Strutture di Hoberman e possibili applicazioni in campo aerospaziale.

Da quando Chuck Hoberman, all'inizio degli anni '90, ideò la prima cosiddetta "Hoberman sphere", le strutture che da lui prendono il nome hanno suscitato grande interesse, a partire dal successo avuto nell'ambito della scultura e architettura, e hanno determinato la nascita di numerose ricerche ed analisi sul loro funzionamento, che potessero portare allo sviluppo di applicazioni ingegneristiche basate su di esse. La particolarità dei meccanismi inventati da Hoberman consiste nella possibilità di variare la configurazione delle strutture a cui essi sono applicati, dando luogo a costruzioni che sono in grado di trasformarsi ed assumere forme e dimensioni diverse a seconda delle necessità. In particolare, è possibile ottenere strutture capaci di espandersi e ripiegarsi su se stesse, riducendosi ad un volume notevolmente inferiore a quello occupato dalla configurazione aperta. Questa peculiarità ne ha suggerito l'utilizzo in tutti quegli ambiti nei quali la possibilità di occupare spazi ridotti si rivela un vantaggio, oppure quando ciò è una necessità, come per esempio quello spaziale, date le limitazioni imposte dalle dimensioni dei lanciatori. L'obiettivo del presente studio è pertanto quello di individuare possibili applicazioni nel campo aeronautico e spaziale delle strutture di Hoberman. Si è dunque svolta una ricerca sul funzionamento dei meccanismi su cui questo genere di strutture si basa, e sulle loro attuali applicazioni, per individuarne le caratteristiche che potrebbero renderle idonee e vantaggiose per l'utilizzo in campo aerospaziale. Successivamente, sono state individuate alcune possibili applicazioni che sono state studiate da un punto di vista concettuale.

Sviluppo di un ambiente per il progetto di strutture aerospaziali basate su elementi a forbice

L'obiettivo di questo elaborato è sviluppare un ambiente Matlab per il progetto ed il disegno di strutture utilizzabili in campo aerospaziale, basate su elementi a forbice. Questi elementi presentano la possibilità di espandersi così che una struttura con ridotto ingombro in posizione retratta può espandersi fino ad aumentare le sue dimensioni di diverse volte. Per la progettazione di questo ambiente è stato necessario studiare le relazioni geometriche che regolano i movimenti di questi elementi. Sono poi state implementate delle funzioni in ambiente Matlab® per studiare il movimento di questi elementi, partendo dalla simulazione del singolo elemento, per poi passare a strutture sempre più complicate realizzate come assemblaggio di più strutture elementari. Inoltre è stata progettata e implementata un’interfaccia grafica intuitiva con lo scopo di facilitare il compito del progettista. L’ambiente realizzato permette il progetto e il disegno di alcune semplici strutture, ma può essere ulteriormente sviluppato per implementare un numero sempre maggiore di strutture basate su elementi a forbice. Grazie all’ambiente realizzato, inserendo pochi parametri di progetto nell’apposita interfaccia, si può ottenere il dimensionamento di una struttura, la sua visualizzazione e simulare la sua espansione. Anche se l’ambiente è stato pensato per gestire una grande varietà di soluzioni costruttive, ne sono state implementate due: una struttura piana basata sulla ripetizione circolare di un elemento a forbice e una struttura tridimensionale basata su una serie di corone circolari disposte nello spazio. Queste, seppur non riconducibili a precise realizzazioni aerospaziali, possono essere la base per la progettazione di reali applicazioni come ad esempio satelliti espandibili nel caso 3D. La tesi presenta quindi: un’analisi delle relazioni geometriche che stanno alla base del movimento degli elementi a forbice, una descrizione delle funzioni implementate per simulare le due strutture prese in esame, la presentazione di quali caratteristiche sono state implementate nell’interfaccia grafica e come questa è stata implementata in Matlab, un cenno alle conclusioni che si possono trarre e ad alcuni possibili sviluppi.

Analisi di pushover 3D per strutture in c.a.

In the present study, a new pushover procedure for 3D frame structures is proposed, based on the application of a set of horizontal force and torque distributions at each floor level; in order to predict the most severe configurations of an irregular structure subjected to an earthquake, more than one pushover analysis has to be performed. The proposed method is validated by a consistent comparison of results from static pushover and dynamic simulations in terms of different response parameters, such as displacements, rotations, floor shears and floor torques. Starting from the linear analysis, the procedure is subsequently extended to the nonlinear case. The results confirm the effectiveness of the proposed procedure to predict the structural behaviour in the most severe configurations.

Simulazione numerica di fenomeni aeroelastici con applicazione alle strutture civili

Il presente lavoro tratta lo studio dei fenomeni aeroelastici di interazione fra fluido e struttura, con il fine di provare a simularli mediante l’ausilio di un codice agli elementi finiti. Nel primo capitolo sono fornite alcune nozioni di fluidodinamica, in modo da rendere chiari i passaggi teorici fondamentali che portano alle equazioni di Navier-Stokes governanti il moto dei fluidi viscosi. Inoltre è illustrato il fenomeno della formazione di vortici a valle dei corpi tozzi dovuto alla separazione dello strato limite laminare, con descrizione anche di alcuni risultati ottenuti dalle simulazioni numeriche. Nel secondo capitolo vengono presi in rassegna i principali fenomeni di interazione fra fluido e struttura, cercando di metterne in luce le fondamenta della trattazione analitica e le ipotesi sotto le quali tale trattazione è valida. Chiaramente si tratta solo di una panoramica che non entra in merito degli sviluppi della ricerca più recente ma fornisce le basi per affrontare i vari problemi di instabilità strutturale dovuti a un particolare fenomeno di interazione con il vento. Il terzo capitolo contiene una trattazione più approfondita del fenomeno di instabilità per flutter. Tra tutti i fenomeni di instabilità aeroelastica delle strutture il flutter risulta il più temibile, soprattutto per i ponti di grande luce. Per questo si è ritenuto opportuno dedicargli un capitolo, in modo da illustrare i vari procedimenti con cui si riesce a determinare analiticamente la velocità critica di flutter di un impalcato da ponte, a partire dalle funzioni sperimentali denominate derivate di flutter. Al termine del capitolo è illustrato il procedimento con cui si ricavano sperimentalmente le derivate di flutter di un impalcato da ponte. Nel quarto capitolo è presentato l’esempio di studio dell’impalcato del ponte Tsing Ma ad Hong Kong. Sono riportati i risultati analitici dei calcoli della velocità di flutter e di divergenza torsionale dell’impalcato e i risultati delle simulazioni numeriche effettuate per stimare i coefficienti aerodinamici statici e il comportamento dinamico della struttura soggetta all’azione del vento. Considerazioni e commenti sui risultati ottenuti e sui metodi di modellazione numerica adottati completano l’elaborato.