Crack measurements in structural concrete with D.I.C. system and validation of a tensile constitutive law

Compared with other mature engineering disciplines, fracture mechanics of concrete is still a developing field and very important for structures like bridges subject to dynamic loading. An historical point of view of what done in the field is provided and then the project is presented. The project presents an application of the Digital Image Correlation (DIC) technique for the detection of cracks at the surface of concrete prisms (500mmx100mmx100mm) subject to flexural loading conditions (Four Point Bending test). The technique provide displacement measurements of the region of interest and from this displacement field information about crack mouth opening (CMOD) are obtained and related to the applied load. The evolution of the fracture process is shown through graphs and graphical maps of the displacement at some step of the loading process. The study shows that it is possible with the DIC system to detect the appearance and evolution of cracks, even before the cracks become visually detectable.

Caratterizzazione meccanica di calcestruzzi fibrorinforzati con fibre d'acciaio

L’utilizzo di materiali compositi come i calcestruzzi fibrorinforzati sta diventando sempre più frequente e diffuso. Tuttavia la scelta di nuovi materiali richiede una approfondita analisi delle loro caratteristiche e dei loro comportamenti. I vantaggi forniti dall’aggiunta di fibre d’acciaio ad un materiale fragile, quale il calcestruzzo, sono legati al miglioramento della duttilità e all'aumento di assorbimento di energia. L’aggiunta di fibre permette quindi di migliorare il comportamento strutturale del composito, dando vita ad un nuovo materiale capace di lavorare non solo a compressione ma anche in piccola parte a trazione, ma soprattutto caratterizzato da una discreta duttilità ed una buona capacità plastica. Questa tesi ha avuto come fine l’analisi delle caratteristiche di questi compositi cementizi fibrorinforzati. Partendo da prove sperimentali classiche quali prove di trazione e compressione, si è arrivati alla caratterizzazione di questi materiali avvalendosi di una campagna sperimentale basata sull’applicazione della norma UNI 11039/2003. L’obiettivo principale di questo lavoro consiste nell’analizzare e nel confrontare calcestruzzi rinforzati con fibre di due diverse lunghezze e in diversi dosaggi. Studiando questi calcestruzzi si è cercato di comprendere meglio questi materiali e trovare un riscontro pratico ai comportamenti descritti in teorie ormai diffuse e consolidate. La comparazione dei risultati dei test condotti ha permesso di mettere in luce differenze tra i materiali rinforzati con l’aggiunta di fibre corte rispetto a quelli con fibre lunghe, ma ha anche permesso di mostrare e sottolineare le analogie che caratterizzano questi materiali fibrorinforzati. Sono stati affrontati inoltre gli aspetti legati alle fasi della costituzione di questi materiali sia da un punto di vista teorico sia da un punto di vista pratico. Infine è stato sviluppato un modello analitico basato sulla definizione di specifici diagrammi tensione-deformazione; i risultati di questo modello sono quindi stati confrontati con i dati sperimentali ottenuti in laboratorio.

Analisi della rugosità della superficie di rottura di materiali policristallini. An analysis on crack surface roughness in polycrystals

La tesi tratta l'analisi della rugosità della superficie di frattura di un materiale policristallino portato a rottura secondo il modo I. Il continuo viene discretizzato con la tassellazione di Voronoi e la duale triangolazione di Delaunay, da cui si ottiene un traliccio equivalente ovvero il modello del problema. Viene poi effettuata un'analisi elastica incrementale che porta, ad ogni passo, al raggiungimento della soglia di rottura per un elemento del traliccio, delineando così il profilo di rottura. La rugosità del profilo di rottura viene stimata attraverso il calcolo dell'esponente di Hurst, ottenuto dallo studio della funzione di correlazione delle altezze.

Influence of microstructure variability on short crack growth behavior

Fatigue life in metals is predicted utilizing regression analysis of large sets of experimental data, thus representing the material’s macroscopic response. Furthermore, a high variability in the short crack growth (SCG) rate has been observed in polycrystalline materials, in which the evolution and distributionof local plasticity is strongly influenced by the microstructure features. The present work serves to (a) identify the relationship between the crack driving force based on the local microstructure in the proximity of the crack-tip and (b) defines the correlation between scatter observed in the SCG rates to variability in the microstructure. A crystal plasticity model based on the fast Fourier transform formulation of the elasto-viscoplastic problem (CP-EVP-FFT) is used, since the ability to account for the both elastic and plastic regime is critical in fatigue. Fatigue is governed by slip irreversibility, resulting in crack growth, which starts to occur during local elasto-plastic transition. To investigate the effects of microstructure variability on the SCG rate, sets of different microstructure realizations are constructed, in which cracks of different length are introduced to mimic quasi-static SCG in engineering alloys. From these results, the behavior of the characteristic variables of different length scale are analyzed: (i) Von Mises stress fields (ii) resolved shear stress/strain in the pertinent slip systems, and (iii) slip accumulation/irreversibilities. Through fatigue indicator parameters (FIP), scatter within the SCG rates is related to variability in the microstructural features; the results demonstrate that this relationship between microstructure variability and uncertainty in fatigue behavior is critical for accurate fatigue life prediction.

Laser shock peening treatment to control and moderate fatigue crack growth in aircraft structure based on residual stress engineering approach

Laser Shock Peening (LSP) is a surface enhancement treatment which induces a significant layer of beneficial compressive residual stresses of up to several mm underneath the surface of metal components in order to improve the detrimental effects of the crack growth behavior rate in it. The aim of this thesis is to predict the crack growth behavior in metallic specimens with one or more stripes which define the compressive residual stress area induced by the Laser Shock Peening treatment. The process was applied as crack retardation stripes perpendicular to the crack propagation direction with the object of slowing down the crack when approaching the peened stripes. The finite element method has been applied to simulate the redistribution of stresses in a cracked model when it is subjected to a tension load and to a compressive residual stress field, and to evaluate the Stress Intensity Factor (SIF) in this condition. Finally, the Afgrow software is used to predict the crack growth behavior of the component following the Laser Shock Peening treatment and to detect the improvement in the fatigue life comparing it to the baseline specimen. An educational internship at the “Research & Technologies Germany – Hamburg” department of AIRBUS helped to achieve knowledge and experience to write this thesis. The main tasks of the thesis are the following: •To up to date Literature Survey related to “Laser Shock Peening in Metallic Structures” •To validate the FE model developed against experimental measurements at coupon level •To develop design of crack growth slowdown in Centered Cracked Tension specimens based on residual stress engineering approach using laser peened strip transversal to the crack path •To evaluate the Stress Intensity Factor values for Centered Cracked Tension specimens after the Laser Shock Peening treatment via Finite Element Analysis •To predict the crack growth behavior in Centered Cracked Tension specimens using as input the SIF values evaluated with the FE simulations •To validate the results by means of experimental tests

Interaction between axial force, shear and bending moment in reinforced concrete elements

Il collasso di diverse colonne, caratterizzate da danneggiamenti simili, quali ampie fessure fortemente inclinate ad entrambe le estremità dell’elemento, lo schiacciamento del calcestruzzo e l’instabilità dei ferri longitudinali, ha portato ad interrogarsi riguardo gli effetti dell’interazione tra lo sforzo normale, il taglio ed il momento flettente. Lo studio è iniziato con una ricerca bibliografica che ha evidenziato una sostanziale carenza nella trattazione dell’argomento. Il problema è stato approcciato attraverso una ricerca di formule della scienza delle costruzioni, allo scopo di mettere in relazione lo sforzo assiale, il taglio ed il momento; la ricerca si è principalmente concentrata sulla teoria di Mohr. In un primo momento è stata considerata l’interazione tra solo due componenti di sollecitazione: sforzo assiale e taglio. L’analisi ha condotto alla costruzione di un dominio elastico di taglio e sforzo assiale che, confrontato con il dominio della Modified Compression Field Theory, trovata tramite ricerca bibliografica, ha permesso di concludere che i risultati sono assolutamente paragonabili. L’analisi si è poi orientata verso l’interazione tra sforzo assiale, taglio e momento flettente. Imponendo due criteri di rottura, il raggiungimento della resistenza a trazione ed a compressione del calcestruzzo, inserendo le componenti di sollecitazione tramite le formule di Navier e Jourawsky, sono state definite due formule che mettono in relazione le tre azioni e che, implementate nel software Matlab, hanno permesso la costruzione di un dominio tridimensionale. In questo caso non è stato possibile confrontare i risultati, non avendo la ricerca bibliografica mostrato niente di paragonabile. Lo studio si è poi concentrato sullo sviluppo di una procedura che tenta di analizzare il comportamento di una sezione sottoposta a sforzo normale, taglio e momento: è stato sviluppato un modello a fibre della sezione nel tentativo di condurre un calcolo non lineare, corrispondente ad una sequenza di analisi lineari. La procedura è stata applicata a casi reali di crollo, confermando l’avvenimento dei collassi.

In-situ detection of defect formation in organic flexible electronics by Kelvin Probe Force Microscopy

Organic semiconductor technology has attracted considerable research interest in view of its great promise for large area, lightweight, and flexible electronics applications. Owing to their advantages in processing and unique physical properties, organic semiconductors can bring exciting new opportunities for broad-impact applications requiring large area coverage, mechanical flexibility, low-temperature processing, and low cost. In order to achieve highly flexible device architecture it is crucial to understand on a microscopic scale how mechanical deformation affects the electrical performance of organic thin film devices. Towards this aim, I established in this thesis the experimental technique of Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) as a tool to investigate the morphology and the surface potential of organic semiconducting thin films under mechanical strain. KPFM has been employed to investigate the strain response of two different Organic Thin Film Transistor with active layer made by 6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)-pentacene (TIPS-Pentacene), and Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT). The results show that this technique allows to investigate on a microscopic scale failure of flexible TFT with this kind of materials during bending. I find that the abrupt reduction of TIPS-pentacene device performance at critical bending radii is related to the formation of nano-cracks in the microcrystal morphology, easily identified due to the abrupt variation in surface potential caused by local increase in resistance. Numerical simulation of the bending mechanics of the transistor structure further identifies the mechanical strain exerted on the TIPS-pentacene micro-crystals as the fundamental origin of fracture. Instead for P3HT based transistors no significant reduction in electrical performance is observed during bending. This finding is attributed to the amorphous nature of the polymer giving rise to an elastic response without the occurrence of crack formation.