An acoustic emission approach to the structural health monitoring of historical metallic tie-rods

In recent years, the use of Non-Destructive tests and Structural Health Monitoring to identify damage propagation and prevent structural collapse increases in many industrial sectors, such as the civil engineering sector. However, implementing these techniques in historic buildings is still challenging due to the structures' external conditions and materials heterogeneities. This work aims to identify a method able to assess the structural integrity of the tie-rods of the Duomo di Milano since, in 2009, two of these components presented a critical failure. So, the acoustic emission, ultrasonic phased-array, and magnetic tests were used to identify defects within the studied tie-rods. First, the acoustic emission data from a fracture mechanic test were analysed to identify a methodology able to discretise noise events from events associated with failure mechanisms (k-SOM and Discrete Wavelet Transform) and an algorithm to localise the acoustic emission sources using different acoustic wave time pickers (AIC- picker and dynamic threshold). After that, a tensile test of a tie-rod specimen was done to validate the acoustic emission methodology and the studied time-pickers algorithms. Before and after the tensile test, ultrasonic phased-array and magnetic tests were done on the tie-rod to identify cracks and defects after the tensile loading conditions and compare the results with the acoustic emission responses. Moreover, to apply in situ acoustic emission technique, an inspection of an integral tie-rod of the Duomo di Milano was done, investigating different sensors layouts and computing experimentally wave velocity and signal attenuation. From these different analyses, magnetic tests can identify the presence of superficial defects. Ultrasonic phased-array instead can accurately define the geometry of the defect. Finally, the acoustic emission method provides great results regarding the identification and localisation of acoustic events associated with the tie-rods failure mechanisms, being a promising technique to monitor this kind of structures' structural integrity.

Negli ultimi anni, l'uso dei controlli non distruttivi e del monitoraggio strutturale al fine di identificare la propagazione di difetti e prevenire il collasso strutturale è in crescita in molti settori industriali, come nel campo dell'ingegneria civile. Tuttavia, l'implementazione di queste tecniche negli edifici storici è ancora molto complessa a causa delle condizioni esterne delle strutture e dell’eterogeneità dei materiali. Questo lavoro propone un metodo capace di valutare l'integrità strutturale delle catene del Duomo di Milano poiché, nel 2009, due di questi componenti hanno presentato un cedimento critico. Quindi, l'emissione acustica, il sistema phased-array e test con le particelle magnetiche sono stati impiegati per identificare i difetti all'interno delle catene studiate. Innanzitutto, sono stati analizzati i dati delle emissioni acustiche durante un test di meccanica della frattura al fine di identificare una metodologia in grado di discretizzare eventi di rumore da segnali associati a meccanismi di rottura del materiale (k-SOM and Trasformata Wavelet Discreta) e un algoritmo per localizzare le sorgenti di emissione acustica utilizzando differenti selettori del tempo di arrivo (AIC-picker e soglia dinamica). Successivamente, è stata eseguita una prova di trazione su un parte integra di una catena, per convalidare la metodologia di emissione acustica e gli algoritmi di selezione del tempo di arrivo dell’onda utilizzati. Prima e dopo la prova di trazione, sono stati eseguiti test con il phased-array e con le particelle magnetiche sulla catena per identificare cricche e difetti dopo le condizioni di carico di trazione e confrontare i risultati con le risposte delle emissioni acustiche. Inoltre, al fine di applicare in sito il sistema dell’emissione acustica, è stato eseguita uno studio su una catena integra del Duomo di Milano, analizzando possibili disposizioni dei sensori e calcolando sperimentalmente la velocità dell'onda e l’attenuazione del segnale. Da queste differenti analisi, i test magnetici risultano capaci di identificare la presenza di difetti superficiali. Il phased-array ad ultrasuoni invece permette di definire con precisione la geometria del difetto. Infine, il metodo di emissione acustica fornisce ottimi risultati per quanto riguarda l'identificazione e la localizzazione di eventi acustici associati ai meccanismi di rottura delle catene, rivelandosi una tecnica promettente per monitorare l’integrità strutturale di questi componenti.