ingresso, riscaldamento 2 ore per termoconvezione


La lettura di tessiture La lettura di tessiture murarie.murarie.

La termografia in falsi La termografia in falsi colori evidenzia le colori evidenzia le anomalie termiche anomalie termiche

=> => distacchidistacchi

La termografia in livelli La termografia in livelli di grigio evidenzia le di grigio evidenzia le

differenze di materiali differenze di materiali => => tessituratessitura

Chiesa parrocchiale di Nembro (BG).

Riscaldamento 500 W per 10 minuti


Immagine nel visibile

Muratura in ciottoli e malta di calceMuratura in ciottoli e malta di calce

Clusone (BG) Il Trionfo della morte Affreesco su mura esterne

INDAGINI SU SUPERFICI A COLOREINDAGINI SU SUPERFICI A COLORENICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE

INDAGINI SU SUPERFICI A COLOREINDAGINI SU SUPERFICI A COLORE

ESEMPIO DI RISCALDAMENTO PER CONVEZIONEl’aria calda si sposta verso l’alto.

Chiesa di S. Maria Incoronata Martinengo (BG), abside e arco trionfale.


L’influenza di alterazioni cromatiche delle superficiL’influenza di alterazioni cromatiche delle superficiNICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE

Castello di Malpaga (BG) termografia in trasmissione (6 ore di riscaldamento)

Termogramma base, si evidenzia la struttura in legno (più isolante del mattone)

Termogramma a isoterme, si notano i mattoni ponte termico


Indagini termografiche su Palazzo Forcella De Seta Palermo


SECONDA PARTE


TECNICHE DI INDAGINETECNICHE DI INDAGINE• TERMOGRAFIA ATTIVA: RISCALDAMENTO ESTERNO AL

SISTEMA -OGGETTO OSSERVATO (parete, ambiente, edificio) (QUINDI ANCHE SOLARE!)– IRRAGGIAMENTO: LAMPADE VISIBILE - INFRAROSSO CON

UNIFORMITA’ SPAZIALE.– CONVEZIONE: STUFE E GETTI DI ARIA/ACQUA CALDA O VAPORE.– LASER: SI SCALDA UN PUNTO E SI OSSERVA LA PROPAGAZIONE

LATERALE DEL CALORE.

• TERMOGRAFIA PASSIVA: NESSUN RISCALDAMENTO ESTERNO MA PRESENZA DI FENOMENI DI RISCALDAMENTO/RAFFREDDAMENTO INTERNI AL SISTEMA OSSERVATO. (RISCALDAMENTO DOMESTICO, EVAPORAZIONE

ACQUA, CORRENTI D’ARIA, GRADIENTI INTERNO-ESTERNO)

(definizioni secondo Ludwig - elementi di Archeometria 2001)


MODALITA’ DI RIPRESA:TRASMISSIONE: PARTE OPPOSTA DELLA PARETE

RIFLESSIONE: DALLA STESSA PARTE DELLA PARETE DOVE SI E’ OPERATO IL RISCALDAMENTO

DINAMICA: SI OSSERVA L’EVOLUZIONE DELLA TEMERATURA AL VARIARE DEL TEMPO

Evoluzione temporale di un difetto su mattone dopo impulso termico (flash)


Ambito diapplicazione

Applicazioni Fenomeno termicocorrelato

Tecniche di indagine

Studiostorico-

conoscitivosull'edilizia

storicamonumentale

Identificazione di elementinon a vista;studio tessiture murarie;identificazione ditamponamenti di aperturepreesistenti; mappatura diprecedenti interventi direstauro (anche dielementi strutturali)

Propagazione differenzialedel calore all'interno dellamuratura a causa di diversivalori di diffusività termica

Termografia attiva,utilizzando come sorgenteanche l’irraggiamentosolare. Indagini susuperfici a colore, megliosistemi ditermoconvezione.

Monitoraggio-Diagnostica

dello stato diconservazione

,

Umidità superficiale(misura dei flussievaporativi in atto);

Distacchi di intonaci,affreschi e mosaici, ingenerale paramenti murarisottili;fessurazioni, cricchesubsuperficiali.

Umidità: raffreddamentocalore latente dievaporazione.Distacchi: isolamentotermico locale causato dabolle di aria fra muro eparamento esterno. Ingenerale si rileva ogniostacolo alla diffusione delcalore.

Umidità: termografiapassiva.Distacchi: meglio intermografia attiva, ma ilsemplice instaurarsi digradienti notte-giorno sidimostra sufficienteall'identificazione didifetti superficialidell’intonaco.

RIEPILOGO APPLICAZIONI ALL’EDILIZIA STORICARIEPILOGO APPLICAZIONI ALL’EDILIZIA STORICANICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©

DIAGNOSTICA DELL’UMIDITA’DIAGNOSTICA DELL’UMIDITA’

SI OSSERVA IL SI OSSERVA IL

FENOMENOFENOMENO

DELLDELL’’EVAPORAZIONEEVAPORAZIONE

⇓RAFFREDDAMENTO

calore latente di evaporazione

Λ = 2.4·106 J/Kg

Causato da differenze di concentrazione di

acqua (gradiente idrico)


DEGRADODEGRADO

FLUSSO EVAPORATIVOFLUSSO EVAPORATIVO

TEMPERATURATEMPERATURA

Individuazione di aree umide

Cimitero di S. Martino Darfo-Boario Terme (BS)

La variabile correlata al La variabile correlata al degrado è il flusso evaporativo più degrado è il flusso evaporativo più del contenuto d’acquadel contenuto d’acqua

Misura superficiale, ma il Misura superficiale, ma il degrado è un fenomeno di degrado è un fenomeno di superficiesuperficie

DIAGNOSTICA DIAGNOSTICA DELL’UMIDITA’DELL’UMIDITA’


La lettura di tessiture La lettura di tessiture murarie.murarie.

Castello di Malpaga (BG) corte interna, termografia in riflessione dopo riscaldamento

solare

Termogramma a colori:⇓

DISTACCHI

Termogramma in livelli di grigio:

⇓tessitura muraria


Castello di Malpaga (BG) termografia in trasmissione (6 ore di riscaldamento)

Termogramma base, si evidenzia la struttura in legno (più isolante del mattone)

Termogramma a isoterme, si notano i mattoni ponte termico


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