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A Multidisciplinary Strategy for the Inspection of Historical Metallic Tie-Rods: The Milan Cathedral Case Study
Full text linkA reliable assessment of historical metallic tie-rods requires both the estimation of actual tensile load and the identification of dominant defects. Despite high defectiveness resulting from traditional metalworking techniques, so far the latter aspect has not been duly addressed in the literature. In this article, several methodologies are discussed aimed at integrating the usual inspection practice. All studies were performed on the tie-rods of Milan Cathedral. Metallurgical analyses allowed to recognize the main features of the material. Mechanical characterization in the perspective of Elasto-Plastic Fracture Mechanics (EPFM) indicated the conditions for crack propagation. Several Non-Destructive Techniques (NDTs) commonly used in Mechanical Engineering (i.e., guided waves, eddy currents, pulsed active thermography) were examined and adapted to this unconventional application. Based on the combination of all the mentioned methods, a multidisciplinary procedure was defined, which allows the evaluation of the crack significance with reference to the estimated working stress
A feasibility analysis on the application of eddy current testing to the detection of the most detrimental defects in historical metallic tie-rods
Full text linkHistorical metallic tie-rods have a very important structural role in buildings characterized by arches and vaults because they balance the horizontal thrusts, avoiding the overturning of vertical supports. Nowadays, no information can be found in the literature about the non-destructive detection of possible defects in historical tie-rods and their effects on the in-service structural integrity. On the other hand, many Non-Destructive Techniques are commonly used to inspect modern metallic components and structures, but their viability for cultural heritage is still to be assessed. In this paper, the application of eddy current testing to the historical metallic tie-rods of the Milan cathedral (Italy) is evaluated, discussed and adapted. The considered historical structures are characterized by a very heterogeneous material, irregular surface geometry and high inherent defectiveness. Recently, in-service failures showed the most detrimental flaws in tie-rods consist of handmade straight scarf forged welds. A first experimental eddy current testing approach, based on off-the-shelf high and low frequency probes, was performed. Results were partially unsatisfactory and showed the challenge is not the maximization of sensitivity and spatial resolution, as in typical modern applications, but their suitable minimization. Consequently, a customized eddy current testing technique, based on a novel low frequency probe, was designed and optimized. Its performance was evaluated by numerical simulations as well as by experimental testing. Based on the satisfactory achievements, the customized eddy current testing technique was applied on site on seven tie-rods. The most significant discontinuities could be effectively detected
INDIVIDUAZIONE DI DIFETTI SULLE CATENE STORICHE METALLICHE
No full textLe catene hanno un ruolo strutturale di fondamentale importanza nelle architetture del passato grazie alla loro capacità di contrastare le spinte orizzontali indotte da archi e volte. A causa, però, del loro processo di lavorazione, i tiranti storici sono caratterizzati da numerosi difetti che possono propagare nel tempo sotto l'effetto di carichi statici e dinamici portando alla rottura dell'elemento stesso. Un esempio emblematico è rappresentato dal Duomo di Milano, le cui catene, risalenti alla seconda metà del XV secolo, sono l'oggetto della presente ricerca. Due di queste sono state, difatti, di recente sostituite in quanto gravemente danneggiate.
Considerando che la presenza di difetti è un fattore inevitabile, l'obiettivo del lavoro presentato è l'identificazione di Controlli Non Distruttivi in grado di individuare i difetti dominanti. Sebbene siano attualmente disponibili numerosi metodi consolidati preposti a tale scopo nei prodotti metallici moderni, una loro applicazione a manufatti storici deve necessariamente confrontarsi con alcune problematiche specifiche. Tra tutte la principale è certamente gli effetti della rugosità superficiale. In questo articolo si è scelto di valutare le potenzialità di due differenti metodi, le Correnti Indotte e le Onde Guidate, seguendo rispettivamente un approccio sperimentale e numerico
APPLICAZIONI DELLA TOMOGRAFIA PULSE-ECHO ALL'INGEGNERIA CIVILE
Full text linkUno degli strumenti più innovativi attualmente disponibili per le indagini ultrasoniche su elementi in calcestruzzo è il tomografo A1040 MIRA, prodotto dalla Acoustic Control Systems di Mosca. Questo strumento è stato ideato per implementare sistematicamente la tecnica pulse-echo tramite una matrice di trasduttori a onde di taglio accoppiata ad un solo lato della struttura. Caratteristiche particolarmente interessanti di questo dispositivo sono i sensori puntiformi con accoppiamento a secco, l'implementazione automatica di sezioni tomografiche (scansioni B) tramite una specifica tecnica di focalizzazione e la possibilità di disporre dei dati grezzi acquisiti per l’implementazione di elaborazioni avanzate. Approfittando di quest'ultima opzione, gli autori hanno iniziato ad estendere l'uso di questo dispositivo ad alcuni problemi specifici al di là della semplice localizzazione dei vuoti. Un primo esempio è l'estrazione di informazioni quantitative sulla grandezza e sulla fase degli impulsi derivanti dai riflettori rilevati. Un'altra applicazione è la valutazione del danno superficiale dovuto all'esposizione al fuoco. L'ultimo esempio riguarda la ricerca dei difetti dominanti nei tiranti in ferro battuto con il metodo delle Onde Guidate. Qui i sensori adattabili a contatto puntiforme si sono rivelati molto efficaci nell'accoppiare lo strumento alla superficie irregolare degli elementi. Queste particolari applicazioni potrebbero rafforzare l'interesse per uno strumento diagnostico già affermato nel campo delle strutture civili
Metallurgical and mechanical characterization of the historical tie-rod of Duomo di Milano
No full textTie-rods have an important structural role in most of the vaulted constructions due to their capacity to balance the horizontal thrusts. However, their reliability in ancient buildings is often impaired by the manufacturing technology and the incidence of defects.
One paradigmatic example is represented by Duomo di Milano, whose hand forged elements date back to the first half of the 15th century and have been the object of the metallurgical characterization herein presented. The occasion arose from the replacement of a deeply fractured tie-rod, two cross-sections of which were analyzed in details: one close to the breaking surface and the breaking surface itself. The investigations carried out on the first sample were aimed to characterize the material, while those performed on the second one were finalized to estimate the causes of the failure.
Stereoscopy, light optical microscopy, scanning electron microscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy and Vickers hardness tests were employed to analyze the local chemical composition, microstructure and mechanical properties of the material. A good agreement among the results of these analyses was found.
The insight into the quality of this wrought iron is of remarkable significance as concerns the representativeness of laboratory mechanical tests and the potential of diagnostic techniques for in-situ inspection
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
A multidisciplinary and multiscale strategy for the assessment of the structural safety of historical metallic tie-rods
No full textSin dall’antichità le catene metalliche sono state ampiamente utilizzate per ridurre le azioni orizzontali indotte da strutture spingenti come archi e volte e, ancora oggi, esse sono una tecnica di rinforzo estremamente efficace e attuale. Le catene presenti negli edifici storici sono pertanto spesso coeve, o di poco successive, all’epoca di costruzione dell’edificio stesso. In tali circostanze, in particolare per quanto riguarda prodotti antecedenti al XVIII secolo, si ha a che fare con elementi in ferro dolce realizzati con tecniche di lavorazione manuale, materiale completamente differente dal suo ben più noto successore, l’acciaio. Nonostante siano entrambi due leghe Fe-C, ferro battuto storico ed acciaio possono essere considerati due materiali completamente differenti. Essi infatti sono caratterizzati da un grado di omogeneità molto differente, da una diverse incidenza, dimensione e tipologia di difetti, da microstrutture spesso dissimili. Questi aspetti influenzano fortemente il comportamento meccanico del materiale. Attualmente un’adeguata strategia di analisi strutturale di questi elementi non è definita. Sebbene infatti esistano molte tecniche in grado di stimare lo stato di sforzo effettivo di una catena in esercizio, tale parametro da solo non fornisce indicazioni sufficientemente complete in quanto non contempla gli effetti di danneggiamenti locali rilevanti, quali cricche.
L’obiettivo della presente tesi è la messa a punto di una procedura di valutazione del comportamento strutturale delle catene metalliche storiche tale da considerare la presenza di difetti dominanti. Il caso studio a cui si fa rifermento sono le catene del Duomo di Milano. I due concetti chiave attorno cui ruota la trattazione sono la definizione del significato di “difetto dominante” e la comprensione di come questi possano essere selezionati all’interno di un materiale estremamente eterogeneo e difettoso. Pertanto la tesi si sviluppa secondo due principali aree tematiche: la caratterizzazione del materiale e i Controlli Non Distruttivi (CnD).
Per quanto riguarda la caratterizzazione del materiale, si sono studiati gli aspetti più significativi del ferro battuto utilizzando in modo combinato diverse tecniche comunemente impiegate in archeometallurgia. I risultati ottenuti hanno evidenziato un materiale estremamente eterogeneo in termini sia di microstruttura sia di difetti. Sono stati individuati ed esaminati i principali componenti microstrutturali e i difetti ad essi associati, intrinseci al processo di lavorazione. Sono state inoltre svolte delle prove di durezza che hanno mostrato un’estrema sovrapponibilità con le principali microstrutture individuate, tanto da aver potuto associare a quelle più ricorrenti dei valori distintivi.
Data l’elevata eterogeneità e difettosità, è emerso come una caratterizzazione meccanica tradizionale, basata, ad esempio, su comuni prove di trazione, non fosse idonea al caso studio ad oggetto. Parallelamente, prove svolte con il metodo delle correnti indotte avevano inoltre evidenziato la presenza di discontinuità macroscopiche a distanze ricorrenti (bolliture). Per tali ragioni si è ritenuto opportuno caratterizzare il materiale dal punto di vista meccanico impiegando metodi propri della meccanica della frattura. Le prove basate su un approccio elastico-lineare hanno dimostrato come l’eterogeneità del materiale non influisca sul suo comportamento globale, ma provochi unicamente effetti locali. Ciononostante, esse non hanno consentito di ottenere risultati affidabili a causa della spiccata duttilità mostrata dai provini durante i test. Al fine di considerare gli effetti indotti dalla plasticità sulla tenacità del materiale, si è scelto di procedere con delle prove in campo elasto-plastico. Inoltre, al fine di valutare eventuali variazioni delle proprietà meccaniche in corrispondenza delle bolliture, dal materiale originale sono stati ricavati sia provini integri sia provini con giunti di saldatura in mezzeria. Questi ultimi hanno manifestato una tenacità un ordine di grandezza inferiore, dimostrando come le sezioni corrispondenti ai giunti di saldatura siano quelle più critiche.
Relativamente all’individuazione di difetti dominanti, nel settore dell’ingegneria aerospaziale e meccanica vengono comunemente impiegati diversi CnD. Ciononostante la loro applicazione su catene metalliche storiche potrebbe essere fortemente compromessa dall’elevata difettosità del materiale nonché dalle sue condizioni superficiali, specie in termini di rugosità. Sulla base di uno studio teorico preliminare si è scelto di focalizzare l’attenzione sulle seguenti tecniche: onde guidate, flusso magnetico disperso, correnti indotte e la termografia attiva. Esse sono state studiate utilizzando un approccio sia numerico, sia sperimentale, al fine di valutare la loro efficacia. Si è cercato, in particolare, di individuare i limiti di ognuna di esse in merito allo specifico campo di applicazione e di comprendere se e come questi possano essere superati. A tal proposito, le strategie impiegate variano fortemente a seconda del metodo analizzato. Tra di esse è possibile annoverare lo sviluppo di procedure di processamento del segnale, la progettazione e realizzazione di sonde maggiormente performanti, la messa a punto di configurazioni di prova più efficaci, la realizzazione di dispositivi supplementari in grado di migliorare sostanzialmente le condizioni operative.
A fronte dei risultati ottenuti nel presente lavoro di ricerca, è stato possibile definire una procedura organizzata in più livelli ispettivi in grado di fornire una più completa valutazione del comportamento strutturale dell’elemento catena. Essa si struttura in tre fasi: analisi globale, intermedia, e locale. La scala globale consiste in un’analisi speditiva capace di distinguere gli elementi danneggiati da quelli senza cricche. Le ispezioni ad una scala intermedia si vanno ad applicare solo sulle catene selezionate nella fase precedente al fine di individuare su di esse le aree critiche. Infine l’esame delle aree critiche ad una scala locale consente di caratterizzare il difetto, stimandone la dimensione e la profondità di localizzazione all’interno della sezione.
Una volta note le dimensioni della cricca e valutato lo stato di sforzo medio della catena, è possibile definire il corrispondente fattore di intensificazione degli sforzi effettivo. In questo modo il criterio di sicurezza può essere definito dal confronto tra tale valore e la tenacità del materiale.
Le prove previste nella fase globale e intermedia della procedura proposta sono state validate in situ, tramite l’analisi di sette catene in esercizio all’interno del Duomo di Milano. Al fine di migliorare le condizioni operative non ottimali del cantiere, sono stati realizzati specifici dispositivi di supporto alle indagini. Sono state individuate numerose discontinuità sulle catene e per ognuna di esse è stata redatta una specifica scheda. Tra queste tre sono cricche che sembrerebbero sviluppatesi lungo i giunti di saldatura. Tutti i risultati ottenuti per ciascuna catena sono stati raccolti in schede di sintesi, una per ognuno dei setti elementi analizzati. Sulla base di questi, è stato possibile classificare le catene in tre categorie a seconda del livello di rilevanza di ispezioni più approfondite (alto, medio, basso).Since ancient times, metallic tie-rods have been extensively used to reduce the horizontal thrusts induced by arches and vaults. Therefore, usually tie-rods placed in the historical constructions are coeval to the building or added shortly after. In these cases, due to the metalworking technology available before the 18th century, they were all made of wrought iron, namely a very mild and heterogeneous material including a number of inherent flaws and constructional defects. These aspects strongly affect the mechanical properties of the material and makes it remarkably different compared to the modern steel, although both of them are Fe-C alloys. Nowadays a suitable strategy for the structural analysis of these elements is not still available. Many techniques allow the estimation of the actual stress but this parameter alone is not sufficient to provide reliable information because the effects of dominant defects are not considered.
The aim of the present research is to outline a procedure for the structural assessment of the historical metallic tie rods, including the effects of dominant constructional defects, with special attention to the Duomo di Milano case study. The two key concepts of the essay are the definition of “dominant defect” and the comprehension on how they can be detected in e very heterogeneous and defective material. Therefore, the focuses of the thesis are the material characterization and the Non-Destructive Techniques (NDT).
Concerning material characterization, many combined techniques commonly used in archaeometallurgy have been employed to gain a deeper knowledge on the constitutive material properties. The achieved results have revealed an extremely heterogeneous material in terms of both microstructures and defects. The main microstructural compounds and flaws have been identified and studied. A good agreement between hardness tests and microstructural findings has been shown and distinctive hardness values related to the recurring microstructures have been estimated.
Based on these insights, a traditional method of mechanical characterization, such as by using tensile tests, is not reliable. Moreover, Eddy currents Testing (ET) performed concurrently have identified dominant macroscopic discontinuities (i.e. forged welds). For these reasons, fracture mechanics approach has been considered a valid alternative. Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) tests have demonstrated that the global behaviour of the material is not strongly affected by heterogeneities. However, this approach has not been turned out to be suitable due to the exhibited ductility. Elasto Plastic Fracture Mechanics (EPFM) procedures have been performed to account for plasticity. The welding joint effect on mechanical behaviour has been considered as well. Testing on several samples including this type of discontinuity has been carried out. The results have demonstrated that welding joints are the most critical cross-section since the achieved J-integral values are dramatically lower.
Concerning dominant cracks detection, many NDTs are commonly employed in the aerospace and mechanical engineering. Nevertheless their effectiveness on historical tie-rods might be compromised due to the high material heterogeneity as well as to the surface features, especially in terms of roughness. In order to fulfill the aim of the thesis, Guided Waves method (GW), Magnetic Flux Leakage inspection (MFL), Eddy currents Testing (ET), and Active Thermography (AT) have been studied. Numerical and experimental approaches have been used to understand their drawbacks and how they can be overcome. The enhancements vary from one method to another and consist in the development of adequate data processing procedures, in the design of more effective probes, in the fine-tuning of more suitable test configurations, in the realization of additional devices enabling better results.
The achievements of the present researches have contributed to define a multiscale procedure providing a more complete evaluation of the structural behavior of the historical metallic tie-rods. It is structured in three phases: global, intermediate, and local investigations. At the global scale the damaged tie-rods are distinguished from those undamaged. Intermediate inspections are performed only on elements exhibiting anomalous response in order to localize cracked areas. The characterization of the defect takes place at local scale with the estimation of its size and position inside the cross-section. Once crack dimensions and state of stress are known, the actual stress intensity factor can be computed. The comparison between this value and material toughness provides the safety condition.
The inspection methods included in the global and intermediate scale of the proposed procedure have been carried out on seven active tie-rods placed inside Duomo di Milano. Specific equipment have been devised to address constrictive operative conditions. Many discontinuities have been identified and for each one of them a sheet has been compiled. Three partially open cracks have been detected, which clearly correspond to welding joints. The results have been gathered into the tie-rods sheets and the examined elements have been classified in three different categories according to the level of significance of further investigations (high, medium, low).DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE E AMBIENTALE29CORONELLI, DARIO ANGELO MARIAPAOLUCCI, ROBERT
The church of SS. Marcellino and Pietro in Cremona : intervention proposal for the reinforcement of the main facade
No full textIl presente contributo riguarda il consolidamento della facciata principale della Chiesa dei Santi Marcellino e Pietro a Cremona, interessante esempio di architettura gesuita della “fase pauperistica”. Negli anni passati la chiesa è stata utilizzata come sede di rappresentanza del “Festival Monteverdi” sulla musica barocca, ma a causa dei problemi strutturali in facciata è stata chiusa. La Fondazione organizzatrice del festival, ha espresso la volontà di impegnarsi nel restauro dell’edificio per favorirne la conservazione e la fruizione. In questo contesto, il consolidamento della facciata principale rappresenta una premessa indispensabile per un progetto di intervento complessivo sul fabbricato, recentemente avviato attraverso il coinvolgimento del gruppo di ricerca DAStU-Polimi. Al fine di individuare le strategie di intervento più adeguate è stato condotto un accurato percorso conoscitivo. È stata dapprima effettuata la ricerca storica, basata su fonti bibliografiche e archivistiche, supportata da un'osservazione diretta dell’edificio volta ad individuare evidenze stratigrafico-costruttive in grado di confermare e/o integrare le informazioni raccolte dalle fonti indirette. Per comprendere le relazioni tra strutture orizzontali e verticali su scala globale è stato studiato il sistema delle volte e della copertura. Successivamente sono stati indagati gli elementi della facciata con l'obiettivo di riconoscere specifiche vulnerabilità. È stata conseguentemente individuata la ratio firmitas dell'edificio ed alcuni aspetti critici rispetto al sistema di trasmissione dei carichi. Sono state quindi esaminate le principali forme di alterazione e degrado per determinare i problemi conservativi della facciata e valutarne i possibili effetti. Poiché lo studio delle evidenze di danno rappresenta uno strumento prezioso di comprensione delle vulnerabilità dell'edificio, è stata effettuata un'analisi approfondita del quadro fessurativo. Sebbene sarebbero necessarie indagini diagnostiche; è stata redatta una proposta di consolidamento della facciata principale (sulla base della correlazione critica dei risultati), che si inserisce in una più ampia pianificazione di riuso.This contribution concerns the consolidation of the main façade of the Church of Saints Marcellino and Pietro in Cremona, an interesting example of Jesuit architecture of the "pauperistic phase". In past years it was used as a representative location of the “Monteverdi Festival” on baroque music, but due to the structural problems of the main façade the church is closed. The Foundation organizing festival, has expressed its determination to engage in the restoration of the church in order to promote its conservation and use. In this context, the consolidation of the main façade is an indispensable premise for an overall design project of the building, which recently started through the involvement of the research group DAStU-Polimi. In order to identify the most appropriate intervention strategies, an accurate knowledge path has been carried out. The historical research, based on both bibliographic and archival sources, has been firstly performed, supported by a direct observation of the building aimed at identifying any stratigraphic-constructive evidences able to confirm and/or integrate the achievement of the indirect sources analysis. The system of vaults and roof have been studied in order to understand the relationships between horizontal and vertical structures at a global scale. Then the elements of the main façade have been investigated with the aim of recognizing specific vulnerabilities. The structural concept behind the building has been consequently identified as well as some critical aspects related to the construction methods with respect to the load transmission system. The main forms of alteration and degradation have been subsequently examined to determine the conservation problems of the main façade and evaluate their possible effects. Since the study of the structural damage evidences represents a precious tool for understanding building vulnerabilities, an in-depth analysis of the crack pattern has been carried out. Further diagnostic investigation would be necessary; however, a consolidation proposal of the main façade (based on the critical correlation of the results) has been drowned up, which is part of a broader reuse planning
Indagini diagnostiche sulle catene storiche : potenzialità del metodo del flusso magnetico disperso
No full textLAUREA MAGISTRALELe catene metalliche hanno un rilevante ruolo strutturale all’interno degli edifici storici e, pertanto, l’analisi del loro stato di conservazione risulta una fase imprescindibile per la verifica della sicurezza della fabbrica. Le tecniche consolidate preposte a tale scopo consistono in indagini dinamiche di tipo globale, molto efficaci per la verifica dello stato tensionale ma che difficilmente permettono di individuare la presenza di difetti puntuali. Tale operazione risulta però altrettanto significativa, specie su manufatti storici caratterizzati da numerose difettosità dovute ai processi di lavorazione.
Nel presente lavoro di tesi ci si è prefissi di indirizzare gli studi verso le tecniche di diagnostica strumentale con una scala ispettiva maggiormente dettagliata, in grado, cioè, di identificare difetti, spesso di dimensioni troppo ridotte da essere individuabili con un’indagine visiva. La tesi si struttura sostanzialmente in tre fasi.
Nella prima viene studiato il materiale di cui si compongono le catene entrando nel merito di aspetti come le caratteristiche chimiche, le proprietà fisiche, il comportamento meccanico, le tecniche di lavorazione storiche e le principali applicazioni nell’ambito dell’architettura.
Nella seconda fase ci si è focalizzati sullo studio teorico dei principali metodi d’indagine diagnostica in grado di identificare la presenza di fessure superficiali, mettendo in luce le peculiarità operative di ognuno e i relativi vantaggi e svantaggi. A seguito di ciò è stato identificato il metodo della misurazione del flusso magnetico disperso come quello maggiormente idoneo rispetto allo specifico oggetto della trattazione.
Nella terza fase, quindi, si è verificata l’applicabilità di tale metodo sulle catene storiche attraverso la realizzazione di alcune prove di laboratorio su provini caratterizzati da diverse tipologie di cricche, alcune realizzate artificialmente o createsi naturalmente su catene reali, altre simulate tramite l’impiego di profili metalli moderni
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