Innovative technique to assess tensile axial load in tie-rods by means of dynamic measurements

In many civil structures, both historical and modern kind, tie-rods, or tie-beams, represent a useful and common tool to balance the lateral force at the base of arches and vaults. A measurement of the tensile axial load hold by them is an important feature for an effective health monitoring of the whole structure where the beams are inserted in. This thesis deals with a new method to estimate axial load in tie-rods by means of indirect measurements. The state of the art about the topic is largely oriented to employ dynamic measurements, because of advantages of an easier experimental set up then those required by static methods. However, the dynamic behaviour of a tie-rod is affected by few parameters, not only by the axial load, e.g. the boundary conditions as well as the geometrical and material property of the beam. Only a few of them can be evaluated with accuracy. In literature, only a few studies taken into account the uncertainties on parameters such as the actual free length of the tie-rods as well as the physical properties of the material which constitutes the beam. Moreover, most of methods rely on the solution of analytical model consistent only with constant cross-section beams. The innovative method proposed relies on the experimental estimation of the tie-rod eigenfrequencies and mode shapes in a limited number of points. Furthermore, the approach requires to develop a simple finite element model, which is then cross-correlated with the experimental data by means of a model updating procedure. The effect of uncertainties on the aforementioned parameters is investigate in depth. The work aims to provide a reliable evaluation of the constraints behaviour by means of the mode shapes components measured in one/two points. In order to do that, two different ways as developed and compared. One of them works either measuring or not the input to the tie-rod. A set of eigenfrequencies are identified in order to provide a first evaluation of the axial load and then the modal updating procedure is performed to achieve a set of final value for each parameter. Extensive numerical simulations and experimental tests demonstrated the capability of the new approach to give accurate estimates of the tie-rod axial load, also accounting for the aforementioned uncertainties. The method overcome some limitations of the methods currently available in literature. Furthermore, the algorithm can work either measuring or not the input to the tie-rod. The possibility to use operational modal analysis allows to implement a continuous monitoring of the tie-rod axial load.

In molte strutture civili, soprattutto di carattere storico, le travi metalliche alla base di archi e volte, dette catene, sono un utile strumento per equilibrare i cariche laterali di queste strutture. Sia che esse siano state inserite in fase di costruzione oppure aggiunte durante lavori di consolidamento, il monitoraggio del carico assiale a cui esse sono sottoposte è di importante aiuto nel controllo dello stato di salute dell’intera struttura in cui sono posizionate. La misura dell’azione assiale non è in genere eseguibile per via diretta, a meno che non siano stati previsti sistemi di misura dedicati prima del collocamento della catena stessa. In letteratura sono presenti diversi metodi di identificazione indiretta del carico assiale, a testimonianza dell’interesse diffuso verso questo tema, nell’ambito del monitoraggio strutturale. La maggior parte dei lavori più recenti si basa su misure di tipo dinamico, le quali prevedano generalmente procedure più semplici e più accurate nello specifico caso di applicazione. Tuttavia, il comportamento dinamico delle strutture in esame è determinato da diversi fattori oltre che dal carico assiale, come ad esempio le proprietà fisiche del metallo con cui la catena è costruita ed il comportamento dei vincoli con cui è fissata e tesa. Non tutti i parametri di influenza sono misurabili con accuratezza e le incertezze ad essi associate possono condizionare in maniera significativa l’identificazione del carico assiale. Ad esempio molti lavori fanno affidamento su stime molto accurare del modulo elastico del metallo con cui la catena è costruita ma tale valore è spesso solo ipotizzabile in molti casi reali. Pochi altri tengono in considerazione l’incertezza sul valore di lunghezza della porzione di trave realmente libera dai vincoli e quindi partecipante ai sui modi di vibrare. Il metodo innovativo proposto in questa tesi si basa su misure dinamiche di semplice configurazione. Attraverso l’identificazione di tre frequenze proprie della catena e delle corrispondenti componente modali valutate in due punti, si correlano tali misure ai parametri ottenuti da un modello semplificato ad elementi finiti della trave (FEM). Le proprietà fisiche del materiale sono supposte sulla base di un’analisi qualitativa. La lunghezza della trave stimata in prima approssimazione ed il comportamento dei vincoli è valutato correlando i dati sperimentali sulle ampiezze modali con le simulazioni FEM. Per quest’ultima procedura due tecniche sono state sviluppate e confrontate. In conclusione, una procedura di modal updating permette di ottimizzare la stima del carico assiale, stimato correlando le frequenze proprie identificate sperimentalmente con quelle espresse dal modello FEM. Il metodo è stato validato numericamente attraverso simulazioni Montecarlo, quindi testato sperimentalmente su una struttura riproducente le caratteristiche di una catena. Entrambe le validazioni hanno mostrato l’affidabilità del metodo nel fornire un’identificazione del carico assiale, anche considerando significativi intervalli di incertezza sui parametri tenuti in considerazione per la stima. I risultati sono comparabili e spesso migliorativi rispetto a quelli ottenuti dalla tecniche di riferimento in letteratura. Inoltre il metodo sviluppato supera alcune limitazioni di applicabilità prevista da molte altre tecniche. Il metodo si dimostra efficacie anche se impiegato sfruttando la risposta dinamica del sistema al forzamento ambientale, quindi senza la necessità di fornire e misurare un forzamento. Questo rende il metodo applicabile in maniera efficacie anche nell’ambito del monitoraggio strutturale continuativo.