Il degrado del calcestruzzo: approccio conoscitivo all’opera con la geomatica

Continuiamo il ciclo di interviste tematiche inerenti il degrado del calcestruzzo. E’ la volta del rilievo dell’opera, passaggio imprescindibile per lo studio delle patologie edilizie e nei dissesti statici. Sono molte le informazioni che si possono ottenere attraverso il processo del cosiddetto “gemello digitale”. In particolare, è estremamente utile avere una sequenza spaziale e temporale della progressione del danno, attraverso l’indagine 4D, cioè l’estensione del rilievo nel tempo.

Quali strategie adottare per raggiungere questi obiettivi? Ne abbiamo discusso con l’ingegnere Nicola Santoro, geomatico ed esperto in tecniche di intelligenza artificiale (AI) applicate al rilievo.

Geomatica: peculiarità ed applicazione dei diversi metodi di rilievo

Per chiarire quanto descritto nelle immagini, qui di seguito propongo una sintesi delle tecniche usate . Ogni nuovo caso di studio consente ulteriori approfondimenti ed avanzamenti oltre che affinamenti nelle tecniche adottate. Pertanto questa tabella va interpretata come il risultato di studi e ricerche in continua e rapida evoluzione.

Tecnica di rilievo	Caratteristiche	Output	Limiti della tecnica
Rilievo ibrido Laserscanner-fotogrammetrico	• Tecnica combinata che consente di ottenere rilievi fotorealistici accurati e completi. • E’ la base per analisi avanzate dei fenomeni fisici e chimici dei materiali da costruzione	• Nuvola di punti • Mesh texturizzata • Gemello digitale voxel	• Descrizione cromatica esaustiva ma limitata alla superficie del manufatto • Richiede hardware di fascia alta per l’elaborazione del rilievo
Rilievo ibrido Tomografico-laser-fotogrammetrico	• Tecnica combinata che consente di ottenere rilievi fotorealistici accurati e completi, estesi agli strati profondi del manufatto. • Principio per analisi avanzate dei fenomeni fisici e chimici dei materiali da costruzione	• Indagine estesa agli strati profondi. • Nuvola di punti • Mesh texturizzata • Gemello digitale voxel • Consente di sviluppare gemelli digitali e assegnare proprietà e legami costitutivi alla struttura della materia	• La tomografia 3d industriale richiede hardware di fascia alta per l’elaborazione del rilievo. Richiede l’uso di algoritmi e competenze con una cultura multidisciplinare.• E’ necessario pianificare costi e benefici del metodo in base alle necessità della committenza.
Fotogrammetria	• La tecnica Structure From Motion di ultima generazione restituisce prodotti 2D-3D di ottimo livello. • Consente di ottenere rilievi fotorealistici accurati e completi. • E’ la base per analisi avanzate dei fenomeni fisici e chimici dei materiali da costruzione	• Strisciata mediante fotografie con sovrapposizione solitamente al 50%, ma talvolta è necessario 90-95% • Metrica dell’oggetto rilevato • Nuvola di punti • Mesh texturizzata • Gemello digitale voxel	Il metodo di lavoro richiede una rigorosa impostazione topografica al fine di controllare la propagazione degli errori.
Radiografia raggi x e gamma	• Indagine bidimensionale estesa agli strati profondi dell’opera d’arte	• Mappatura delle armature • Posizionamento di indagini diagnostiche successive • Processamento con algoritmi di intelligenza artificiale a fini diagnostici	• Costi elevati per la formazione e l’acquisto delle macchine di indagine. Occorre attenta analisi costi-benefici da valutare in base alle prestazioni richieste dalla committenza.
Intelligenza artificiale applicata al rilievo	• Hardware implementabile sui dispositivi di rilievo • Automazione fine delle regolazioni al fine di ottenere fotogrammi di qualità elevata • Produzione massiva di dati nella fotogrammetria macro • Accelerazione dei calcoli nel processo di elaborazione laser-fotogrammetrico • Diagnosi automatica	Mediante algoritmi è possibile provvedere a: • Aggiungere dettagli al fotogramma utilizzando ampie librerie di studi analoghi; • Crack detection per strutture in muratura, cls e acciaio; • Corrosione armature • Produzione automatica di reportistica.	• La programmazione degli algoritmi richiede personale qualificato. • Tuttavia è possibile utilizzare la tecnologia a diversi livelli del flusso di lavoro, in base alle competenze dell’operatore ed ai costi che è possibile sostenere.

Esempi applicativi della geomatica alla diagnosi delle opere

Nelle seguenti immagini, l’uso della tecnologia ibrida laser fotogrammetrica consente di indagare anche la forma della lesione nei primi 5 – 7 cm a seconda della dimensione del quadro fessurativo.

Come può la fotogrammetria raggiungere la terza dimensione della lesione?

Innanzitutto, laddove è possibile occorre catturare la geometria completa del manufatto, estendendo l’indagine attraverso tecniche di macrofotografia e microfotografia, da svolgere in cantiere con restituzioni in tempo reale.

In questi anni ho potuto affinare il metodo ed impiegarlo in diversi ambiti, nella seguente tabella ne riporto alcuni.

Caso Studio	Tecnica adottata	Descrizione dell’approccio e sintesi del risultato
Galleria	Fotogrammetria e laser scanner-AI	Uso combinato di diverse tecniche. Estrazione di mappe del degrado, venute d’acqua, abachi che illustrano nel dettaglio i fenomeni.
Ponte	Fotogrammetria e laser scanner-AI	Uso combinato di diverse tecniche. Estrazione di mappe del degrado, venute d’acqua, abachi che illustrano nel dettaglio i fenomeni.
Cupola (bene vincolato)	Fotogrammetria e laser scanner-AI	Uso combinato di diverse tecniche. Estrazione di mappe del degrado, degrado dei dipinti attraverso l’uso di tecniche fotogrammetriche multispettrali, abachi che illustrano nel dettaglio i fenomeni di dissesto.

L’aspetto innovativo è la possibilità di impiegare la tecnica in cantiere.

Generalmente la macrofotografia e la microfotografia si eseguono in studi fotografici o laboratori di indagine. Oggi è certamente possibile lavorare sul campo, con pochi strumenti, ottenendo quasi in tempo reale i classici prodotti della geomatica.

Qual è il contributo dato dalla geomatica alla diagnosi strutturale?

“La fotografia è tanto vicina alla scienza quanto all’arte”, vorrei esordire con questa frase in quanto ritengo sia il presupposto fondamentale per spiegare al meglio l’importanza della fotografia, caposaldo per il mondo sia scientifico sia tecnico.

La geomatica con i suoi strumenti di misurazione e registrazione, conferisce alla fotografia una caratteristica nuova e di grande valore: la correzione delle distorsioni geometriche e la corrispondente trasformazione, grazie alle tecniche di fotogrammetria di ultima generazione, in un prodotto bidimensionale e tridimensionale ricco di informazioni, con i suoi risultati veicolati attraverso la nuvola densa di punti.

La rappresentazione accurata dei fenomeni chimici e fisici che riguardano l’opera avviene attraverso l’uso combinato di tecniche innovative e tradizionali, amplificandone il valore ai fini diagnostici.

I fenomeni chimici sono la caratterizzazione dei tipici fenomeni di degrado e decomposizione, individuati e registrati mediante l’uso con approccio ibrido della fotogrammetria e delle tecnologie di acquisizione laser scanner 3D.

Tra i fenomeni fisici, invece, vi rientrano, ad esempio:

• disassamenti,
• quadri fessurativi,
• rototraslazioni,
• cedimenti differenziali.

Suddetti fenomeni, trattati con tecniche di correlazione delle immagini, restituiscono le seguenti informazioni estese all’intero manufatto:

• i cinematismi,
• i vettori velocità,
• lo spostamento.

Si tratta di un approccio dirompente rispetto alle tecniche tradizionali perchè estende il campo di indagine all’opera nel suo complesso.La rappresentazione di questi fenomeni può avvenire anche attraverso nuvole di punti, ovvero mediante il rilievo con laserscanner.

Il voxel la nuova chiave di lettura del rilievo e le criticità del Bim

La vera svolta corrisponde all’uso del Voxel. Il  Voxel è l’equivalente tridimensionale del Pixel.

Attualmente la tecnologia voxel si usa nel settore sia medicale, ad esempio radiologia, sia cinematografico sia industriale avanzato. In quest’ultimo caso l’utilizzo del Voxel è applicato allo studio dei materiali e dei difetti della loro struttura interna.

Nell’ingegneria civile e nella progettazione architettonica, l’impiego del voxel inizia ad affacciarsi timidamente, in parte schiacciato dall’offerta commerciale che predilige le matematiche grafiche nel flusso Bim, in parte per mancanza di sviluppi di programmazione adeguati che richiederebbero importanti investimenti delle case produttrici di software.

Ritengo che l’attuale proposta commerciale Bim abbia gravi lacune nel tentare una rappresentazione, uno studio e in definitiva una caratterizzazione del fenomeno del danno strutturale.

Il Bim offerto oggi offre alcune risposte potenti, ma tralascia ampi settori professionali e non sfrutta adeguatamente la potenza della geomatica: oserei dire che ne propone un uso distorto e limitativo che spesso limita anche i professionisti rilevatori. In particolare riscontro le seguenti criticità:

1. La conversione della nuvola di punti è la prova di una involuzione tecnologica e metodologica.
2. Si parte da un dato ricco di informazioni per ottenere una architettura vettoriale povera di contenuti.
3. Si imbriglia il potenziale della nuvola densa costringendola ad interagire con strumenti concepiti più di mezzo secolo fa.
4. Tutte le principali case produttrici propongono soluzioni che consentono di importare le nuvole di punti, offrendo strumenti per la loro conversione nei formati proprietari.
5. Si preclude la possibilità, salvo rarissime eccezioni, di modellare, editare, processare a fini diagnostici direttamente il prodotto “point cloud”.

L’unico modo per tentare un cambiamento generalizzato quasi impossibile nell’immediato futuro è proporre dei casi d’uso, incuriosendo e se possibile appassionando le nuove generazioni di professionisti che si affacciano ai variegati mondi dell’ingegneria e dell’architettura. Esistono metodi e flussi di lavoro che supportano il lavoro dei colleghi in modo piu’ naturale e potente.

L’applicazione del voxel nel rilievo conoscitivo e diagnostico

Usare la tecnologia voxel vuol dire assegnare al singolo punto delle caratteristiche chimiche e fisiche, conferendogli al contempo un legame costitutivo. Si va ben oltre la modellazione strutturale.

L’obiettivo è giungere alla vita artificiale della struttura e della sua interazione con il mondo esterno.

Laddove la fotogrammetria e la scansione laser raggiungono il loro limite, entra in gioco la tomografia: non ci limitiamo alla “pelle” della struttura ma indaghiamo l’intima essenza della materia.

Fenomeni superficiali e profondi sono interconnessi e restituiscono una consapevolezza sulla condizione del manufatto che è cruciale per far comprendere i meccanismi di dissesto e quindi ipotizzare scenari di collasso all’ingegnere strutturista e/o  studioso delle patologie edilizie.

Chi è Nicola Santoro?

Ricercatore autonomo nel settore della computer grafica e dell’Intelligenza artificiale applicata alla geomatica Laureato, nel 2001, in ingegneria civile all’Univesità degli studi di Salerno.Fin da bambino la mia passione è sempre stata quella di sperimentare e costruire. A 8 anni ho realizzato la mia prima casetta in legno multipiano nel giardino di casa. Capitava spesso in quegli anni di seguire in cantiere gli operai che costruivano le case dei miei genitori. L’altra mia passione è sempre stata quella del disegno tecnico, dell’illustrazione e dell’aerografo. Dopo la laurea ho iniziato nel 2002 a lavorare per la pubblica amministrazione svolgendo l’attività di progettazione e direzione lavori in diversi ambiti, tra cui la progettazione fotovoltaica, l’illuminotecnica stradale e architetturale e recentemente diversi lavori di ingegneria naturalistica sul reticolo idrico maggiore e minore della Città di Erba, in provincia di Como dove attualmente svolgo l’attività di tecnico comunale. Negli ultimi 12 anni i miei interessi si sono rivolti alla geomatica, alla computer grafica e all’uso di algoritmi di intelligenza artificiale per la realizzazione di rilevi fotorealistici del mondo che mi circonda cercando innovative e pratiche applicazioni dei miei studi attraverso i miei lavori. Lo studio del mondo fisico attraverso la fotografia , la costruzione di macchine ed esperimenti di chimica e fisica occupano il mio tempo libero.