Some issues concerning the dynamic response and damage of composite laminates subjected to low velocity impact

Abstract. This thesis presents a discussion on a few specific topics regarding the low velocity impact behaviour of laminated composites. These topics were chosen because of their significance as well as the relatively limited attention received so far by the scientific community. The first issue considered is the comparison between the effects induced by a low velocity impact and by a quasi-static indentation experimental test. An analysis of both test conditions is presented, based on the results of experiments carried out on carbon fibre laminates and on numerical computations by a finite element model. It is shown that both quasi-static and dynamic tests led to qualitatively similar failure patterns; three characteristic contact force thresholds, corresponding to the main steps of damage progression, were identified and found to be equal for impact and indentation. On the other hand, an equal energy absorption resulted in a larger delaminated area in quasi-static than in dynamic tests, while the maximum displacement of the impactor (or indentor) was higher in the case of impact, suggesting a probably more severe fibre damage than in indentation. Secondly, the effect of different specimen dimensions and boundary conditions on its impact response was examined. Experimental testing showed that the relationships of delaminated area with two significant impact parameters, the absorbed energy and the maximum contact force, did not depend on the in-plane dimensions and on the support condition of the coupons. The possibility of predicting, by means of a simplified numerical computation, the occurrence of delaminations during a specific impact event is also discussed. A study about the compressive behaviour of impact damaged laminates is also presented. Unlike most of the contributions available about this subject, the results of compression after impact tests on thin laminates are described in which the global specimen buckling was not prevented. Two different quasi-isotropic stacking sequences, as well as two specimen geometries, were considered. It is shown that in the case of rectangular coupons the lay-up can significantly affect the damage induced by impact. Different buckling shapes were observed in laminates with different stacking sequences, in agreement with the results of numerical analysis. In addition, the experiments showed that impact damage can alter the buckling mode of the laminates in certain situations, whereas it did not affect the compressive strength in every case, depending on the buckling shape. Some considerations about the significance of the test method employed are also proposed. Finally, a comprehensive study is presented regarding the influence of pre-existing in-plane loads on the impact response of laminates. Impact events in several conditions, including both tensile and compressive preloads, both uniaxial and biaxial, were analysed by means of numerical finite element simulations; the case of laminates impacted in postbuckling conditions was also considered. The study focused on how the effect of preload varies with the span-to-thickness ratio of the specimen, which was found to be a key parameter. It is shown that a tensile preload has the strongest effect on the peak stresses at low span-to-thickness ratios, leading to a reduction of the minimum impact energy required to initiate damage, whereas this effect tends to disappear as the span-to-thickness ratio increases. On the other hand, a compression preload exhibits the most detrimental effects at medium span-to-thickness ratios, at which the laminate compressive strength and the critical instability load are close to each other, while the influence of preload can be negligible for thin plates or even beneficial for very thick plates. The possibility to obtain a better explanation of the experimental results described in the literature, in view of the present findings, is highlighted. Throughout the thesis the capabilities and limitations of the finite element model, which was implemented in an in-house program, are discussed. The program did not include any damage model of the material. It is shown that, although this kind of analysis can yield accurate results as long as damage has little effect on the overall mechanical properties of a laminate, it can be helpful in explaining some phenomena and also in distinguishing between what can be modelled without taking into account the material degradation and what requires an appropriate simulation of damage. Sommario. Questa tesi presenta una discussione su alcune tematiche specifiche riguardanti il comportamento dei compositi laminati soggetti ad impatto a bassa velocità. Tali tematiche sono state scelte per la loro importanza, oltre che per l’attenzione relativamente limitata ricevuta finora dalla comunità scientifica. La prima delle problematiche considerate è il confronto fra gli effetti prodotti da una prova sperimentale di impatto a bassa velocità e da una prova di indentazione quasi statica. Viene presentata un’analisi di entrambe le condizioni di prova, basata sui risultati di esperimenti condotti su laminati in fibra di carbonio e su calcoli numerici svolti con un modello ad elementi finiti. È mostrato che sia le prove quasi statiche sia quelle dinamiche portano a un danneggiamento con caratteristiche qualitativamente simili; tre valori di soglia caratteristici della forza di contatto, corrispondenti alle fasi principali di progressione del danno, sono stati individuati e stimati uguali per impatto e indentazione. D’altro canto lo stesso assorbimento di energia ha portato ad un’area delaminata maggiore nelle prove statiche rispetto a quelle dinamiche, mentre il massimo spostamento dell’impattatore (o indentatore) è risultato maggiore nel caso dell’impatto, indicando la probabilità di un danneggiamento delle fibre più severo rispetto al caso dell’indentazione. In secondo luogo è stato esaminato l’effetto di diverse dimensioni del provino e diverse condizioni al contorno sulla sua risposta all’impatto. Le prove sperimentali hanno mostrato che le relazioni fra l’area delaminata e due parametri di impatto significativi, l’energia assorbita e la massima forza di contatto, non dipendono dalle dimensioni nel piano dei provini e dalle loro condizioni di supporto. Viene anche discussa la possibilità di prevedere, per mezzo di un calcolo numerico semplificato, il verificarsi di delaminazioni durante un determinato caso di impatto. È presentato anche uno studio sul comportamento a compressione di laminati danneggiati da impatto. Diversamente della maggior parte della letteratura disponibile su questo argomento, vengono qui descritti i risultati di prove di compressione dopo impatto su laminati sottili durante le quali l’instabilità elastica globale dei provini non è stata impedita. Sono state considerate due differenti sequenze di laminazione quasi isotrope, oltre a due geometrie per i provini. Viene mostrato come nel caso di provini rettangolari la sequenza di laminazione possa influenzare sensibilmente il danno prodotto dall’impatto. Due diversi tipi di deformate in condizioni di instabilità sono stati osservati per laminati con diversa laminazione, in accordo con i risultati dell’analisi numerica. Gli esperimenti hanno mostrato inoltre che in certe situazioni il danno da impatto può alterare la deformata che il laminato assume in seguito ad instabilità; d’altra parte tale danno non ha sempre influenzato la resistenza a compressione, a seconda della deformata. Vengono proposte anche alcune considerazioni sulla significatività del metodo di prova utilizzato. Infine viene presentato uno studio esaustivo riguardo all’influenza di carichi membranali preesistenti sulla risposta all’impatto dei laminati. Sono stati analizzati con simulazioni numeriche ad elementi finiti casi di impatto in diverse condizioni di precarico, sia di trazione sia di compressione, sia monoassiali sia biassiali; è stato preso in considerazione anche il caso di laminati impattati in condizioni di postbuckling. Lo studio si è concentrato in particolare sulla dipendenza degli effetti del precarico dal rapporto larghezza-spessore del provino, che si è rivelato un parametro fondamentale. Viene illustrato che un precarico di trazione ha l’effetto più marcato sulle massime tensioni per bassi rapporti larghezza-spessore, portando ad una riduzione della minima energia di impatto necessaria per innescare il danneggiamento, mentre questo effetto tende a scomparire all’aumentare di tale rapporto. Il precarico di compressione evidenzia invece gli effetti più deleteri a rapporti larghezza-spessore intermedi, ai quali la resistenza a compressione del laminato e il suo carico critico di instabilità sono paragonabili, mentre l’influenza del precarico può essere trascurabile per piastre sottili o addirittura benefica per piastre molto spesse. Viene evidenziata la possibilità di trovare una spiegazione più soddisfacente dei risultati sperimentali riportati in letteratura, alla luce del presente contributo. Nel corso della tesi vengono anche discussi le potenzialità ed i limiti del modello ad elementi finiti utilizzato, che è stato implementato in un programma scritto in proprio. Il programma non comprende alcuna modellazione del danneggiamento del materiale. Viene però spiegato come, nonostante questo tipo di analisi possa portare a risultati accurati soltanto finché il danno ha scarsi effetti sulle proprietà meccaniche d’insieme del laminato, esso possa essere utile per spiegare alcuni fenomeni, oltre che per distinguere fra ciò che si può riprodurre senza tenere conto del degrado del materiale e ciò che invece richiede una simulazione adeguata del danneggiamento.

RNA non-codificanti indotti da danno al DNA regolano il fattore di trascrizione HIF-1α

Recenti analisi sull’intero trascrittoma hanno rivelato una estensiva trascrizione di RNA non codificanti (ncRNA), le quali funzioni sono tuttavia in gran parte sconosciute. In questo lavoro è stato dimostrato che alte dosi di camptotecina (CPT), un farmaco antitumorale inibitore della Top1, aumentano la trascrizione di due ncRNA antisenso in 5’ e 3’ (5'aHIF-1α e 3'aHIF-1α rispettivamente) al locus genico di HIF-1α e diminuiscono i livelli dell’mRNA di HIF-1α stesso. Gli effetti del trattamento sono Top1-dipendenti, mentre non dipendono dal danno al DNA alla forca di replicazione o dai checkpoint attivati dal danno al DNA. I ncRNA vengono attivati in risposta a diversi tipi di stress, il 5'aHIF-1α è lungo circa 10 kb e possiede sia il CAP in 5’ sia poliadenilazione in 3’ (in letteratura è noto che il 3'aHIF-1α è un trascritto di 1,7 kb, senza 5’CAP né poliadenilazione). Analisi di localizzazione intracellulare hanno dimostrato che entrambi sono trascritti nucleari. In particolare 5'aHIF-1α co-localizza con proteine del complesso del poro nucleare, suggerendo un suo possibile ruolo come mediatore degli scambi della membrana nucleare. È stata dimostrata inoltre la trascrizione dei due ncRNA in tessuti di tumore umano del rene, evidenziandone possibili ruoli nello sviluppo del cancro. È anche noto in letteratura che basse dosi di CPT in condizioni di ipossia diminuiscono i livelli di proteina di HIF-1α. Dopo aver dimostrato su diverse linee cellulari che i due ncRNA sopracitati non potessero essere implicati in tale effetto, abbiamo studiato le variazioni dell’intero miRnoma alle nuove condizioni sperimentali. In tal modo abbiamo scoperto che il miR-X sembra essere il mediatore molecolare dell’abbattimento di HIF-1α dopo trattamento con basse dosi di CPT in ipossia. Complessivamente, questi risultati suggeriscono che il fattore di trascrizione HIF-1α venga finemente regolato da RNA non-codificanti indotti da danno al DNA.

Development of strategies for vascular damage repair in Pulmonary Arterial Hypertension

Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a progressive and rare disease with so far unclear pathogenesis, limited treatment options and poor prognosis. Unbalance of proliferation and migration in pulmonary arterial smooth muscle cells (PASMCs) is an important hallmark of PAH. In this research Sodium butyrate (BU) has been evaluated in vitro and in vivo models of PAH. This histone deacetylase inhibitor (HDACi) counteracted platelet-derived growth factor (PDGF)-induced ki67 expression in PASMCs, and arrested cell cycle mainly at G0/G1 phases. Furthermore, BU reduced the transcription of PDGFRbeta, and that of Ednra and Ednrb, two major receptors in PAH progression. Wound healing and pulmonary artery ring assays indicated that BU inhibited PDGF-induced PASMC migration. BU strongly inhibited PDGF-induced Akt phosphorylation, an effect reversed by the phosphatase inhibitor calyculinA. In vivo, BU showed efficacy in monocrotaline-induced PAH in rats. Indeed, the HDACi reduced both thickness of distal pulmonary arteries and right ventricular hypertrophy. Besides these studies, Serial Analysis of Gene Expression (SAGE) has be used to obtain complete transcriptional profiles of peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) isolated from PAH and Healthy subjects. SAGE allows quantitative analysis of thousands transcripts, relying on the principle that a short oligonucleotide (tag) can uniquely identify mRNA transcripts. Tag frequency reflects transcript abundance. We enrolled patients naïve for a specific PAH therapy (4 IPAH non-responder, 3 IPAH responder, 6 HeritablePAH), and 8 healthy subjects. Comparative analysis revealed that significant differential expression was only restricted to a hundred of down- or up-regulated genes. Interestingly, these genes can be clustered into functional networks, sharing a number of crucial features in cellular homeostasis and signaling. SAGE can provide affordable analysis of genes amenable for molecular dissection of PAH using PBMCs as a sentinel, surrogate tissue. Altogether, these findings may disclose novel perspectives in the use of HDACi in PAH and potential biomarkers.

Il risparmio delle risorse alla scala abitativa e di insediamento. Tecnologie non convenzionali e valutazione ambientale attraverso metodologia LCA.

Nel corso del mio lavoro di ricerca mi sono occupata di identificare strategie che permettano il risparmio delle risorse a livello edilizio e di approfondire un metodo per la valutazione ambientale di tali strategie. La convinzione di fondo è che bisogna uscire da una visione antropocentrica in cui tutto ciò che ci circonda è merce e materiale a disposizione dell’uomo, per entrare in una nuova era di equilibrio tra le risorse della terra e le attività che l’uomo esercita sul pianeta. Ho quindi affrontato il tema dell’edilizia responsabile approfondendo l’ambito delle costruzioni in balle di paglia e terra. Sono convinta che l’edilizia industriale abbia un futuro molto breve davanti a sé e lascerà inevitabilmente spazio a tecniche non convenzionali che coinvolgono materiali di semplice reperimento e posa in opera. Sono altresì convinta che il solo utilizzo di materiali naturali non sia garanzia di danni ridotti sull’ecosistema. Allo stesso tempo ritengo che una mera certificazione energetica non sia sinonimo di sostenibilità. Per questo motivo ho valutato le tecnologie non convenzionali con approccio LCA (Life Cycle Assessment), approfondendo gli impatti legati alla produzione, ai trasporti degli stessi, alla tipologia di messa in opera, e ai loro possibili scenari di fine vita. Inoltre ho approfondito il metodo di calcolo dei danni IMPACT, identificando una carenza nel sistema, che non prevede una categoria di danno legata alle modifiche delle condizioni idrogeologiche del terreno. La ricerca si è svolta attraverso attività pratiche e sperimentali in cantieri di edilizia non convenzionale e attività di ricerca e studio sull’LCA presso l’Enea di Bologna (Ing. Paolo Neri).

Experimental assessment of environmental decay effects in masonry via non destructive diagnostic techniques and mechanical tests

Environmental decay in porous masonry materials, such as brick and mortar, is a widespread problem concerning both new and historic masonry structures. The decay mechanisms are quite complex dependng upon several interconnected parameters and from the interaction with the specific micro-climate. Materials undergo aesthetical and substantial changes in character but while many studies have been carried out, the mechanical aspect has been largely understudied while it bears true importance from the structural viewpoint. A quantitative assessment of the masonry material degradation and how it affects the load-bearing capacity of masonry structures appears missing. The research work carried out, limiting the attention to brick masonry addresses this issue through an experimental laboratory approach via different integrated testing procedures, both non-destructive and mechanical, together with monitoring methods. Attention was focused on transport of moisture and salts and on the damaging effects caused by the crystallization of two different salts, sodium chloride and sodium sulphate. Many series of masonry specimens, very different in size and purposes were used to track the damage process since its beginning and to monitor its evolution over a number of years Athe same time suitable testing techniques, non-destructive, mini-invasive, analytical, of monitoring, were validated for these purposes. The specimens were exposed to different aggressive agents (in terms of type of salt, of brine concentration, of artificial vs. open-air natural ageing, …), tested by different means (qualitative vs. quantitative, non destructive vs. mechanical testing, punctual vs. wide areas, …), and had different size (1-, 2-, 3-header thick walls, full-scale walls vs. small size specimens, brick columns and triplets vs. small walls, masonry specimens vs. single units of brick and mortar prisms, …). Different advanced testing methods and novel monitoring techniques were applied in an integrated holistic approach, for quantitative assessment of masonry health state.

La perdita di chance nel prisma del danno non patrimoniale

Il danno da perdita di chance rappresenta la categoria giuridica di cui la giurisprudenza si serve per ampliare i confini della tutela risarcitoria, in diversi casi in cui, alla stregua dell’impostazione dogmatica tradizionale, non potrebbe dirsi configurabile un danno-conseguenza (né sotto forma di danno emergente, né sotto forma di lucro cessante). Lo studio, una volta delimitato il campo dell’indagine e dato conto delle opinioni dottrinali sulla ricostruzione della figura, ha preso le mosse dall’illustrazione degli orientamenti della giurisprudenza, la quale, a partire dagli anni ’80 del secolo scorso, è andata via via applicando l’istituto nei settori del diritto del lavoro, della responsabilità professionale (in particolare dell’avvocato), e del danno alla persona (nel quale ultimo si è messo in luce come il danno da perdita di chance possa rivestire funzione unicamente descrittiva di tipologie di pregiudizio riconducibili alle “tradizionali” voci di danno). Nel secondo capitolo si è analiticamente esaminata la fattispecie del danno da perdita di chance, alla luce delle categorie e dei principi generali della responsabilità civile, vagliando i margini di “armonizzabilità” dell’istituto rispetto alle classificazioni in termini di danno emergente/lucro cessante, danno presente/futuro, danno-evento/danno-conseguenza, nonché rispetto alle regole sulla causalità, al requisito dell’ingiustizia del danno, e alle tecniche di liquidazione del danno. Nell’ultimo capitolo, si è proceduto, poi, a “calare” l’istituto del danno da perdita di chance nel “sottosettore” della responsabilità sanitaria, sottoponendo a verifica la “tenuta teorica” della sua “variante” non patrimoniale al cospetto della recente novella legislativa rappresentata dalla l. n. 24/17, nonché degli orientamenti giurisprudenziali che, negli ultimi due anni, hanno interessato i temi dell’onere della prova del nesso causale e dello stesso danno da perdita di chance non patrimoniale. A conclusione dello studio, si sono svolte, infine, alcune considerazioni sulle criticità che precludono un’armonica “riconduzione a sistema” dell’istituto, consigliandone il definitivo abbandono.

R-loops and G4-structures: from DNA damage to innate immune response gene activation

Non-B DNA structures like R-loops and G-quadruplexes play a pivotal role in several cellular vital processes like DNA transcription regulation. Misregulation of said non-canonical DNA structures can often lead to genome instability, DNA damage, and, eventually, to the activation of an innate immune response. For such reasons they have been studied as adjuvants in anticancer therapies. Here we studied drugs targeting R-loops (Top1 poisons) and G4s (hydrazone derivatives) in order to observe their effects in terms of DNA damage induction and, subsequently, activation of innate immune response. We studied how non-cytotoxic doses of ampthotecin and LMP-776 impact on genome instability, are capable to induce DNA damage and micronuclei, and, eventually lead to an innate immune gene response via the cGAS/STING pathway. G-quadruplexes are another ubiquitous, non-canonical DNA structure, more abundant in telomeric regions, demonstrating a marked relation with the impairment of telomerase and the regulation of DNA replication and transcription. Furthermore, we investigated the properties of new-synthesized molecules belonging to the highly promising class of hydrazone derivatives, in terms of cytotoxicity, ability to stabilize G4-structures, induce DNA damage, and activate interferon-B production. Both Top1 poisons and G4-stabilizers possess several features that can be very useful in clinical applications, in light of their ability to stimulate innate immune response factors and exert a certain cell-killing power, plus they offer a broad and diverse range of treatment options in order to face a variety of patient treatment needs. It is for these very reasons that it is of uttermost importance that further studies are conducted on these compounds, in order to synthesize new and increasingly powerful and flexible ones, with fewer side effects to customize therapies on specific cancers’ and patients’ features.

Seismic vulnerability of buildings and non-structural elements: insights from the 2011 Lorca earthquake

This PhD dissertation presents a profound study of the vulnerability of buildings and non-structural elements stemming from the investigation of the Mw 5.2 Lorca 2011 earthquake; which constitutes one of the most significant earthquakes in Spain. It left nine fatalities due to falling debris from reinforced concrete buildings, 394 injured and material damage valued at 800 million euros. Within this framework, the most relevant initiatives concerning the vulnerability of buildings and the exposure of Lorca are studied. This work revealed two lines of research: the elaboration of a rational method to determine the adequacy of a specific fragility curve for the particular seismic risk study of a region; and the relevance of researching the seismic performance of non-structural elements. As a consequence, firstly, a method to assess and select fragility curves for seismic risk studies from the catalogue of those available in the literature is elaborated and calibrated by means of a case study. The said methodology is based on a multidimensional index and provides a ranking that classifies the curves in terms of adequacy. Its results for the case of Lorca led to the elaboration of new fragility curves for unreinforced masonry buildings. Moreover, a simplified method to account for the unpredictable directionality of the seism in the creation of fragility curves is contributed. Secondly, the characterisation of the seismic capacity and demand of the non-structural elements that caused most of the human losses is studied. Concerning the capacity, an analytical approach derived from theoretical considerations to characterise the complete out-of-plane seismic response curve of unreinforced masonry cantilever walls is provided; as well as a simplified and more practical trilinear version of it. Concerning the demand, several methods for characterising the Floor Response Spectra of reinforced concrete buildings are tested through case studies.