Design and fluid dynamic analysis of a custom drip chamber in a medical disposable device

Negli ultimi anni, parallelamente allo sviluppo di calcolatori elettronici sempre più performanti, la fluidodinamica computazionale è diventata uno strumento di notevole utilità nell’analisi dei flussi e nello sviluppo di dispositivi medici. Quando impiegate nello studio di flussi di fluidi fisiologici, come il sangue, il vantaggio principale delle analisi CFD è che permettono di caratterizzare il comportamento fluidodinamico senza dover eseguire test in-vivo/in-vitro, consentendo quindi notevoli vantaggi in termini di tempo, denaro e rischio derivante da applicazioni mediche. Inoltre, simulazioni CFD offrono una precisa e dettagliata descrizione di ogni parametro di interesse permettendo, già in fase di progettazione, di prevedere quali modifiche al layout garantiranno maggiori vantaggi in termini di funzionalità. Il presente lavoro di tesi si è posto l’obiettivo di valutare, tramite simulazioni CFD, le performances fluidodinamiche del comparto sangue “camera venosa” di un dispositivo medico monouso Bellco impiegato nella realizzazione di trattamenti di emodialisi. Dopo una panoramica del contesto, è presentata una breve descrizione della disfunzione renale e dei trattamenti sostitutivi. Notevole impegno è stato in seguito rivolto allo studio della letteratura scientifica in modo da definire un modello reologico per il fluido non-Newtoniano preso in considerazione e determinarne i parametri caratteristici. Il terzo capitolo presenta lo stato dell’arte delle apparecchiature Bellco, rivolgendosi con particolare attenzione al componente “cassette” del dispositivo monouso. L’analisi fluidodinamica del compartimento “camera venosa” della cassette, che sarà presa in considerazione nei capitoli quinto e sesto, si inserisce nell’ambito della riprogettazione del dispositivo attualmente in commercio: il quarto capitolo si incentra sul suo nuovo design, ponendo specifico interesse sul layout della camera venosa di nuova generazione. Per lo studio dei flussi che si sviluppano internamente ad essa ci si è avvalsi del modulo CFD del software COMSOL multiphysics® (versione 5.0); la definizione del modello implementato e della tipologia di studio effettuato sono presi in considerazione nel quinto capitolo. Le problematiche di maggior impatto nella realizzazione di un trattamento di emodialisi sono l’emolisi e la coagulazione del sangue. Nell'evenienza che si verifichino massivamente occorre infatti interrompere il trattamento con notevoli disagi per il paziente, per questo devono essere evitate. Nel sesto capitolo i risultati ottenuti sono stati esaminati rivolgendo particolare attenzione alla verifica dell’assenza di fenomeni che possano portare alle problematiche suddette.

Fluid dynamic analysis of trees influence in dispersion of pollutant in urban street canyon

degli elementi vegetali nella dinamica e nella dispersione degli inquinanti nello street canyon urbano. In particolare, è stato analizzata la risposta fluidodinamica di cespugli con altezze diverse e di alberi con porosità e altezza del tronco varianti. Il modello analizzato consiste in due edifici di altezza e larghezza pari ad H e lunghezza di 10H, tra i quali corre una strada in cui sono stati modellizati una sorgente rappresentativa del traffico veicolare e, ai lati, due linee di componenti vegetali. Le simulazioni sono state fatte con ANSYS Fluent, un software di "Computational Fluid Dynamics"(CFD) che ha permesso di modellizare la dinamica dei flussi e di simulare le concentrazioni emesse dalla sorgente di CO posta lungo la strada. Per la simulazione è stato impiegato un modello RANS a chiusura k-epsilon, che permette di parametrizzare i momenti secondi nell'equazione di Navier Stokes per permettere una loro più facile risoluzione. I risultati sono stati espressi in termini di profili di velocità e concentrazione molare di CO, unitamente al calcolo della exchange velocity per quantificare gli scambi tra lo street canyon e l'esterno. Per quanto riguarda l'influenza dell'altezza dei tronchi è stata riscontrata una tendenza non lineare tra di essi e la exchange velocity. Analizzando invece la altezza dei cespugli è stato visto che all'aumentare della loro altezza esiste una relazione univoca con l'abbassamento della exchange velocity. Infine, andando a variare la permeabilità delle chiome degli alberi è stata trovatta una variazione non monotonica che correla la exchange velocity con il parametro C_2, che è stata interpretata attraverso i diversi andamenti dei profili sopravento e sottovento. In conclusione, allo stadio attuale della ricerca presentata in questa tesi, non è ancora possibile correlare direttamente la exchange velocity con alcun parametro analizzato.

Experimental analysis of the aerodynamic and mixing performance of a ventilation device

Numerous types of acute respiratory failure are routinely treated using non-invasive ventilatory support (NIV). Its efficacy is well documented: NIV lowers intubation and death rates in various respiratory disorders. It can be delivered by means of face masks or head helmets. Currently the scientific community’s interest about NIV helmets is mostly focused on optimising the mixing between CO2 and clean air and on improving patient comfort. To this end, fluid dynamic analysis plays a particularly important role and a two- pronged approach is frequently employed. While on one hand numerical simulations provide information about the entire flow field and different geometries, they exhibit require huge temporal and computational resources. Experiments on the other hand help to validate simulations and provide results with a much smaller time investment and thus remain at the core of research in fluid dynamics. The aim of this thesis work was to develop a flow bench and to utilise it for the analysis of NIV helmets. A flow test bench and an instrumented mannequin were successfully designed, produced and put into use. Experiments were performed to characterise the helmet interface in terms of pressure drop and flow rate drop over different inlet flow rates and outlet pressure set points. Velocity measurements by means of Particle Image Velocimetry were performed. Pressure drop and flow rate characteristics from experiments were contrasted with CFD data and sufficient agreement was observed between both numerical and experimental results. PIV studies permitted qualitative and quantitative comparisons with numerical simulation data and offered a clear picture of the internal flow behaviour, aiding the identification of coherent flow features.

Studio e modellazione numerica della propagazione di colate detritiche in ambiente appenninico

Il presente studio ha come obiettivi l’analisi, la modellazione numerica e la caratterizzazione del rischio idrogeologico di due siti dell’Appennino bolognese interessati negli ultimi due anni da colate detritiche, Serraglio (Comune di Castiglione dei Pepoli) e Chiapporato (Comune di Camugnano). Lo studio è stato condotto in collaborazione con il Servizio Tecnico di Bacino Reno della Regione Emilia-Romagna, che ha reso disponibile la documentazione relativa ai due eventi analizzati. I predetti eventi possono esser definiti “anomali” in relazione sia alla loro collocazione – essendo il fenomeno delle colate detritiche diffuso principalmente in aree montuose caratterizzate da un’altitudine media rilevante, come l’arco alpino – sia al fatto che non sono né catalogati né ricordati a memoria d’uomo eventi, in tali località, precedenti a quelli in esame. Il rischio idrogeologico, indotto dalla possibilità non remota di nuovi eventi, è dato non dal volume o dall’area interessata dai fenomeni, ma piuttosto dall’estrema velocità caratterizzante le colate detritiche, appunto definite come manifestazioni parossistiche lungo la rete idrografica secondaria con trasporto in massa di sedimenti. L’analisi effettuata ha anche fornito l’occasione per effettuare un confronto tra due realtà, quella di Serraglio e quella di Chiapporato, accomunate dalla stessa tipologia di evento, ma differenti in relazione all’uso del suolo, alle caratteristiche geomorfologiche e alle modalità di propagazione nel corso dell’evento. L’abitato di Serraglio, sito nella frazione di Baragazza, è stato colpito da una colata detritica il 20 gennaio 2009. Da un punto di vista geologico e geomorfologico la località è sovrastata da un versante boscato notevolmente acclive, caratterizzato dall’affioramento della cosiddetta Formazione di Cervarola: tali rocce, appartenenti alla categoria delle arenarie e solitamente presenti in strati compatti, in seguito alla naturale degradazione dovuta agli agenti atmosferici hanno dato luogo ad un detrito composto da blocchi e ciottoli di varia dimensione immersi in una matrice sabbiosa. Il distacco è avvenuto proprio in questo materiale detritico, reso instabile dal notevole apporto pluviometrico verificatosi nei giorni precedenti. La colata, sviluppatasi in seguito alla fluidificazione del materiale coinvolto in uno scivolamento di detrito di ridotta volumetria, si è incanalata in uno dei rii effimeri che drenano il versante con traiettorie tra loro pseudo parallele. Il debris flow, accelerato da un dislivello complessivo di 125 m, ha poi raggiunto due abitazioni, fortunatamente non abitate al momento dell’evento, depositando uno spessore detritico di oltre 1,5 m nella zona di transito prima di proseguire verso valle nella sua frazione più fine, incanalandosi di fatto lungo lo stradello asfaltato di accesso alle abitazioni e interessando la strada provinciale che collega Castiglione dei Pepoli all’uscita autostradale di Roncobilaccio. Da un punto di vista meteo-climatico il mese di gennaio 2009 è stato caratterizzato da precipitazioni fortemente superiori alla media, accompagnate da una ridotta insolazione. La continua oscillazione dello zero termico tra 0 e 900 m ha dato luogo alla formazione di uno spessore nivale al suolo di circa 20 cm tre giorni prima dell’evento e poi al suo rapido scioglimento contestualmente all’aumento termico, dato dalla risalita di aria calda umida di origine africana, accompagnata da quella perturbazione che ha poi di fatto innescato il fenomeno. Nelle 48 ore precedenti l’evento sono stati registrati apporti nivo-pluviometrici corrispondenti ad oltre 130 mm, che hanno causato la completa saturazione del detrito superficiale, l’innesco dello scivolamento di detrito e la sua successiva fluidificazione. Il distacco del materiale detritico, la sua movimentazione e la notevole erosione che ha caratterizzato l’alveo del rio durante il fenomeno – quantificata mediamente in 20 cm – sono state favorite dalle mediocri condizioni di salute del castagneto che copre il versante interessato dall’evento: la totale assenza di manutenzione e l’abbandono della coltivazione “a pali” del bosco hanno inibito la naturale funzione stabilizzante del boscato, trasformatosi da fattore inibente a fattore predisponente il fenomeno. La seconda colata detritica analizzata ha invece interessato la strada comunale che collega la frazione di Stagno all’abitato di Chiapporato, splendida borgata cinquecentesca, frequentata soprattutto da turisti ed escursionisti durante la stagione estiva. Il versante sede della colata, occorsa in data 8 novembre 2010, è caratterizzato da numerosi affioramenti della cosiddetta Formazione di Stagno, arenarie intervallate da strati marnoso-pelitici. Tale litotipo, soggetto alla naturale degradazione indotta dagli agenti atmosferici, origina un detrito composto da massi e ciottoli, raccoltisi, nell’area in esame, in un canalone posto ai piedi di una scarpata pseudo verticale delimitante il pianoro di “Val di Sasso”. Tale materiale detritico è stato poi fluidificato dalle abbondanti piogge, depositando, dopo oltre 320 metri di dislivello, circa un metro di detrito sul piano stradale per poi proseguire la sua corsa verso il Torrente Limentra e il Bacino di Suviana. L’evento è stato innescato da precipitazioni intense e persistenti che hanno depositato al suolo oltre 69 mm di pioggia in 25 ore. Nel mese precedente il fenomeno sono stati misurati oltre 530 mm di pioggia, quantitativi superiori alla media climatologica, che hanno sicuramente accelerato anche la degradazione della scarpata e l’accumulo di detriti nell’area sorgente. Le colate sopra descritte sono state poi simulate utilizzando il modello DAN-W (Dynamic ANalysis) del prof. Oldrich Hungr della University of British Columbia (Canada). Tale modello si basa su una discretizzazione della massa movimentata tramite il metodo degli “elementi di contorno” e sulla soluzione alle differenze finite di tipo Lagrangiano dell’equazione di De Saint Venant. L’equazione del moto, integrata verticalmente, è applicata a colonne strette di flusso (elementi di contorno). L’equazione di continuità è invece risolta riferendosi agli elementi di massa delimitati dai predetti elementi di contorno. Il numero di incognite principali eguaglia il numero di equazioni disponibili ed il problema è quindi completamente determinato. Gli altri parametri caratterizzanti la colata sono determinati tramite interpolazioni basate sull’ipotesi che sia la superficie del flusso sia quella della traiettoria siano ragionevolmente lisce. La soluzione è esplicita ed avviene per step temporali successivi. Al fine della determinazione dei parametri l’utilizzatore ha la possibilità di scegliere tra vari modelli reologici, quantificanti il termine di resistenza caratterizzante il moto. Su indicazione dell’autore del modello sono stati utilizzati il modello frizionale e quello di Voellmy, che, in casi simili, forniscono risultati più realistici (in relazione alla modellizzazione di colate di detrito). I parametri utilizzati per la calibrazione sono lo spessore di detrito depositato sul piano stradale, nel caso di Chiapporato, e a tergo della prima abitazione investita dalla colata nel caso di Serraglio, unitamente alla massima distanza raggiunta dai detriti. I risultati ottenuti utilizzando il modello reologico frizionale mostrano profili di velocità scarsamente rappresentativi, con una costante sovrastima della stessa, a fronte di una migliore capacità descrittiva degli spessori accumulatisi. Il modello di Voellmy ha invece prodotto andamenti di velocità più realistici, confrontabili con i valori forniti dalla letteratura internazionale, riuscendo al contempo a quantificare con precisione l’accumulo di detrito rilevato a seguito degli eventi. I valori dei parametri utilizzati nella modellazione sono stati ricavati dalle indicazioni dell’autore del modello affiancate dai range resi disponibili dalla letteratura. Entrambe le caratterizzazioni reologiche sono poi state oggetto di un’analisi di sensitività ai fini di quantificare il peso dei parametri utilizzati. Il modello frizionale si è rivelato particolarmente sensibile all’andamento del coefficiente di attrito basale e al coefficiente di pressione dei pori, con un lieve preponderanza del primo, mentre il modello reologico di Voellmy si è mostrato fortemente influenzato dal coefficiente di turbolenza e dal coefficiente di attrito, pressoché paritari nell’effettivo condizionamento dei risultati. Gli output ottenuti simulando l’evento di Serraglio sono risultati generalmente meno realistici di quelli ricavati nel caso di Chiapporato: ciò è probabilmente dovuto alle caratteristiche reologiche proprie del fenomeno occorso a Serraglio, classificabile come un ibrido tra un mud flow e un debris flow. Sono state infine avanzate proposte di intervento e di monitoraggio dei siti indagati, al fine di una mitigazione del rischio idrogeologico gravante sulle aree esaminate. Il caso di Serraglio presenta, a parere dello scrivente, un rischio idrogeologico più elevato, se paragonato a quello presente a Chiapporato, dati la vicinanza ad un centro abitato e lo status quo caratterizzante il versante sede del dissesto. Nei circa 18 mesi trascorsi dopo l’evento è stato possibile rilevare un progressivo ampliamento della nicchia di distacco dello scivolamento, poi evolutosi in colata con andamento tipicamente retrogressivo. Lo stato della vegetazione permane in condizioni problematiche, con frequenti ribaltamenti e sradicamenti (processi noti in letteratura come chablis) dei castagni presenti, con un conseguente aumento dell’erosione superficiale del versante e l’apporto detritico all’interno del rio. Tale detrito è poi trattenuto all’interno dell’alveo da una serie di briglie naturali formatesi a seguito della caduta di varie piante all’interno del canale stesso a causa del passaggio del debris flow o a fenomeni di chablis. La forte sovraescavazione occorsa in occasione della colata ha poi favorito l’innesco di una serie di piccoli scivolamenti superficiali confluenti nel rio stesso, anch’essi apportatori di detrito, ingrediente principale per un nuovo debris flow. È inoltre da notare come la zona di runout è tuttora parzialmente occupata dal detrito depositatosi a seguito dell’evento: tale configurazione, causando di fatto una riduzione della potenziale area di “sfogo” di un nuovo debris flow, acuisce il rischio di un’estensione areale verso valle degli effetti di un nuovo fenomeno, con un conseguente possibile maggior coinvolgimento dell’abitato di Serraglio. È stato quindi proposto di attuare un’adeguata regimazione dell’area boschiva caratterizzante il versante, unitamente ad una regimazione fluviale del rio, tramite la realizzazione di briglie in legno e pietrame – essendo l’area non cantierabile – e la rimozione degli accumuli detritici in seno all’alveo stesso. La nicchia di distacco principale e le nicchie secondarie dovranno poi essere oggetto di opportuna stabilizzazione. Più a valle è stata suggerita la rimozione dell’accumulo detritico presente nell’area di runout e la realizzazione di un’adeguata opera di ricezione delle acque del rio e di eventuali nuove colate: a tal fine si è ipotizzato il ripristino dell’antico alveo, successivamente deviato e tombato per permettere l’edificazione dell’abitazione poi investita dalla colata. È stato inoltre proposto un monitoraggio attraverso l’installazione di un pluviometro, tarato con opportune soglie di allarme, dotato di datalogger e modem GPRS al fine di comunicare in tempo reale, ai tecnici incaricati e agli abitanti, un eventuale superamento della soglia di allarme. Il caso di Chiapporato è invece caratterizzato da problematiche connesse al rischio idrogeologico meno rilevanti di quelle presenti a Serraglio. Ciò è dovuto allo scarso traffico caratterizzante la strada comunale e all’assenza di altri edifici o infrastrutture potenzialmente coinvolgibili da un nuovo evento. La probabilità del verificarsi di una nuova colata è però concreta, considerata la forte erosione caratterizzante il versante: trascorsi sei mesi dall’evento, è stato possibile rilevare nell’area sorgente un accumulo medio di detrito di circa mezzo metro di spessore. Le cause del dissesto, a differenza di Serraglio, non sono in alcun modo imputabili all’azione antropica: si tratta infatti della naturale evoluzione del versante sovrastante il piano stradale. Si propone quindi la collocazione di cartelli stradali indicanti il pericolo di caduta massi e colate detritiche agli automobilisti e ai pedoni, unitamente all’installazione di un cavo a strappo posto lungo l’alveo torrentizio collegato ad un semaforo dislocato nei pressi del guado della strada comunale sul rio Casale. L’eventuale verificarsi di un nuovo evento comporterebbe la lacerazione del cavo installato e l’attivazione del semaforo – e di un eventuale allarme acustico – con conseguente inibizione del traffico stradale in occasione del transito del debris flow. Nel contesto geologico e geomorfologico dell’Appennino tosco-emiliano i debris flow rappresentano una tipologia di dissesto da frana poco diffusa, ma comunque potenzialmente presente nelle aree dove i processi di alterazione e degradazione degli ammassi rocciosi affioranti generino accumuli di detrito e in condizioni morfologiche caratterizzate da elevate pendenze dei versanti. Questo studio ha permesso di approfondire la conoscenza di questi fenomeni, che presentano una magnitudo notevolmente inferiore rispetto al contesto alpino, ma la cui interferenza con l’attività antropica acuisce notevolmente il rischio idrogeologico nelle zone interessate. Si sottolinea, inoltre, che nell’attuale contesto climatico caratterizzato da sempre più frequenti piogge brevi ed intense ed eventi cosiddetti di rain on snow, la frequenza sia temporale che spaziale di tali fenomeni di dissesto appare destinata ad aumentare, anche in aree in precedenza non interessate.

Effect of infill panels on the seismic response of a typical R.C. frame

Three structural typologies has been evaluated based on the nonlinear dynamic analysis (i.e. Newmark's methods for MDFs: average acceleration method with Modified Newton-Raphson iteration). Those structural typologies differ each other only for the infills presence and placement. In particular, with the term BARE FRAME: the model of the structure has two identical frames, arranged in parallel. This model constitutes the base for the generation of the other two typologies, through the addition of non-bearing walls. Whereas with the term INFILLED FRAME: the model is achieved by adding twelve infill panels, all placed in the same frame. Finally with the term PILOTIS: the model has been generated to represent structures where the first floor has no walls. Therefore the infills are positioned in only one frame in its three upper floors. All three models have been subjected to ten accelerograms using the software DRAIN 2000.

Dynamic networks, text analysis and Gephi: the art math

In numerosi campi scientici l'analisi di network complessi ha portato molte recenti scoperte: in questa tesi abbiamo sperimentato questo approccio sul linguaggio umano, in particolare quello scritto, dove le parole non interagiscono in modo casuale. Abbiamo quindi inizialmente presentato misure capaci di estrapolare importanti strutture topologiche dai newtork linguistici(Degree, Strength, Entropia, . . .) ed esaminato il software usato per rappresentare e visualizzare i grafi (Gephi). In seguito abbiamo analizzato le differenti proprietà statistiche di uno stesso testo in varie sue forme (shuffolato, senza stopwords e senza parole con bassa frequenza): il nostro database contiene cinque libri di cinque autori vissuti nel XIX secolo. Abbiamo infine mostrato come certe misure siano importanti per distinguere un testo reale dalle sue versioni modificate e perché la distribuzione del Degree di un testo normale e di uno shuffolato abbiano lo stesso andamento. Questi risultati potranno essere utili nella sempre più attiva analisi di fenomeni linguistici come l'autorship attribution e il riconoscimento di testi shuffolati.

Dynamic characterisation of four nine-story large-panel R.C. buildings in Bishkek (Kyrgyzstan): A comparison between experimental ambient vibration analysis and numerical finite element modeling

With the outlook of improving seismic vulnerability assessment for the city of Bishkek (Kyrgyzstan), the global dynamic behaviour of four nine-storey r.c. large-panel buildings in elastic regime is studied. The four buildings were built during the Soviet era within a serial production system. Since they all belong to the same series, they have very similar geometries both in plan and in height. Firstly, ambient vibration measurements are performed in the four buildings. The data analysis composed of discrete Fourier transform, modal analysis (frequency domain decomposition) and deconvolution interferometry, yields the modal characteristics and an estimate of the linear impulse response function for the structures of the four buildings. Then, finite element models are set up for all four buildings and the results of the numerical modal analysis are compared with the experimental ones. The numerical models are finally calibrated considering the first three global modes and their results match the experimental ones with an error of less then 20%.

Development and testing of a Fourier trasform based experimental system for Dynamic Mechanical Thermal Analysis tests

Altough nowadays DMTA is one of the most used techniques to characterize polymers thermo-mechanical behaviour, it is only effective for small amplitude oscillatory tests and limited to a single frequency analysis (linear regime). In this thesis work a Fourier transform based experimental system has proven to give hint on structural and chemical changes in specimens during large amplitude oscillatory tests exploiting multi frequency spectral analysis turning out in a more sensitive tool than classical linear approach. The test campaign has been focused on three test typologies: Strain sweep tests, Damage investigation and temperature sweep tests.

Dynamic mechanical-thermal, microstructural and mechanical analysis of ultra-light polymer-metal composites: influence of forming

A really particular and innovative metal-polymer sandwich material is Hybrix. Hybrix is a product developed and manufactured by Lamera AB, Gothenburg, Sweden. This innovative hybrid material is composed by two relatively thin metal layers if compared to the core thickness. The most used metals are aluminum and stainless steel and are separated by a core of nylon fibres oriented perpendicularly to the metal plates. The core is then completed by adhesive layers applied at the PA66-metal interface that once cured maintain the nylon fibres in position. This special material is very light and formable. Moreover Hybrix, depending on the specific metal which is used, can achieve a good corrosion resistance and it can be cut and punched easily. Hybrix architecture itself provides extremely good bending stiffness, damping properties, insulation capability, etc., which again, of course, change in magnitude depending in the metal alloy which is used, its thickness and core thickness. For these reasons nowadays it shows potential for all the applications which have the above mentioned characteristic as a requirement. Finally Hybrix can be processed with tools used in regular metal sheet industry and can be handled as solid metal sheets. In this master thesis project, pre-formed parts of Hybrix were studied and characterized. Previous work on Hybrix was focused on analyze its market potential and different adhesive to be used in the core. All the tests were carried out on flat unformed specimens. However, in order to have a complete description of this material also the effect of the forming process must be taken into account. Thus the main activities of the present master thesis are the following: Dynamic Mechanical-Thermal Analysis (DMTA) on unformed Hybrix samples of different thickness and on pre-strained Hybrix samples, pure epoxy adhesive samples analysis and finally moisture effects evaluation on Hybrix composite structure.

A numerical program for Railway vehicle-track-structure dynamic interaction using a modal substructuring approach

This work presents a program for simulations of vehicle-track and vehicle-trackstructure dynamic interaction . The method used is computationally efficient in the sense that a reduced number of coordinates is sufficient and doesn’t require high efficiency computers. The method proposes a modal substructuring approach of the system by modelling rails , sleepers and underlying structure with modal coordinates, the vehicle with physical lumped elements coordinates and by introducing interconnection elements between these structures (wheel-rail contact, railpads and ballast) by means of their interaction forces. The Frequency response function (FRF) is also calculated for both cases of track over a structure (a bridge, a viaduct ...) and for the simple vehicle-track program; for each case the vehicle effect on the FRF is then analyzed through the comparison of the FRFs obtained introducing or not a simplified vehicle on the system.

Substructuring approache in state space models for dynamic system parameters identification

In the recent decade, the request for structural health monitoring expertise increased exponentially in the United States. The aging issues that most of the transportation structures are experiencing can put in serious jeopardy the economic system of a region as well as of a country. At the same time, the monitoring of structures is a central topic of discussion in Europe, where the preservation of historical buildings has been addressed over the last four centuries. More recently, various concerns arose about security performance of civil structures after tragic events such the 9/11 or the 2011 Japan earthquake: engineers looks for a design able to resist exceptional loadings due to earthquakes, hurricanes and terrorist attacks. After events of such a kind, the assessment of the remaining life of the structure is at least as important as the initial performance design. Consequently, it appears very clear that the introduction of reliable and accessible damage assessment techniques is crucial for the localization of issues and for a correct and immediate rehabilitation. The System Identification is a branch of the more general Control Theory. In Civil Engineering, this field addresses the techniques needed to find mechanical characteristics as the stiffness or the mass starting from the signals captured by sensors. The objective of the Dynamic Structural Identification (DSI) is to define, starting from experimental measurements, the modal fundamental parameters of a generic structure in order to characterize, via a mathematical model, the dynamic behavior. The knowledge of these parameters is helpful in the Model Updating procedure, that permits to define corrected theoretical models through experimental validation. The main aim of this technique is to minimize the differences between the theoretical model results and in situ measurements of dynamic data. Therefore, the new model becomes a very effective control practice when it comes to rehabilitation of structures or damage assessment. The instrumentation of a whole structure is an unfeasible procedure sometimes because of the high cost involved or, sometimes, because it’s not possible to physically reach each point of the structure. Therefore, numerous scholars have been trying to address this problem. In general two are the main involved methods. Since the limited number of sensors, in a first case, it’s possible to gather time histories only for some locations, then to move the instruments to another location and replay the procedure. Otherwise, if the number of sensors is enough and the structure does not present a complicate geometry, it’s usually sufficient to detect only the principal first modes. This two problems are well presented in the works of Balsamo [1] for the application to a simple system and Jun [2] for the analysis of system with a limited number of sensors. Once the system identification has been carried, it is possible to access the actual system characteristics. A frequent practice is to create an updated FEM model and assess whether the structure fulfills or not the requested functions. Once again the objective of this work is to present a general methodology to analyze big structure using a limited number of instrumentation and at the same time, obtaining the most information about an identified structure without recalling methodologies of difficult interpretation. A general framework of the state space identification procedure via OKID/ERA algorithm is developed and implemented in Matlab. Then, some simple examples are proposed to highlight the principal characteristics and advantage of this methodology. A new algebraic manipulation for a prolific use of substructuring results is developed and implemented.

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.