Modellazione strutturale di edifici storici in muratura e misti: valutazioni comparate e criteri operativi

L’obiettivo della presente tesi è evidenziare l’importanza dell’approccio critico alla valutazione della vulnerabilità sismica di edifici in muratura e misti Il contributo della tesi sottolinea i diversi risultati ottenuti nella modellazione di tre edifici esistenti ed uno ipotetico usando due diversi programmi basati sul modello del telaio equivalente. La modellazione delle diverse ipotesi di vincolamento ed estensione delle zone rigide ha richiesto la formulazione di quattro modelli di calcolo in Aedes PCM ed un modello in 3muri. I dati ottenuti sono stati confrontati, inoltre, con l’analisi semplificata speditiva per la valutazione della vulnerabilità a scala territoriale prevista nelle “Linee Guida per la valutazione e riduzione del rischio sismico del Patrimonio Culturale”. Si può notare che i valori ottenuti sono piuttosto diversi e che la variabilità aumenta nel caso di edifici non regolari, inoltre le evidenze legate ai danni realmente rilevati sugli edifici mostrano un profondo iato tra la previsione di danno ottenuta tramite calcolatore e le lesioni rilevate; questo costituisce un campanello d’allarme nei confronti di un approccio acritico nei confronti del mero dato numerico ed un richiamo all’importanza del processo conoscitivo. I casi di studio analizzati sono stati scelti in funzione delle caratteristiche seguenti: il primo è una struttura semplice e simmetrica nelle due direzioni che ha avuto la funzione di permettere di testare in modo controllato le ipotesi di base. Gli altri sono edifici reali: il Padiglione Morselli è un edificio in muratura a pianta a forma di C, regolare in pianta ed in elevazione solamente per quanto concerne la direzione y: questo ha permesso di raffrontare il diverso comportamento dei modelli di calcolo nelle sue direzioni; il liceo Marconi è un edificio misto in cui elementi in conglomerato cementizio armato affiancano le pareti portanti in muratura, che presenta un piano di copertura piuttosto irregolare; il Corpo 4 dell’Ospedale di Castelfranco Emilia è un edificio in muratura, a pianta regolare che presenta le medesime irregolarità nel piano sommitale del precedente. I dati ottenuti hanno dimostrato un buon accordo per la quantificazione dell’indice di sicurezza per i modelli regolari e semplici con uno scarto di circa il 30% mentre il delta si incrementa per le strutture irregolari, in particolare quando le pareti portanti in muratura vengono sostituite da elementi puntuali nei piani di copertura arrivando a valori massimi del 60%. I confronti sono stati estesi per le tre strutture anche alla modellazione proposta dalle Linee Guida per la valutazione dell’indice di sicurezza sismica a scala territoriale LV1 mostrando differenze nell’ordine del 30% per il Padiglione Morselli e del 50% per il Liceo Marconi; il metodo semplificato risulta correttamente cautelativo. È, quindi, possibile affermare che tanto più gli edifici si mostrano regolari in riferimento a masse e rigidezze, tanto più la modellazione a telaio equivalente restituisce valori in accordo tra i programmi e di più immediata comprensione. Questa evidenza può essere estesa ad altri casi reali divenendo un vero e proprio criterio operativo che consiglia la suddivisione degli edifici esistenti in muratura, solitamente molto complessi poiché frutto di successive stratificazioni, in parti più semplici, ricorrendo alle informazioni acquisite attraverso il percorso della conoscenza che diviene in questo modo uno strumento utile e vitale. La complessità dell’edificato storico deve necessariamente essere approcciata in una maniera più semplice identificando sub unità regolari per percorso dei carichi, epoca e tecnologia costruttiva e comportamento strutturale dimostrato nel corso del tempo che siano più semplici da studiare. Una chiara comprensione del comportamento delle strutture permette di agire mediante interventi puntuali e meno invasivi, rispettosi dell’esistente riconducendo, ancora una volta, l’intervento di consolidamento ai principi propri del restauro che includono i principi di minimo intervento, di riconoscibilità dello stesso, di rispetto dei materiali esistenti e l’uso di nuovi compatibili con i precedenti. Il percorso della conoscenza diviene in questo modo la chiave per liberare la complessità degli edifici storici esistenti trasformando un mero tecnicismo in una concreta operazione culturale . Il presente percorso di dottorato è stato svolto in collaborazione tra l’Università di Parma, DICATeA e lo Studio di Ingegneria Melegari mediante un percorso di Apprendistato in Alta Formazione e Ricerca.

Electrical investigation of p-type 4H-SiC heavily doped by ion implantation

In the last decades, an increasing interest in the research field of wide bandgap semiconductors was observed, mostly due to the progressive approaching of silicon-based devices to their theoretical limits. 4H-SiC is an example among these, and is a mature compound for applications. The main advantages offered 4H-SiC in comparison with silicon are an higher breakdown field, an higher thermal conductivity, a higher operating temperature, very high hardness and melting point, biocompatibility, but also low switching losses in high frequencies applications and lower on-resistances in unipolar devices. Then, 4H-SiC power devices offer great performance improvement; moreover, they can work in hostile environments where silicon power devices cannot function. Ion implantation technology is a key process in the fabrication of almost all kinds of SiC devices, owing to the advantage of a spatially selective doping. This work is dedicated to the electrical investigation of several differently-processed 4H-SiC ion- implanted samples, mainly through Hall effect and space charge spectroscopy experiments. It was also developed the automatic control (Labview) of several experiments. In the work, the effectiveness of high temperature post-implant thermal treatments (up to 2000°C) were studied and compared considering: (i) different methods, (ii) different temperatures and (iii) different duration of the annealing process. Preliminary p + /n and Schottky junctions were also investigated as simple test devices. 1) Heavy doping by ion implantation of single off-axis 4H-SiC layers The electrical investigation is one of the most important characterization of ion-implanted samples, which must be submitted to mandatory post-implant thermal treatment in order to both (i) recover the lattice after ion bombardment, and (ii) address the implanted impurities into lattice sites so that they can effectively act as dopants. Electrical investigation can give fundamental information on the efficiency of the electrical impurity activation. To understand the results of the research it should be noted that: (a) To realize good ohmic contacts it is necessary to obtain spatially defined highly doped regions, which must have conductivity as low as possible. (b) It has been shown that the electrical activation efficiency and the electrical conductivity increase with the annealing temperature increasing. (c) To maximize the layer conductivity, temperatures around 1700°C are generally used and implantation density high till to 10 21 cm -3 . In this work, an original approach, different from (c), is explored by the using very high annealing temperature, around 2000°C, on samples of Al + -implant concentration of the order of 10 20 cm -3 . Several Al + -implanted 4H-SiC samples, resulting of p-type conductivity, were investigated, with a nominal density varying in the range of about 1-5∙10 20 cm -3 and subjected to two different high temperature thermal treatments. One annealing method uses a radiofrequency heated furnace till to 1950°C (Conventional Annealing, CA), the other exploits a microwave field, providing a fast heating rate up to 2000°C (Micro-Wave Annealing, MWA). In this contest, mainly ion implanted p-type samples were investigated, both off-axis and on-axis <0001> semi-insulating 4H-SiC. Concerning p-type off-axis samples, a high electrical activation of implanted Al (50-70%) and a compensation ratio below 10% were estimated. In the work, the main sample processing parameters have been varied, as the implant temperature, CA annealing duration, and heating/cooling rates, and the best values assessed. MWA method leads to higher hole density and lower mobility than CA in equivalent ion implanted layers, resulting in lower resistivity, probably related to the 50°C higher annealing temperature. An optimal duration of the CA treatment was estimated in about 12-13 minutes. A RT resistivity on the lowest reported in literature for this kind of samples, has been obtained. 2) Low resistivity data: variable range hopping Notwithstanding the heavy p-type doping levels, the carrier density remained less than the critical one required for a semiconductor to metal transition. However, the high carrier densities obtained was enough to trigger a low temperature impurity band (IB) conduction. In the heaviest doped samples, such a conduction mechanism persists till to RT, without significantly prejudice the mobility values. This feature can have an interesting technological fall, because it guarantee a nearly temperature- independent carrier density, it being not affected by freeze-out effects. The usual transport mechanism occurring in the IB conduction is the nearest neighbor hopping: such a regime is effectively consistent with the resistivity temperature behavior of the lowest doped samples. In the heavier doped samples, however, a trend of the resistivity data compatible with a variable range hopping (VRH) conduction has been pointed out, here highlighted for the first time in p-type 4H-SiC. Even more: in the heaviest doped samples, and in particular, in those annealed by MWA, the temperature dependence of the resistivity data is consistent with a reduced dimensionality (2D) of the VRH conduction. In these samples, TEM investigation pointed out faulted dislocation loops in the basal plane, whose average spacing along the c-axis is comparable with the optimal length of the hops in the VRH transport. This result suggested the assignment of such a peculiar behavior to a kind of spatial confinement into a plane of the carrier hops. 3) Test device the p + -n junction In the last part of the work, the electrical properties of 4H-SiC diodes were also studied. In this case, a heavy Al + ion implantation was realized on n-type epilayers, according to the technological process applied for final devices. Good rectification properties was shown from these preliminary devices in their current-voltage characteristics. Admittance spectroscopy and deep level transient spectroscopy measurements showed the presence of electrically active defects other than the dopants ones, induced in the active region of the diodes by ion implantation. A critical comparison with the literature of these defects was performed. Preliminary to such an investigation, it was assessed the experimental set up for the admittance spectroscopy and current-voltage investigation and the automatic control of these measurements.