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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
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©
L’INFRAROSSO
RIFLETTOGRAFIARIFLETTOGRAFIA TERMOVISIONETERMOVISIONE
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©
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
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©
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
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©
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)
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©
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
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©
Materiali con emissività differenteMateriali con emissività differente
Errori apparenti dovuti alla diversa emissività
dei materiali
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©
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)
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©
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
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©
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.)
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE
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
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©
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) (?)
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©
(per gentile concessione TERMOLAB SRL-OGGIONO)(per gentile concessione TERMOLAB SRL-OGGIONO)
IMPIANTI - SERPENTINE
Impianto di riscaldamento a pavimento
Interruzione della serpentina
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Isolamento termico
Varese Villa Comunale, ripresa notturna lato nord
NICOLA 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
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©
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
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE
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
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©
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
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©
“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)
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©
Individuazione di strutture non a vistaIndividuazione di strutture non a vista
Interno della chiesa parrocchiale di Ello (LC)
(per gentile concessione TERMOLAB SRL-OGGIONO)
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©
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
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©
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
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©
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.
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE
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
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE
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)
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©
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)
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE
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)
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©
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’
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE
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
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©