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LEZIONE 11LEZIONE 11TERMOGRAFIATERMOGRAFIA
TERMOVISIONETERMOVISIONE• Sistema di visione che fornisce immagini della radiazione infrarossa
emessa dagli oggetti ripresi
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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
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©
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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)
Ener
gia (W
att/m
q)
EMISSIVITAEMISSIVITA’’
È un fattore che rappresenta per ogni
oggetto reale il grado di somiglianza col
comportamento di un corpo nero ideale
0 0 ≤≤ εε ≤≤ 11
ε bassa ⇒ riflessioneε bassa ⇒ riflessione
mattoni, intonaci, etc. ε > 0,8
ελ = Eλ(T)..Eλ(T)cn
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Materiali con emissivitMateriali con emissivitàà differentedifferente
Errori apparenti dovuti alla diversa emissività
dei materiali
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soleCorpo a
temperaturaambiente
Lunghezza d’onda
Short wave Short wave -- long wave.long wave. Trasparenza atmosferica e bande spettrali di emissione degli oggetti
Sistemi Sistemi VideotermograficiVideotermograficiNICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE©
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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)
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Oggiono (LC) Termolab SRL
Individuazione di rifacimenti come la chiusura di porte o finestre “tamnponamenti”
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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
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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.)
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Isolamento termico
Varese Villa Comunale, ripresa notturna lato nord
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Lettura della tessitura muraria al di sotto dell’intonaco
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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
STUDIO DI MURATURE
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PIONAPIONA
febbraio 1993 termocamera avio TVS 2000 SW
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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 materiale
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TEMPERATURA TEMPERATURA -- CALORECALORE
Il flusso di calore si propaga perpendicolarmente alle isoterme
xTkQ Δ
Δ−=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
Individuazione di strutture non a vistaIndividuazione di strutture non a vista
Interno della chiesa parrocchiale di Ello (LC)
(per gentile concessione TERMOLAB SRL-OGGIONO)
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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
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Tessitura in ciottoli, stessa temperaturadella 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
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Individuazione di strutture non a vistaIndividuazione di strutture non a vista
Esterno della chiesa parrocchiale di Ello (LC). Termocamera AVIO700 LW; edificio riscaldato.
Tamponamento più caldo
(materiale diverso)
Immagine visibile Termografia
Effetto del riscaldamento solare
durante la ripresa termografica
zona piùfredda
difetto
Riscaldamento superficiale uniforme
Il calore viene fermato nello strato superficiale (intonaco) dalla presenza di aria nel distacco
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Stato di conservazione di intonaciStato di conservazione di intonaci
Immagine termografica Immagine visibileAbside della chiesa parrocchiale di Ello (LC), esterno
Stato di conservazione di intonaciStato di conservazione di intonaci
Esterno chiesa parrocchiale di Ello (LC)
I distacchi si manifestano con geometria irregolare
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Immagine nel visibile
MuraturaMuratura in in ciottoliciottoli e e maltamalta didi calcecalce
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
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L’influenza di alterazioni cromatiche delle superficiL’influenza di alterazioni cromatiche delle superficiNICOLA 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)
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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)
Indagini termografiche su Palazzo Forcella De Seta Palermo
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Indagini termografiche su Palazzo Forcella De Seta Palermo, fronte sud.Maggio 2003 termografia in raffreddamento 1h > tramonto
Distacchi dell’intonaco
Elementi strutturali
Fessurazioni
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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 ALLRIEPILOGO APPLICAZIONI ALL’’EDILIZIA STORICAEDILIZIA STORICA
SECONDA PARTE
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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 degrado èè il flusso evaporativo piil flusso evaporativo piùùdel contenuto ddel contenuto d’’acquaacqua
Misura superficiale, ma il Misura superficiale, ma il degrado degrado èè un fenomeno di un fenomeno di superficiesuperficie
DIAGNOSTICA DIAGNOSTICA DELLDELL’’UMIDITAUMIDITA’’
NICOLA LUDWIG: TECNICHE TERMOGRAFICHE
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DEGRADO dovuto all’UMIDITA’in MURATURE di interesse STORICO ARTISTICO( pareti affrescate, mosaici )
CRISTALLIZZAZIONE dei SALI
trasportati dall’acqua
quantità diacqua
EVAPORATA
DIAGNOSTICA DELLDIAGNOSTICA DELL’’UMIDITAUMIDITA’’
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)
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RISALITA CAPILLARE
Abside Chiesa Rossa Milano
Localizzazione di infiltrazioni
Tamponamento in materiale moderno, Chiesa Rossa Milano
InfiltrazioniInfiltrazioni
Gora di umiditàdal soffitto
Interno della chiesa parrocchiale di Ello (LC)
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Verifica intervento di taglio chimico
Verifica interventi di Verifica interventi di risanamentorisanamento
Quantificazione del livello di risalita capillare
(ES. CENACOLO)
0
0.00001
0.00002
0.00003
0.00004
0.00005
0.00006
0.00007
0.00008
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
W (%)
Φ (K
g/m
2 s)
EVAPORAZIONE PIETRA DI NOTO ( UR 50% T25°C
prosciugamento
Evaporazione alla superficie
Evaporazioneinterna
FLUSSO EVAPORATIVO [Φ] in funzione della CONCENTRAZIONE DI ACQUA [W]
[Φ]
[W %]
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INTONACI DI CALCE (T=25°CUR=50%)
0.E+00
1.E-05
2.E-05
3.E-05
4.E-05
5.E-05
6.E-05
7.E-05
0 5 10 15 20
W %
(Kg/
sm2̂)
TIPO MARMO TIPO SABBIA TIPO COCCIOPESTO
Materiali differenti a parità di condizioni presentano flussi evaporativi differenti
FLUSSO EVAPORATIVOFLUSSO EVAPORATIVO
0
0,00001
0,00002
0,00003
0,00004
0,00005
0,00006
0,00007
0,00008
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
W (%)
Φ (K
g/m
2 s)
H 25°C H 10°C
pietra di noto 25°C pietra di noto 15°CUmidità relativa = 50%
Influenza della temperatura (UR=50%)
T=15°C
T=25°C
0
0,00002
0,00004
0,00006
0,00008
0,0001
0,00012
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
W (%)
Φ (K
g/m
2 s)
CB5 50% CB5 30% CB5 80%
pietra di noto 80% pietra di noto 50% pietra di noto 30%Temperatura = 25°C
Influenza dell’umiditàrelativa (T=25°C)
UR=30%
UR=50%
UR=80%
T=10°C
T=25°C
25
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
0.00E+00 2.00E-05 4.00E-05 6.00E-05 8.00E-05 1.00E-04 1.20E-04
Φ (Kg/m2s) ponderale
ΔT
dal s
ecco
(°C
)
15°C-50% 25°C-30% 25°C-80% 25°C-50%
Pietra di Noto
Mattone
y = 72574xR2=0,9935
y = 45951xR2=0,9901
CORRELAZIONE LINEARE FLUSSO EVAPORATIVO-RAFFREDDAMENTO
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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©
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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
Campagna diagnostica del 28 ottobre, obbiettivi e risultati preliminari
Nicola LudwigIstituto di Fisica Generale Aplicata
Università degli Studi di Milano
Marzia Materazzi, Luciano MarrasIstituto Nazionale Ottica Applicata
Gruppo Beni Culturali
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MISURE DEL FATTORE DI RIFLETTANZA MISURE DEL FATTORE DI RIFLETTANZA SPETTRALE NEL MEDIO IRSPETTRALE NEL MEDIO IR
Braccio destro ripresa a freddo (Ee) ripresa a caldo (Er+Ee)
Per corpi opachi all’equilibrio termico con l’ambiente vale:
R + ε = 1Misure del fattore di riflettanza (R) forniscono una valutazione dell’emissivitàspettrale (ε) delle superfici e della presenza di materiali che ne alterano il valore rispetto al valore atteso (marmo circa 0.98)
Pettorale destro Hve1 Pettorale destro Hve1
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INDIVIDUAZIONE DI CRICCHE INDIVIDUAZIONE DI CRICCHE
Variazioni nel normale andamento di diffusione del calore possono essere interpretate come presenza di volumi di
materiale con proprietà termiche diverse dal marmo
Modello analitico per la diffusione del calore con simmetria sferica da un punto centrale
Temperatura lungo un diametro passante per il centro del riscaldamento
0
50
100
150
200
250
0 50 100 150 200 250 300 350 400
pixel
u.a.
31
Polso destroPolso destroPolso destro
23
24
25
26
27
28
29
30
0 30 60 90 120 150
distanza dal centro del riscaldamento (pixel)te
mpe
ratu
ra (°
C)
90° 180° 270°
90°
180°
270°
Caviglia sinistra Caviglia sinistra
Caviglia sinistra
23,00
23,20
23,40
23,60
23,80
24,00
24,20
24,40
24,60
24,80
25,00
0 30 60 90 120 150
distanza (pixel)
tem
pera
tura
(°C)
90° 180° 270°