A multidisciplinary and multiscale strategy for the assessment of the structural safety of historical metallic tie-rods

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).

Sin 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).