Nondestructive testing method for crack detection in tie-rods based on vibration measurement

La presente tesi riassume una ricerca con lo scopo di sviluppare un metodo per il monitoraggio in situ delle catene di rinforzo nelle costruzioni storiche. Tanti ricercatori stanno lavorando su questo campo, soprattutto in Italia considerando i numerosi edifici storici e l’elevata attività sismica. La novità di questa ricerca consiste nella combinazione dei test in situ con le analisi quantitative e qualitative dei parametri modali e, inoltre, con le simulazioni agli elementi finiti. Oltre alla soluzione numerica anche le formulazioni analitiche dei problemi sono state definite. Il primo capitolo della tesi “Identificazione del carico assiale nelle catene di rinforzo” descrive un metodo per determinare il carico assiale di trazione nelle catene di rinforzo antiche. La soluzione del problema è conseguita tramite le misure vibrometriche, la modellazione parametrica agli elementi finiti e l’algoritmo di ottimizzazione. Il metodo è stato applicato ad un caso di studio, sulle catene di Casa Romei a Ferrara, i cui risultati sono riportati nel primo capitolo. Al fine di sviluppare una tecnica non distruttiva di rilevamento dei danni, un impianto sperimentale è stato costruito presso il laboratorio del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Università di Parma. L’impianto è abilitato a prove sia statiche sia dinamiche su travi metalliche con danni introdotti e controllati oppure senza difetti. Le travi, sottoposte al carico di trazione regolabile, riproducono le condizioni operative di un tirante vero. Nel secondo capitolo “Identificazione dei danneggiamenti nelle catene di rinforzo” è trattato l’impianto sperimentale e la tecnica non distruttiva per la difettologia delle travi. Il metodo si basa sull’analisi delle vibrazioni: la catena viene eccitata con un martello strumentale e la risposta dinamica è registrata tramite accelerometri. Questi semplici test sono veloci ed efficienti e permettono di diminuire il tempo speso per la prova vera in situ. L’elaborazione successiva dei risultati sperimentali in termini dell’analisi modale fornisce le funzioni di risposta in frequenza, le funzioni di coerenza, le frequenze modali e i rapporti di smorzamento modali. Analizzando ulteriormente questi dati è possibile trarre delle conclusioni sullo stato di sollecitazione e sull’integrità strutturale delle catene monitorate. I risultati delle prove statiche di cedevolezza sono correlati con i calcoli basati sui metodi della meccanica della frattura lineare elastica che vengono affrontati nel terzo capitolo “Approccio della meccanica della frattura”. Esso si concentra inoltre sulla classificazione delle cricche nelle travi tonde, giustificando la rappresentazione del difetto adottata nel capitolo precedente. Negli studi meccanici contemporanei le simulazioni numeriche sono diventate uno strumento importante per l’analisi di sensibilità e per la validazione dei risultati sperimentali. Le prove sperimentali contribuiscano al miglioramento della modellazione e le simulazioni numeriche, a loro volta, consentono di aumentare l’efficienza degli esperimenti. Il quarto capitolo “Simulazioni FEM” chiarifica la modellazione numerica utilizzata per affrontare l’approccio sperimentale riportato nei capitoli precedenti. Infine, il capitolo “Conclusione” evidenzia i risultati principali di questa ricerca e sottolinea le prospettive dei sui sviluppi futuri.The present thesis summarizes a research that aims to develop a method for in situ health-monitoring of metal tie-rods in historical constructions. Many researchers are working in this highly demanded field especially in Italy considering the numerous heritage buildings and high seismic activity. The novelty of this research is to combine an in situ test with quantitative and qualitative analysis of modal parameters and finite element simulations. Along with experiments and numerical solutions, analytical formulations of the problems are outlined as well. The first chapter of the thesis “Axial load identification in tie-rods” describes a method of the tensile load identification in ancient tie-rods. Solution of the stated problem is delivered by means of vibration measurements combined with parametric finite element modelling and optimization algorithm. The method was approbated on a case study of tie-rods in Casa Romei, Ferrara, Italy, results of which are as well presented in this chapter. In order to develop a nondestructive technique of damage detection, a special experimental setup was constructed at the laboratory of the Department of Industrial Engineering at the University of Parma. The rig enabled static and dynamic testing of long metal beams with introduced and controlled damage as well as without any defects under adjustable tensile loading, which models the condition of a real operating tie-rod. The second chapter “Damage identification in tie-rods” is hinged on the experimental setup and the method of defect spotting in tie-rods. The method is based on a nondestructive vibration analysis: a test with an instrumented impact hammer excitation and accelerometric acquisition of the response. These simple tests are very quick and efficient and allow to decrease the time spent on the actual testing on site. Subsequent elaboration of the experimental results in terms of modal analysis provides frequency response functions, coherence functions, eigenfrequencies and modal damping ratios. Further operating these data, we can draw conclusions about the stress state condition and structural integrity of the tested tie-rods. The results of static compliance tests are correlated with the calculations based on the linear elastic fracture mechanics methods that are addressed in the third chapter “Fracture mechanics approach”. It also focuses on the classification of cracks in round bars and points out the grounds of damage representation adopted in the previous chapter. In contemporary mechanical studies numerical simulations are an important tool for sensitivity analysis and validation of experimental results. Experiments help improve the modelling and numerical analysis, in its turn, assists to facilitate and improve the efficiency of experiments. In the fourth chapter of the thesis “FEM simulations” we clarify the numerical modelling used to confront the experimental approach reported in previous chapters. Finally, the chapter “Conclusion” bottom-lines the results of the research and looks out on further perspectives of its development