Caracteritació de models funcionals d'àmfores romanes mitjançant Finite Element Analysis

Abstract

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada al Laboratory of Archaeometry del National Centre of Scientific Research “Demokritos” d’Atenes, Grècia, entre juny i setembre 2006. Aquest estudi s’emmarca dins d’un context més ampli d’estudi del canvi tecnològic que es documenta en la producció d’àmfores de tipologia romana durant els segles I aC i I dC en els territoris costaners de Catalunya. Una part d’aquest estudi contempla el càlcul de les propietats mecàniques d’aquestes àmfores i la seva avaluació en funció de la tipologia amforal, a partir de l’Anàlisi d’Elements Finits (AEF). L’AEF és una aproximació numèrica que té el seu origen en les ciències d’enginyeria i que ha estat emprada per estimar el comportament mecànic d’un model en termes, per exemple, de deformació i estrès. Així, un objecte, o millor dit el seu model, es dividit en sub-dominis anomenats elements finits, als quals se’ls atribueixen les propietats mecàniques del material en estudi. Aquests elements finits estan connectats formant una xarxa amb constriccions que pot ser definida. En el cas d’aplicar una força determinada a un model, el comportament de l’objecte pot ser estimat mitjançant el conjunt d’equacions lineals que defineixen el rendiment dels elements finits, proporcionant una bona aproximació per a la descripció de la deformació estructural. Així, aquesta simulació per ordinador suposa una important eina per entendre la funcionalitat de ceràmiques arqueològiques. Aquest procediment representa un model quantitatiu per predir el trencament de l’objecte ceràmic quan aquest és sotmès a diferents condicions de pressió. Aquest model ha estat aplicat a diferents tipologies amforals. Els resultats preliminars mostren diferències significatives entre la tipologia pre-romana i les tipologies romanes, així com entre els mateixos dissenys amforals romans, d’importants implicacions arqueològiques.Report for the scientific sojourn at the Laboratory of Archaeometry of the National Centre of Scientific Research “Demokritos” of Athens, Greece, from June to Setember 2006. The work program forms part of an ongoing research project focused on the technological change observed on the Roman amphorae production (s. I BC- I AD) recovered along the Catalan coast. Within the framework of this project mechanical behaviour of these amphorae is studied. First, the basic mechanical properties are determined, that is the fracture strength and toughness of the ceramic material. This study was initiated during our first stage at Demokritos: BE20500496. Second, these properties are evaluated taking into account the shape of the vessel as a whole. This approach is performed by means of Finite Element Analysis (FEA). FEA is a numerical approach originating from engineering sciences, which was implemented in order to estimate performance of a model in terms of e.g. deformation and stress. An object, or rather its model, is divided in sub-domains, the so-called finite elements, to which the respective material properties are attributed. These finite elements are connected and form a mesh with constraints, which can be defined. In the case that loads are applied to the model, the behaviour of the object can be estimated by a set of linear equations based on the performance of the finite elements, providing an approximate solution for the partial differential equations, which are describing structural deformation. Therefore this computer simulation helps to understand functionality of ancient vessels and other ceramic objects. Furthermore, this approach represents a quantitative model for predicting the failure of vessels under almost any possible loading conditions. The model has been applied to different amphorae types. The results so far have revealed important differences among the pre-Roman and the Roman types and among the three Roman designs as well, of important archaeological implications