Tomografia sonica e ultrasonica: applicazioni su elementi strutturali in calcestruzzo, muratura e legno

L’ingegneria civile ha conosciuto negli ultimi anni un enorme progresso legato allo studio e alla ricerca di nuovi materiali da costruzione oltre che a nuove possibilità di diagnosi del patrimonio edificato esistente. Nel nostro paese la diagnostica strutturale andrà a rivestire un ruolo sempre crescente, soprattutto in relazione alla riscoperta del vasto patrimonio storico - monumentale di cui si dispone. La possibilità di conoscere in termini quantitativi lo stato di conservazione di una struttura, potrebbe permettere al progettista di ottenere fondamentali informazioni per il progetto dell’intervento di recupero. Lo scopo della presente tesi è pertanto quello di studiare le tecniche non distruttive (in particolare le tecniche acustiche) finalizzate ad un’inversione tomografica dei dati, reputando questa la strada da percorrere verso una diagnostica strutturale sempre più dettagliata.

Diagnosi non distruttiva di murature di laterizio: applicazioni di tomografia sonica in laboratorio

Il lavoro svolto nella presente tesi di laurea si sviluppa all’interno del progetto di ricerca europeo SmooHs (Smart Monitoring of Historic Structures-Monitoraggio intelligente di edifici e strutture storiche) nell’ambito del 7 Programma Quadro della Commissione Europea. Gli edifici storici sono caratterizzati da elementi architettonici, materiali e soluzioni progettuali uniche e pertanto da valorizzare. Al fine si salvaguardare tali beni storici si richiede una conoscenza approfondita dei processi di deterioramento, legati spesso a fattori ambientali, e una loro rilevazione immediata. Il monitoraggio continuo dei possibili parametri che influenzano i suddetti processi può contribuire significativamente, ma un’applicazione estesa di questa tecnica è finora fallita a causa dei costi elevati di sistemi completi di monitoraggio; per questo sono stati osservati solitamente pochi parametri. L’obiettivo del progetto prevede lo sviluppo di strumenti di monitoraggio e diagnostica competitivi per gli specialisti nel settore che vada al di là del mero accumulo di dati. La normativa, in particolare le Linee Guida per l’applicazione al patrimonio culturale della normativa tecnica di cui all’Ordinanza PCM-3274 del 2005, evidenziano l’importanza di raggiungere un elevato livello di informazione dell’oggetto e del suo comportamento strutturale attraverso un percorso conoscitivo pluriramificato. “Si ha pertanto la necessità di affinare tecniche di analisi ed interpretazione dei manufatti storici mediante fasi conoscitive dal diverso grado di attendibilità, anche in relazione al loro impatto. La conoscenza può infatti essere conseguita con diversi livelli di approfondimento, in funzione dell’accuratezza delle operazioni di rilievo, delle ricerche storiche e delle indagini sperimentali” (Linee guida per l’applicazione all patrimonio culturale della normativa tecnica di cui all’ordinanza PCM-3274, 2005). Per quanto riguarda la caratterizzazione meccanica dei materiali, la normativa cita “Tecniche diagnostiche non distruttive di tipo indiretto, quali prove soniche ed ultrasoniche, consentono di valutare l’omogeneità dei parametri meccanici nelle diverse parti della costruzione, ma non forniscono stime quantitative attendibili dei loro valori, in quanto essi vengono desunti dalla misura di altre grandezze”. Non viene identificata una procedura univoca di prove non distruttive per ciascuna tipologia edilizia, pertanto ci domandiamo quale sia la procedura più idonea da utilizzare, considerando il tipo di risultato che si vuole ottenere. Si richiedono quindi degli studi di fattibilità di diverse tecniche non distruttive, soprattutto tecniche per immagini che diano un risultato più immediato da comprendere. Per questo scopo è stato impostato un programma di ricerca per valutare l’efficacia di una tecnica non distruttiva, la tomografia sonica, su provini in muratura costruiti nei laboratori del LaRM (Laboratorio di Resistenza dei Materiali del DISTART dell’Università di Bologna), reputando questa la strada da percorrere verso una diagnostica strutturale sempre più dettagliata. I provini in muratura di laterizio PNDE e PNDF, presentano al loro interno dei difetti (in polistirolo espanso) di geometria e posizione nota e diverse tessiture murarie (muratura di laterizio tradizionale e muratura a sacco). Nel capitolo 2 vengono descritte le caratteristiche e le basi teoriche delle prove soniche e di altre tecniche non distruttive, al fine di poterne fare un confronto. La tomografia sonica è definita e sono illustrate le sue peculiarità; vengono inoltre riportati alcuni esempi di applicazioni della stessa su strutture storiche lignee e murarie. Nel capitolo 3 sono presentati i provini oggetto di studio ed introdotto qualche accenno sulla natura delle murature di laterizio. Sono specificati i corsi e le sezioni verticali sui quali viene sperimentata la tomografia; essi hanno precise caratteristiche che permettono di eseguire una sperimentazione mirata all’individuazione di anomalie in una sezione e al riconoscimento di diverse tessiture murarie. Nel capitolo 4 è illustrata la procedura di acquisizione dei dati in laboratorio e di rielaborazione degli stessi nella fase di post-processing. Dopo aver scelto, in base alla risoluzione, la distanza che intercorre tra le stazioni di misura, sono stati progettati i vari percorsi uscenti da ogni stazione trasmittente, andando a definire i ray-paths delle sezioni sia orizzontali che verticali. I software per il calcolo dei tempi di volo (in ambiente LabView) e per l’inversione degli stessi (Geotom) sono presentati e vengono definite le istruzioni per l’utilizzo. Il capitolo 5 assieme al capitolo 6, mostra i risultati ottenuti dall’inversione dei tempi di volo. Per i diversi corsi orizzontali e sezioni verticali sono riportate le mappe di velocità ottenute al variare di diversi parametri di settaggio impostati nel software tomografico. Le immagini tomografiche evidenziano le caratteristiche interne delle sezioni studiate, in base alla risoluzione geometrica della tecnica. Nel capitolo 7 e 8 sono mostrati i risultati delle prove soniche dirette applicate sia sui corsi verticali sia sulle sezioni verticali. Le stazioni di misura considerate sono le stesse utilizzate per la tomografia. Il capitolo 9 riporta il confronto tra le mappe di velocità prodotte dalla tomografia sonica e gli istogrammi delle velocità registrate nelle prove soniche dirette. Si evidenziano le differenze nell’individuazione di difetti tra due metodologie differenti. Infine sono riportate le conclusioni sul lavoro svolto. I limiti e i vantaggi della tecnica tomografica vengono desunti dai risultati ottenuti per varie tipologie di sezioni, a confronto anche con risultati di prove soniche dirette. Ciò ci porta a definire la fattibilità di utilizzo della tomografia sonica nella diagnosi delle strutture in muratura.

Valutazione non distruttiva di muratura in laterizio: applicazione in laboratorio di tomografia sonica e prove dirette

Il patrimonio edilizio italiano è costituito in gran parte da costruzioni che utilizzano la muratura come struttura portante. Le conoscenze acquisite negli ultimi anni nel campo dell’ingegneria hanno reso evidente come le costruzioni in muratura siano state concepite, nel corso dei secoli, senza quegli accorgimenti che l’evoluzione delle tecniche moderne di analisi ha dimostrato essere necessari. Progettare un intervento edilizio su un edificio esistente, correlato anche alla valutazione di rischio sismico, e cercare di migliorare le prestazioni dello stesso edificio, richiede partire sempre dalla conoscenza delle caratteristiche statiche intrinseche che il materiale della muratura possiede. La conoscenza della patologia comporta l'indubbio vantaggio di mettere al corrente di cosa ci si può attendere nel futuro dal punto di vista strutturale, come ad esempio che il fenomeno non sarà eliminabile all'origine e che la fessura o lesione magari si riformerà sempre, a meno d’interventi statici rilevanti e di costi ingenti. Diventa quindi di fondamentale importanza eseguire uno studio approfondito dei fenomeni strutturali anomali di deterioramento, quali lesioni, fessurazioni e simili, legati spesso a fattori ambientali, attraverso specifiche indagini diagnostiche e di monitoraggio dello stato interno delle strutture, per definire le cause responsabili e il metodo più adeguato alla tutela dei beni storici [Mastrodicasa, 1993]. Il monitoraggio dei possibili parametri che influenzano tali processi può essere continuo nel tempo o per mezzo di metodologia discontinua che prevede l’utilizzo e la ripetizione di prove non distruttive. L’elevato costo di un eventuale processo continuo ha limitato significativamente la sua applicazione, riducendo lo studio all’analisi di pochi parametri derivanti dalle prove diagnostiche e spesso non del tutto adatti alla completa analisi della struttura. Il seguente lavoro di tesi è sviluppato all’interno del progetto SmooHS (Smart Monitoring of Historic Structures) nell’ambito del 7° Programma Quadro della Commissione Europea che si pone come obiettivo lo sviluppo di strumenti di monitoraggio innovativi ‘intelligenti’ e poco invasivi e modelli di degrado e la loro sperimentazione sul campo per verificarne l’effettiva efficacia attraverso il confronto con risultati di prove non distruttive. La normativa correlata a questo studio, “Norme Tecniche per le Costruzioni’ (D.M. 14/01/2008), evidenzia come ‘La conoscenza della costruzione storica in muratura è un presupposto fondamentale sia ai fini di un’attendibile valutazione della sicurezza sismica attuale sia per la scelta di un efficace intervento di miglioramento…. Si ha pertanto la necessità di affinare tecniche di analisi e interpretazione dei manufatti storici mediante fasi conoscitive dal diverso grado di attendibilità, anche in relazione al loro impatto. La conoscenza può, infatti, essere conseguita con diversi livelli di approfondimento, in funzione dell’accuratezza delle operazioni di rilievo, delle ricerche storiche, e delle indagini sperimentali. Tali operazioni saranno funzione degli obiettivi preposti e andranno a interessare tutto o in parte l’edificio, secondo la tipologia dell’intervento previsto’. L’utilizzo di ‘Tecniche diagnostiche non distruttive di tipo indiretto, quali prove soniche e ultrasoniche’ è preferibile poiché molto promettenti e hanno il pregio di poter essere utilizzate in modo diffuso con un relativo impatto sulla costruzione e costi relativamente contenuti. La non identificazione di una procedura univoca di prove non distruttive per ciascuna tipologia edilizia rende necessario uno studio di fattibilità di diverse tecniche per valutarne l’effettiva efficacia in base al risultato atteso. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è stato lo studio sperimentale di valutazione dell’efficacia di alcune tecniche soniche in trasmissione, tomografia e prove soniche dirette, nel monitoraggio di provini precedentemente realizzati ad hoc nei laboratori LISG (Laboratorio di Ingegneria Strutturale e Geotecnica) del DICAM dell’Università di Bologna caratterizzati da presenze di discontinuità (vacui o inclusioni di polistirolo) o materiali differenti in determinate posizioni di geometria e localizzazione nota e diverse tessiture murarie (muratura di laterizio tradizionale, muratura a sacco, inclusioni lapidee). Il capitolo 1 presenta una descrizione generale delle murature, le cause principali di deterioramento e conseguenti dissesti. Presenta inoltre una finestra sulle prove diagnostiche. Nel capitolo 2 sono riportati alcuni esempi di applicazioni di tomografia e prove soniche e sviluppi di ricerca su strutture storiche lignee e murarie eseguite recentemente. Nel capitolo 3 sono presentati i provini oggetto di studio, la loro geometria, i difetti, le sezioni. Il capitolo 4 descrive i principi fisici delle prove soniche e grandezze caratteristiche e presenta la procedura di acquisizione e relative strumentazioni. I capitoli 5 e 6 riguardano lo studio sperimentale vero e proprio ottenuto attraverso l’utilizzo di tomografia sonica e prove dirette, con descrizione delle stazioni di prova, visualizzazione dei dati in tabelle per una semplice interpretazione, loro elaborazione e susseguente analisi approfondita, con valutazione dei risultati ottenuti e debite conclusioni. Il capitolo 7 presenta un confronto delle analisi comuni a entrambe le tipologie di prove soniche, visualizzazioni di istogrammi di paragone e considerazioni deducibili.

Analisi topologico-computazionale della perfusione di tessuti in tomografia computerizzata

Lo scopo di questa tesi è quello di presentare l'applicazione di tecniche legate alla Teoria di Taglia a un problema di analisi di immagini biomediche. Il lavoro nasce dalla collaborazione del gruppo di Matematica della Visione dell'Università di Bologna, con il progetto PERFECT del Centro di Ricerca ARCES. La tesi si pone quindi come analisi preliminare di approccio alternativo ai metodi preesistenti. I metodi sono principalmente di Topologia Algebrica Applicata, ambito emergente e rilevante nel mondo della Matematica Computazionale. Il nucleo dell'elaborazione è costituito dall'analisi di forma dei dati per mezzo di Funzioni di Taglia. Questa nozione è stata introdotta nel 1999 da Patrizio Frosini e in seguito sviluppata principalmente dallo stesso, Massimo Ferri, Claudia Landi e altri collaboratori appartenuti al Gruppo di Ricerca di Matematica della Visione dell'Università di Bologna.

Ottimizzazione di metodi numerici e realizzazione di un setup per l'imaging di colture cellulari 3D con tomografia ad impedenza elettrica

Il presente lavoro di tesi presenta la progettazione, realizzazione e applicazione di un setup sperimentale miniaturizzato per la ricostruzione di immagine, con tecnica di Tomografia ad Impedenza Elettrica (EIT). Il lavoro descritto nel presente elaborato costituisce uno studio di fattibilità preliminare per ricostruire la posizione di piccole porzioni di tessuto (ordine di qualche millimetro) o aggregati cellulari dentro uno scaffold in colture tissutali o cellulari 3D. Il setup disegnato incorpora 8 elettrodi verticali disposti alla periferia di una camera di misura circolare del diametro di 10 mm. Il metodo di analisi EIT è stato svolto utilizzando i) elettrodi conduttivi per tutta l’altezza della camera (usati nel modello EIT bidimensionale e quasi-bidimensionale) e ii) elettrodi per deep brain stimulation (conduttivi esclusivamente su un ridotto volume in punta e posti a tre diverse altezze: alto, centro e basso) usati nel modello EIT tridimensionale. Il metodo ad elementi finiti (FEM) è stato utilizzato per la soluzione sia del problema diretto che del problema inverso, con la ricostruzione della mappa di distribuzione della conduttività entro la camera di misura. Gli esperimenti svolti hanno permesso di ricostruire la mappa di distribuzione di conduttività relativa a campioni dell’ordine del millimetro di diametro. Tali dimensioni sono compatibili con quelle dei campioni oggetto di studio in ingegneria tissutale e, anche, con quelle tipiche dei sistemi organ-on-a-chip. Il metodo EIT sviluppato, il prototipo del setup realizzato e la trattazione statistica dei dati sono attualmente in fase di implementazione in collaborazione con il gruppo del Professor David Holder, Dept. Medical Physics and Bioengineering, University College London (UCL), United Kingdom.

Tomografia da analisi di rumore sismico nell'Italia settentrionale

Questa tesi si pone l'obiettivo di applicare un metodo lineare per l'inversione delle curve di dispersione delle onde superficiali di Rayleigh da rumore sismico, al fine di descrivere con maggior definizione la struttura della crosta terrestre in corrispondenza dell'Italia settentrionale e confrontarlo con il modello di riferimento. Si è fatto uso del processo di cross-correlazione applicato al rumore sismico per ricostruire la Funzione di Green per ogni coppia di stazioni. Sono state considerate circa 100 stazioni, tutte nel Nord-Italia. I segnali ottenuti sono costituiti principalmente da onde di superficie, in particolare onde di Rayleigh, le quali dominano i segnali in ampiezza. Per periodi compresi tra 1s e 50s, per ogni raggio tra coppie di stazioni, è stata misurata la velcoità di gruppo tramite l'utilizzo del software EGFAnalysisTimeFreq per Matlab. Le curve di dispersione così ottenute sono state utilizzate come dato per la risoluzione del problema inverso, al fine di ottenere mappe2D della velocità di gruppo che è fortemente dipendente dalle caratteristiche del mezzo. Infine queste ultime sono state confrontate con mappe di un modello esistente per la regione (Molinari et al. [22]).

Indagini di tomografia geoelettrica sulle dune costiere della Provincia di Ravenna

Questa tesi Magistrale è frutto di un'attività di ricerca, che consiste nella realizzazione di un'indagine geofisica di tipo geoelettrico (ERT Electrical Resistivity Tomography). Lo scopo è quello di caratterizzare l'idrogeologia di una porzione limitata dell'acquifero freatico costiero ravennate, situato nella Pineta Ramazzotti di Lido di Dante, cercando di apportare nuove conoscenze sulle dinamiche che favoriscono l'ingressione marina (problema di forte attualità)che potrebbero contribuire a migliorare la gestione e la tutela delle risorse idriche. In questo contesto la tesi si pone come obiettivo quello di valutare l'applicabilità del metodo geoelettrico verificando se questo è in grado d'individuare efficacemente l'interfaccia acqua dolce-salata e le strutture presenti nel sottosuolo, in due tipologie di ambiente, con e senza un sistema di dune. I risultati dimostrano che dal punto di vista scientifico, il metodo geoelettrico ha verificato il principio di Ghyben-Herzberg, il quale suppone che vi sia una relazione inversa tra quota topografica e limite superiore della zona satura con acqua salata, inoltre si è riscontrata una certa stagionalità tra i profili acquisiti in momenti diversi (influenzati dalla piovosità). Mentre dal punto di vista tecnologico, il metodo, è di difficile utilizzo negli ambienti di transizione tanto ché chi si occupa professionalmente di questi rilievi preferisce non eseguirli. Questo è dovuto alla mancanza di un protocollo per le operazioni di acquisizione e a causa dell'elevato rumore di fondo che si riscontra nelle misurazioni. Con questo studio è stato possibile calibrare e sviluppare un protocollo, utilizzabile con diverse spaziature tra gli elettrodi, che è valido per l'area di studio indagata. Si è riscontrato anche che l'utilizzo congiunto delle informazioni delle prospezioni e quelle dei rilievi classici (monitoraggio della superficie freatica, parametri chimico-fisici delle acque sotterranee, rilievo topografico e sondaggi geognostici), generino un prodotto finale di semplice interpretazione e di facile comprensione per le dinamiche in atto.

Progetto e realizzazione di un sistema di catalogazione di lesioni neoplastiche polmonari per la validazione visuale di mappe perfusionali da tomografia computerizzata

La TC perfusionale (TCp) è un valido strumento per l'imaging funzionale dei tumori. Tale tecnica consente di misurare in modo oggettivo la perfusione tissutale, attraverso l'analisi matematica dei dati ottenuti effettuando scansioni TC ripetute nel tempo, dopo la somministrazione di un mezzo di contrasto iodato. Il principale obiettivo degli studi perfusionali in oncologia è la valutazione precoce dell’efficacia delle terapie anti-angiogenetiche utilizzate per bloccare la vascolarizzazione che alimenta le lesioni tumorali. Infatti, sin dal primo ciclo di terapie, è possibile rilevare se la vascolarizzazione tumorale si riduce, senza dover attendere i cambiamenti dimensionali che, in genere, avvengono tardivamente. Questa Tesi si focalizza sullo studio del carcinoma polmonare e perviene alla costruzione di un catalogo, completo di mappe colorimetriche, che sintetizza i casi analizzati, i dati relativi al paziente e alle lesioni. L'obiettivo è quindi quello di fornire uno strumento di facile consultazione che consenta di valutare vari aspetti relativi alla malattia, tra cui il tasso di accrescimento, il grado di malignità, presenza di invasione vascolare, al fine di andare sempre più verso una cura personalizzata e più efficace per i pazienti che, attualmente, sono sottoposti a soluzione terapeutica standard. Questa è, senza dubbio, la nuova frontiera della ricerca per tutte i tipi di neoplasie negli anni futuri.

Applicazione della Tomografia con raggi X per la lettura virtuale di antichi manoscritti veneziani

Questo lavoro di tesi si inserisce in un progetto di ricerca internazionale denominato “Venice Time Machine” dove collaborano fianco a fianco l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne e l’Università Cà Foscari di Venezia. Grazie al coinvolgimento dell’Archivio di Stato di Venezia, decine di chilometri di documenti verranno digitalizzati e indicizzati, al fine di creare un database open access da utilizzare per la ricerca e l’istruzione. Molti di questi documenti tuttavia sono particolarmente fragili oppure, come nel caso di diversi testamenti, non sono mai stati aperti, per cui le tecniche tradizionali di digitalizzazione non sono applicabili. Di qui deriva l’interesse per sperimentare nuove tecniche non invasive al fine di digitalizzare e quindi rendere fruibili al pubblico anche questi documenti altrimenti inaccessibili. Lo scopo dell’analisi tomografica è quello di creare un modello 3D del documento, su cui effettuare successive elaborazioni al fine di ottenere una separazione virtuale delle pagine e quindi permetterne la lettura anche se il manoscritto è chiuso e non può essere aperto. In particolare in questo lavoro di tesi sono stati analizzati due testamenti: un testamento del 1679, usato come campione di prova per verificare la migliore sorgente di raggi X ai fini della ricostruzione tomografica e anche per valutare l’efficacia della tecnica, e il testamento Alchier-Spiera (dai nomi dei testatori), datato 1634, di maggiore interesse poiché ancora chiuso. I risultati ottenuti sono molto soddisfacenti, poiché elaborando le ricostruzioni tomografiche è possibile la lettura virtuale sia di parole che di intere frasi. Questo risultato porta nuova linfa al progetto che, di base, si pone l’obiettivo di convertire in formato digitale decine di km di testi conservati in Archivio, ma che ha trovato, in questo tipo di testamenti chiusi, un ostacolo molto difficile da superare.

Tomografia a coerenza ottica: principi ed applicazioni

La tomografia a coerenza ottica (Optical Coherence Tomography, OCT) rappresenta fondamentalmente una nuova modalità di diagnostica per immagini non invasiva e ad alta risoluzione. L’OCT fornisce immagini, sotto forma di sezioni trasversali o tomografiche, delle microstrutture dei tessuti biologici tramite la misura del ritardo dell’eco e dell’intensità della luce retrodiffusa o riflessa dal campione in analisi. L’OCT è una potente tecnica poiché fornisce in tempo reale immagini in situ delle strutture tissutali normali o patologiche, con una risoluzione da 1 a 15 micron, che è da uno a due ordini di grandezza maggiore rispetto alle tecniche per immagini convenzionali come ultrasuoni, risonanza magnetica o tomografia computerizzata. Tutto questo senza la necessità di ottenere e analizzare un campione tramite biopsia e studio istopatologico. Sin dall’inizio della sua utilizzazione nel 1991, l’OCT è stata impiegata in un vasto spettro di applicazioni cliniche, principalmente l'oftalmologia. In strutture non trasparenti, diverse da quelle oculari, la profondità massima esplorabile è limitata a 2-3 mm a causa dei fenomeni di attenuazione secondari e alla dispersione della luce. Inoltre, i numerosi sviluppi fatti dalla tecnologia OCT hanno portato ad alte velocità di acquisizione e, grazie all’utilizzo di sorgenti laser di ultima generazione, risoluzioni assiali dell’ordine di 1 micrometro. Dunque, la tomografia a coerenza ottica può essere sfruttata: - Quando la biopsia escissionale è pericolosa o impossibile. - Quando si rischiano errori di campionamento, come guida alla biopsia in modo da ridurre errori nel prelievo del campione. - Come guida alla procedura d’intervento, in associazione alle procedure di cateterismo, endoscopia e laparoscopia.