Debonding and crack propagation in cracked steel beams strengthened with CFRP and subjected to cyclic loads.

The reinforcement methods used to restore or increase the bearing capacity of metal structures are based on the application of steel plates to be bolted or welded to the original structure, which can cause problems to the integrity of the original structure. These difficulties can be overcome with the introduction of fiber-reinforced composite materials. FRPs are characterized by high strength to weight ratio, and they are very resistant to corrosion. In this dissertation a cracked steel I-beam reinforced with Carbon Fiber-Reinforced Polymer will be studied by performing a numerical evaluation of the structure with the commercial Finite Element Method software ABAQUS. The crack propagation will be computed using XFEM, while the debonding of the reinforcement layer will be found by considering a cohesive contact interface between the beam and the CFRP plate. The results will show the efficiency of the strengthening method in increasing the load carrying capacity of the cracked beam, and in reducing the crack opening of the initial notch.

BIM-FEM model interoperability for the design of a prestressed concrete bridge deck

In questa tesi ho analizzato il passaggio dall'ambiente BIM a quello FEM di un impalcato da ponte a travata precompressa, identificando criteri e applicando una metodologia che hanno consentito lo sviluppo di un modello FEM utilizzabile per l'analisi strutturale. Nella tesi si descrive l'opera e il suo dimensionamento, con l'analisi statica e le verifiche strutturali eseguite sia a mano sia sul modello in ambiente FEM importato dall'ambiente BIM. Oltre a ciò, viene modellata l'opera nella sua interezza ed inserita in un contesto reale. La tesi discute l'interoperabilità tra i due software evidenziando vantaggi (modello geometrico di partenza in ambiente FEM, trasferimento di informazioni inserite in ambiente BIM, riduzione dei tempi di modellazione e inserimento proprietà dei materiali e caratteristiche degli oggetti, inserimento armature di precompressione) e criticità (implementazione manuale di alcuni elementi nel modello geometrico, perdita di alcune informazioni, definizione di alcuni parametri, limitata interoperabilità FEM-BIM) della metodologia applicata.

Studio e ottimizzazione del riciclo di CFRP tramite processo di pirogassificazione

I compositi rinforzati con fibre di carbonio (CFRC) stanno sempre più sostituendo i materiali convenzionali in applicazioni che necessitano di alte prestazioni meccaniche, grazie alla loro leggerezza e alle eccellenti proprietà meccaniche. Dato l'enorme incremento della loro produzione e delle loro applicazioni, uno dei principali problemi risiede nel loro smaltimento, sia a fine vita che degli scarti e sfridi di lavorazione. Inoltre, la produzione di fibre di carbonio (CF) necessita di un elevato fabbisogno energetico (183-286 MJ/kg), pertanto la possibilità di recupero dei compositi in ottica di riutilizzo delle CF sembra essere un'opzione promettente in termini di sostenibilità ed economia circolare. Nell’ottica di identificare una metodologia per recuperare e riciclare questi materiali, il lavoro della presente tesi di laurea sperimentale, svolto in collaborazione con Leonardo SpA, è stato quello di studiare e ottimizzare il processo di pirogassificazione su CRFP aeronautici.

CFRP modificati con membrane elettrofilate per il self-healing: ottimizzazione delle condizioni di cura e test di delaminazione

I compositi a matrice polimerica rinforzati con fibre di carbonio (Carbon fiber reinforced polymers, CFRP) posseggono proprietà meccaniche uniche rispetto ai materiali convenzionali, ed un peso decisamente inferiore. Queste caratteristiche, negli ultimi decenni, hanno determinato un crescente interesse nei confronti dei CFRP che ha portato a numerose applicazioni in settori come l’industria aerospaziale e l’automotive. Le sollecitazioni cui i CFRP laminati sono soggetti durante la vita d’uso possono causare fenomeni di delaminazione che, portando ad una drastica riduzione delle proprietà meccaniche del materiale, ne compromettono l’integrità strutturale. Nel presente lavoro di tesi, sono state integrate in laminati CFRP membrane elettrofilate da blend polimeriche con capacità di self-healing. Le migliori condizioni da applicare in fase di cura del composito sono state approfonditamente investigate mediante analisi termica (DSC). Per verificare la capacità di autoriparazione dei laminati modificati, è stata valutata la tenacità a frattura interlaminare in Modo I e Modo II prima e dopo il trattamento di attivazione del self-healing.

Sul rinforzo di elementi in C.A.: confronto tra varie normative

Il documento pre-normativo italiano sul rinforzo di strutture in c.a. mediante l’uso di materiale fibrorinforzato. 1.1 INTRODUZIONE La situazione unica dell’Italia per quanto riguarda la conservazione delle costruzioni esistenti, è il risultato della combinazione di due aspetti, come primo, il medio-alto rischio sismico di una gran parte di territorio, come testimoniato dalla zonizzazione sismica recente, e come secondo aspetto, l'estrema complessità di un ambiente edilizio che non ha confronto nel mondo. Le tipologie della costruzione in Italia si distinguono a quelle stimate come patrimonio storico, che in alcuni casi risalgono a circa 2000 anni fa, a quelle che sono state costruite in ultimi cinque secoli, durante e dopo il Rinascimento, che sono considerate come patrimonio culturale ed architettonico dell' Italia (e del mondo!), infine a quelle fatte in tempi recenti, considerevolmente durante e dopo il boom economico del l960 ed ora visti come antiquate. Le due prime categorie in gran parte sono composte dalle edilizie di muratura, mentre agli ultimi principalmente appartengono le costruzioni di cemento armato.

Experimental study on Carbon FRP-confined elliptical concrete columns

It is well recognized that the technique of strengthening reinforced concrete (RC) using fiber-reinforced polymer (FRP) jackets is more effective for circular sections, but less effective for rectangular sections. Indeed the presence of angular corners does not permit a uniform confinement to be provided by the FRP jackets to the columns. While rounded corners can enhance the effectiveness of FRP confinement, it will be more efficient to modify the rectangular section into an elliptical section. In addition to the better confinement effectiveness, from an aesthetical point of view, the shape modification would be a surprise to the built environment. This paper presents an experimental study on the behavior of FRP-confined concrete columns with elliptical section. Thirty-two short columns, divided in eight batches, were tested under axial compression. Each batch presents four specimens with different elliptical sections, determined by the aspect ratio a/b, that is the ratio between the minor and mayor axis. By varying this value from 1.0 to 2.0 (1.0, 1.3., 1.7, 2.0), the section becomes more and more elliptical starting from a circular shape. In this way it is possible to study the trend of effectiveness of FRP confinement for different section geometries. It is also interesting to study how the confinement effectiveness may vary by changing the cylinder strength of concrete and the number of the layers of CFRP. For this reason, a cylinder strength of concrete of 25 and 45 MPa have been used for the present research work, and half of the specimens were wrapped by one layer of CFRP, while the remaining specimens were wrapped with two layers. A simple analysis of the results has been carried out for evaluating the experimental work described in the present document. Further studies and analysis on this work should help to achieve a new and more accurate stress-strain model for CFRP-confined concrete columns with an elliptical section.

Pushover analysis of an existing reinforced concrete bridge:Jamboree Road Overcrossing in Irvine, California

The work for the present thesis started in California, during my semester as an exchange student overseas. California is known worldwide for its seismicity and its effort in the earthquake engineering research field. For this reason, I immediately found interesting the Structural Dynamics Professor, Maria Q. Feng's proposal, to work on a pushover analysis of the existing Jamboree Road Overcrossing bridge. Concrete is a popular building material in California, and for the most part, it serves its functions well. However, concrete is inherently brittle and performs poorly during earthquakes if not reinforced properly. The San Fernando Earthquake of 1971 dramatically demonstrated this characteristic. Shortly thereafter, code writers revised the design provisions for new concrete buildings so to provide adequate ductility to resist strong ground shaking. There remain, nonetheless, millions of square feet of non-ductile concrete buildings in California. The purpose of this work is to perform a Pushover Analysis and compare the results with those of a Nonlinear Time-History Analysis of an existing bridge, located in Southern California. The analyses have been executed through the software OpenSees, the Open System for Earthquake Engineering Simulation. The bridge Jamboree Road Overcrossing is classified as a Standard Ordinary Bridge. In fact, the JRO is a typical three-span continuous cast-in-place prestressed post-tension box-girder. The total length of the bridge is 366 ft., and the height of the two bents are respectively 26,41 ft. and 28,41 ft.. Both the Pushover Analysis and the Nonlinear Time-History Analysis require the use of a model that takes into account for the nonlinearities of the system. In fact, in order to execute nonlinear analyses of highway bridges it is essential to incorporate an accurate model of the material behavior. It has been observed that, after the occurrence of destructive earthquakes, one of the most damaged elements on highway bridges is a column. To evaluate the performance of bridge columns during seismic events an adequate model of the column must be incorporated. Part of the work of the present thesis is, in fact, dedicated to the modeling of bents. Different types of nonlinear element have been studied and modeled, with emphasis on the plasticity zone length determination and location. Furthermore, different models for concrete and steel materials have been considered, and the selection of the parameters that define the constitutive laws of the different materials have been accurate. The work is structured into four chapters, to follow a brief overview of the content. The first chapter introduces the concepts related to capacity design, as the actual philosophy of seismic design. Furthermore, nonlinear analyses both static, pushover, and dynamic, time-history, are presented. The final paragraph concludes with a short description on how to determine the seismic demand at a specific site, according to the latest design criteria in California. The second chapter deals with the formulation of force-based finite elements and the issues regarding the objectivity of the response in nonlinear field. Both concentrated and distributed plasticity elements are discussed into detail. The third chapter presents the existing structure, the software used OpenSees, and the modeling assumptions and issues. The creation of the nonlinear model represents a central part in this work. Nonlinear material constitutive laws, for concrete and reinforcing steel, are discussed into detail; as well as the different scenarios employed in the columns modeling. Finally, the results of the pushover analysis are presented in chapter four. Capacity curves are examined for the different model scenarios used, and failure modes of concrete and steel are discussed. Capacity curve is converted into capacity spectrum and intersected with the design spectrum. In the last paragraph, the results of nonlinear time-history analyses are compared to those of pushover analysis.

Analisi e simulazione FEM del processo di infusione sottovuoto "VARI" di una passerella nautica

Tesi svolta presso l'azienda “Riba composites S.r.l.” con lo scopo di riprogettare una passerella nautica utilizzata in imbarcazioni a vela da competizione, attualmente realizzata mediante formatura in autoclave di tessuti pre-impregnati, per il processo produttivo di Vacuum Assisted Resin Injection (VARI). La formatura in autoclave di tessuti pre-­impregnati è una delle tecnologie più onerose, tra i vari processi produttivi nel settore dei materiali compositi, ma assicura proprietà meccaniche e livelli estetici superlativi. L’obiettivo della Riba Composites è ridurre i costi di produzione per offrire un prodotto dalle proprietà analoghe a un prezzo più competitivo. Nella fase di riprogettazione ci siamo affidati a un software di calcolo agli elementi finiti che simula il processo del VARI, l’applicativo PAM-­RTM, del gruppo ESI. Al fine di ottenere una simulazione quanto più precisa possibile del processo, abbiamo realizzato molteplici prove sperimentali per ricavare i valori di compressibilità e permeabilità dei rinforzi da inserire nel software FEM.

Simulazione numerica di giunzioni incollate in materiali compositi : valutazione degli effetti di bordo

Sviluppo di uno studio numerico, tramite metodo agli elementi finiti (FEM), sull'effetto di bordo in giunti incollati a sovrapposizione semplice (unsupported single-lap joints). E’ stata implementata l’analisi numerica di provini standard da normativa relativa a test sperimentali, per giunzioni tra lamine metalliche e tra materiali compositi in fibre di carbonio/matrice epossidica (CFRP). E’ stato cercata la geometria del bordo dello strato adesivo che potrebbe garantire una maggiore resistenza del giunto.

Valutazione analitica delle aree di delaminazione in materiali compositi avanzati soggetti ad impatti a bassa velocità

In questo lavoro di tesi è stato elaborato un modello analitico al fine di ottenere una stima dell’ampiezza di delaminazione a seguito di impatti a bassa velocità in laminati in composito, in particolare carbon/epoxy. Nel capitolo 2 è descritto il comportamento meccanico di tali laminati (equazioni costitutive della singola lamina, dell’intero laminato e costanti ingegneristiche dell’intero laminato per qualsiasi sistema di riferimento). Nel capitolo 3 viene descritta la filosofia di progettazione damage tolerance per tali materiali sottoposti a low-velocity impact (LVI) e richiamato il concetto di structural health monitoring. In particolare vengono descritti i tipi di difetti per un laminato in composito, vengono classificati gli impatti trasversali e si rivolge particolare attenzione agli impatti a bassa velocità. Nel paragrafo 3.4 sono invece elencate diverse tecniche di ispezione, distruttive e non, con particolare attenzione alla loro applicazione ai laminati in composito. Nel capitolo 4 è riportato lo stato dell’arte per la stima e la predizione dei danni dovuti a LVI nei laminati: vengono mostrate alcune tecniche che permettono di stimare accuratamente l’inizio del danno, la profondità dell’indentazione, la rottura delle fibre di rinforzo e la forza massima di impatto. L’estensione della delaminazione invece, è difficile da stimare a causa dei numerosi fattori che influenzano la risposta agli impatti: spesso vengono utilizzati, per tale stima, modelli numerici piuttosto dispendiosi in termini di tempo e di calcolo computazionale. Nel capitolo 5 viene quindi mostrata una prima formula analitica per il calcolo della delaminazione, risultata però inaffidabile perché tiene conto di un numero decisamente ristretto di fattori che influenzano il comportamento agli LVI. Nel capitolo 6 è mostrato un secondo metodo analitico in grado di calcolare l’ampiezza di delaminazione mediante un continuo aggiornamento della deflessione del laminato. Dal confronto con numerose prove sperimentali, sembra che il modello fornisca risultati vicini al comportamento reale. Il modello è inoltre fortemente sensibile al valore della G_IIc relativa alla resina, alle dimensioni del laminato e alle condizioni di vincolo. É invece poco sensibile alle variazioni delle costanti ingegneristiche e alla sequenza delle lamine che costituiscono il laminato. La differenza tra i risultati sperimentali e i risultati del modello analitico è influenzata da molteplici fattori, tra cui il più significativo sembra essere il valore della rigidezza flessionale, assunto costante dal modello.

Simulazione numerica di incollaggi single-strap joint

Nel presente lavoro sono esposti i comportamenti e le caratteristiche principali dei giunti incollati. Il metodo agli elementi finiti è stato studiato in modo da realizzare un modello accurato di un sistema fisico. L’analisi agli elementi finiti è stata utilizzata per effettuare una simulazione numerica di un single-strap joint in alluminio e in CFRP sotto un carico di trazione assiale. L’effetto di una modifica della distanza tra le lastre è stato studiato e i risultati confrontati.

Simulazione numerica di incollaggi double-strap joint

Esposizione di comportamenti e caratteristiche principali dei giunti incollati. Il metodo agli elementi finiti è stato studiato in modo da realizzare un modello accurato di un sistema fisico. L’analisi agli elementi finiti è stata utilizzata per effettuare una simulazione numerica di un double-strap joint in alluminio e in CFRP sotto un carico di trazione assiale. L’effetto di una modifica della distanza tra le lastre è stato studiato e i risultati confrontati.

Indagine teorica e sperimentale sull'aderenza di barre in frp nel calcestruzzo

L’aderenza tra barre fibrorinforzate e calcestruzzo è una chiave fondamentale per comprendere al meglio l’azione composita di strutture rinforzate o armate in FRP. Deve essere mobilitata una certa aderenza tra la barra e calcestruzzo per trasferire gli sforzi da un corpo all’altro. Poiché il materiale composito è anisotropo, in direzione longitudinale le proprietà meccaniche sono governate da quelle delle fibre, mentre in direzione trasversale dalla resina. La matrice presenta in genere resistenze più basse di quella a compressione del calcestruzzo, cosicché il meccanismo di aderenza risulta diverso da quello sviluppato dalle tradizionali barre in acciaio. In questa tesi viene sviluppata appunto un’indagine sperimentale sul fenomeno dell’aderenza di barre in acciaio e barre in CFRP (fibra di carbonio) nel calcestruzzo, cercando di capire come cambia il fenomeno al variare dei parametri da cui dipende principalmente l’aderenza, come ad esempio la resistenza caratteristica a compressione del calcestruzzo, il diametro e la deformazione superficiale della barra e la posizione di questa nel provino di calcestruzzo. Sono state quindi realizzate delle prove di pull-out, ovvero delle prove di estrazione di barre da provini di calcestruzzo, per determinare le tensioni tangenziali d’aderenza in funzione dello scorrimento locale della barra (local bond-slip). Infine sono stati calibrati, sui risultati delle prove sperimentali, i tre modelli analitici più noti in letteratura che descrivono il fenomeno dell’aderenza delle barre in FRP nel calcestruzzo, ovvero quello di Malvar (1994), il CMR Model (1995) e il Modified BPE Model (1996).

Valutazione del comportamento di materiali compositi sottoposti ad impatti "near-edge"

I materiali compositi sono largamente utilizzati nel moderno campo ingegneristico e garantiscono una notevole riduzione di peso rispetto ai materiali classici, a parità di caratteristiche meccaniche. Le conoscenze su di essi tuttavia presentano ancora delle lacune: in particolare un aspetto critico di tali materiali è rappresentato dal loro comportamento successivo ad un impatto. Obiettivo della presente tesi è indagare tale problematica mediante la realizzazione di una campagna sperimentale innovativa. Verrà presentata una introduzione generale sui materiali compositi e sulla problematica dei danni da impatto e verrà descritta l'attrezzatura utilizzata per la realizzazione degli impatti, analizzando le problematiche riscontrate e le soluzioni trovate. Dopo un accenno ai Controlli Non Distruttivi effettuabili sui materiali compositi, verrà mostrata l'attrezzatura per la realizzazione di prove a compressione, analizzando le problematiche riscontrate e le soluzioni trovate. Saranno elencati i dati acquisiti durante le prove di impatto e di compressione e, infine, saranno illustrate le conclusioni del lavoro e i possibili sviluppi futuri.