Modellazione numerica del comportamento di una struttura in muratura

In questi ultimi anni il tema della sicurezza sismica degli edifici storici in muratura ha assunto particolare rilievo in quanto a partire soprattutto dall’ordinanza 3274 del 2003, emanata in seguito al sisma che colpì il Molise nel 2002, la normativa ha imposto un monitoraggio ed una classificazione degli edifici storici sotto tutela per quanto riguarda la vulnerabilità sismica (nel 2008, quest’anno, scade il termine per attuare quest’opera di classificazione). Si è posto per questo in modo più urgente il problema dello studio del comportamento degli edifici storici (non solo quelli che costituiscono monumento, ma anche e soprattutto quelli minori) e della loro sicurezza. Le Linee Guida di applicazione dell’Ordinanza 3274 nascono con l’intento di fornire strumenti e metodologie semplici ed efficaci per affrontare questo studio nei tempi previsti. Il problema si pone in modo particolare per le chiese, presenti in grande quantità sul territorio italiano e di cui costituiscono gran parte del patrimonio culturale; questi edifici, composti di solito da grandi elementi murari, non presentano comportamento scatolare, mancando orizzontamenti, elementi di collegamento efficace e muri di spina interni e sono particolarmente vulnerabili ad azioni sismiche; presentano inoltre un comportamento strutturale a sollecitazioni orizzontali che non può essere colto con un approccio globale basato, ad esempio, su un’analisi modale lineare: non ci sono modi di vibrare che coinvolgano una sufficiente parte di massa della struttura; si hanno valori dei coefficienti di partecipazione dei varii modi di vibrare minori del 10% (in generale molto più bassi). Per questo motivo l’esperienza e l’osservazione di casi reali suggeriscono un approccio di studio degli edifici storici sacri in muratura attraverso l’analisi della sicurezza sismica dei cosiddetti “macroelementi” in cui si può suddividere un edificio murario, i quali sono elementi che presentano un comportamento strutturale autonomo. Questo lavoro si inserisce in uno studio più ampio iniziato con una tesi di laurea dal titolo “Analisi Limite di Strutture in Muratura. Teoria e Applicazione all'Arco Trionfale” (M. Temprati), che ha studiato il comportamento dell’arco trionfale della chiesa collegiata di Santa Maria del Borgo a San Nicandro Garganico (FG). Suddividere un edificio in muratura in più elementi è il metodo proposto nelle Linee Guida, di cui si parla nel primo capitolo del presente lavoro: la vulnerabilità delle strutture può essere studiata tramite il moltiplicatore di collasso quale parametro in grado di esprimere il livello di sicurezza sismica. Nel secondo capitolo si illustra il calcolo degli indici di vulnerabilità e delle accelerazioni di danno per la chiesa di Santa Maria del Borgo, attraverso la compilazione delle schede dette “di II livello”, secondo quanto indicato nelle Linee Guida. Nel terzo capitolo viene riportato il calcolo del moltiplicatore di collasso a ribaltamento della facciata della chiesa. Su questo elemento si è incentrata l’attenzione nel presente lavoro. A causa della complessità dello schema strutturale della facciata connessa ad altri elementi dell’edificio, si è fatto uso del codice di calcolo agli elementi finiti ABAQUS. Della modellazione del materiale e del settaggio dei parametri del software si è discusso nel quarto capitolo. Nel quinto capitolo si illustra l’analisi condotta tramite ABAQUS sullo stesso schema della facciata utilizzato per il calcolo manuale nel capitolo tre: l’utilizzo combinato dell’analisi cinematica e del metodo agli elementi finiti permette per esempi semplici di convalidare i risultati ottenibili con un’analisi non-lineare agli elementi finiti e di estenderne la validità a schemi più completi e più complessi. Nel sesto capitolo infatti si riportano i risultati delle analisi condotte con ABAQUS su schemi strutturali in cui si considerano anche gli elementi connessi alla facciata. Si riesce in questo modo ad individuare con chiarezza il meccanismo di collasso di più facile attivazione per la facciata e a trarre importanti informazioni sul comportamento strutturale delle varie parti, anche in vista di un intervento di ristrutturazione e miglioramento sismico.

Properties of cosmic voids in dark energy simulations

The last decade has witnessed the establishment of a Standard Cosmological Model, which is based on two fundamental assumptions: the first one is the existence of a new non relativistic kind of particles, i. e. the Dark Matter (DM) that provides the potential wells in which structures create, while the second one is presence of the Dark Energy (DE), the simplest form of which is represented by the Cosmological Constant Λ, that sources the acceleration in the expansion of our Universe. These two features are summarized by the acronym ΛCDM, which is an abbreviation used to refer to the present Standard Cosmological Model. Although the Standard Cosmological Model shows a remarkably successful agreement with most of the available observations, it presents some longstanding unsolved problems. A possible way to solve these problems is represented by the introduction of a dynamical Dark Energy, in the form of the scalar field ϕ. In the coupled DE models, the scalar field ϕ features a direct interaction with matter in different regimes. Cosmic voids are large under-dense regions in the Universe devoided of matter. Being nearby empty of matter their dynamics is supposed to be dominated by DE, to the nature of which the properties of cosmic voids should be very sensitive. This thesis work is devoted to the statistical and geometrical analysis of cosmic voids in large N-body simulations of structure formation in the context of alternative competing cosmological models. In particular we used the ZOBOV code (see ref. Neyrinck 2008), a publicly available void finder algorithm, to identify voids in the Halos catalogues extraxted from CoDECS simulations (see ref. Baldi 2012 ). The CoDECS are the largest N-body simulations to date of interacting Dark Energy (DE) models. We identify suitable criteria to produce voids catalogues with the aim of comparing the properties of these objects in interacting DE scenarios to the standard ΛCDM model, at different redshifts. This thesis work is organized as follows: in chapter 1, the Standard Cosmological Model as well as the main properties of cosmic voids are intro- duced. In chapter 2, we will present the scalar field scenario. In chapter 3 the tools, the methods and the criteria by which a voids catalogue is created are described while in chapter 4 we discuss the statistical properties of cosmic voids included in our catalogues. In chapter 5 the geometrical properties of the catalogued cosmic voids are presented by means of their stacked profiles. In chapter 6 we summarized our results and we propose further developments of this work.

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

Applications of advanced and dual energy computed tomography in proton therapy

This thesis focuses on advanced reconstruction methods and Dual Energy (DE) Computed Tomography (CT) applications for proton therapy, aiming at improving patient positioning and investigating approaches to deal with metal artifacts. To tackle the first goal, an algorithm for post-processing input DE images has been developed. The outputs are tumor- and bone-canceled images, which help in recognising structures in patient body. We proved that positioning error is substantially reduced using contrast enhanced images, thus suggesting the potential of such application. If positioning plays a key role in the delivery, even more important is the quality of planning CT. For that, modern CT scanners offer possibility to tackle challenging cases, like treatment of tumors close to metal implants. Possible approaches for dealing with artifacts introduced by such rods have been investigated experimentally at Paul Scherrer Institut (Switzerland), simulating several treatment plans on an anthropomorphic phantom. In particular, we examined the cases in which none, manual or Iterative Metal Artifact Reduction (iMAR) algorithm were used to correct the artifacts, using both Filtered Back Projection and Sinogram Affirmed Iterative Reconstruction as image reconstruction techniques. Moreover, direct stopping power calculation from DE images with iMAR has also been considered as alternative approach. Delivered dose measured with Gafchromic EBT3 films was compared with the one calculated in Treatment Planning System. Residual positioning errors, daily machine dependent uncertainties and film quenching have been taken into account in the analyses. Although plans with multiple fields seemed more robust than single field, results showed in general better agreement between prescribed and delivered dose when using iMAR, especially if combined with DE approach. Thus, we proved the potential of these advanced algorithms in improving dosimetry for plans in presence of metal implants.

Procedimenti di ottimizzazione di sistemi smorzati

La presente tesi riguarda lo studio di procedimenti di ottimizzazione di sistemi smorzati. In particolare, i sistemi studiati sono strutture shear-type soggette ad azioni di tipo sismico impresse alla base. Per effettuare l’ottimizzazione dei sistemi in oggetto si agisce sulle rigidezze di piano e sui coefficienti di smorzamento effettuando una ridistribuzione delle quantità suddette nei piani della struttura. È interessante effettuare l’ottimizzazione di sistemi smorzati nell’ottica della progettazione antisismica, in modo da ridurre la deformata della struttura e, conseguentemente, anche le sollecitazioni che agiscono su di essa. Il lavoro consta di sei capitoli nei quali vengono affrontate tre procedure numerico-analitiche per effettuare l’ottimizzazione di sistemi shear-type. Nel primo capitolo si studia l’ottimizzazione di sistemi shear-type agendo su funzioni di trasferimento opportunamente vincolate. In particolare, le variabili di progetto sono le rigidezze di piano, mentre i coefficienti di smorzamento e le masse di piano risultano quantità note e costanti durante tutto il procedimento di calcolo iterativo; per effettuare il controllo dinamico della struttura si cerca di ottenere una deformata pressoché rettilinea. Tale condizione viene raggiunta ponendo le ampiezze delle funzioni di trasferimento degli spostamenti di interpiano pari all’ampiezza della funzione di trasferimento del primo piano. Al termine della procedura si ottiene una ridistribuzione della rigidezza complessiva nei vari piani della struttura. In particolare, si evince un aumento della rigidezza nei piani più bassi che risultano essere quelli più sollecitati da una azione impressa alla base e, conseguentemente, si assiste ad una progressiva riduzione della variabile di progetto nei piani più alti. L’applicazione numerica di tale procedura viene effettuata nel secondo capitolo mediante l’ausilio di un programma di calcolo in linguaggio Matlab. In particolare, si effettua lo studio di sistemi a tre e a cinque gradi di libertà. La seconda procedura numerico-analitica viene presentata nel terzo capitolo. Essa riguarda l’ottimizzazione di sistemi smorzati agendo simultaneamente sulla rigidezza e sullo smorzamento e consta di due fasi. La prima fase ricerca il progetto ottimale della struttura per uno specifico valore della rigidezza complessiva e dello smorzamento totale, mentre la seconda fase esamina una serie di progetti ottimali in funzione di diversi valori della rigidezza e dello smorzamento totale. Nella prima fase, per ottenere il controllo dinamico della struttura, viene minimizzata la somma degli scarti quadratici medi degli spostamenti di interpiano. Le variabili di progetto, aggiornate dopo ogni iterazione, sono le rigidezze di piano ed i coefficienti di smorzamento. Si pone, inoltre, un vincolo sulla quantità totale di rigidezza e di smorzamento, e i valori delle rigidezze e dei coefficienti di smorzamento di ogni piano non devono superare un limite superiore posto all’inizio della procedura. Anche in questo caso viene effettuata una ridistribuzione delle rigidezze e dei coefficienti di smorzamento nei vari piani della struttura fino ad ottenere la minimizzazione della funzione obiettivo. La prima fase riduce la deformata della struttura minimizzando la somma degli scarti quadrarici medi degli spostamenti di interpiano, ma comporta un aumento dello scarto quadratico medio dell’accelerazione assoluta dell’ultimo piano. Per mantenere quest’ultima quantità entro limiti accettabili, si passa alla seconda fase in cui si effettua una riduzione dell’accelerazione attraverso l’aumento della quantità totale di smorzamento. La procedura di ottimizzazione di sistemi smorzati agendo simultaneamente sulla rigidezza e sullo smorzamento viene applicata numericamente, mediante l’utilizzo di un programma di calcolo in linguaggio Matlab, nel capitolo quattro. La procedura viene applicata a sistemi a due e a cinque gradi di libertà. L’ultima parte della tesi ha come oggetto la generalizzazione della procedura che viene applicata per un sistema dotato di isolatori alla base. Tale parte della tesi è riportata nel quinto capitolo. Per isolamento sismico di un edificio (sistema di controllo passivo) si intende l’inserimento tra la struttura e le sue fondazioni di opportuni dispositivi molto flessibili orizzontalmente, anche se rigidi in direzione verticale. Tali dispositivi consentono di ridurre la trasmissione del moto del suolo alla struttura in elevazione disaccoppiando il moto della sovrastruttura da quello del terreno. L’inserimento degli isolatori consente di ottenere un aumento del periodo proprio di vibrare della struttura per allontanarlo dalla zona dello spettro di risposta con maggiori accelerazioni. La principale peculiarità dell’isolamento alla base è la possibilità di eliminare completamente, o quantomeno ridurre sensibilmente, i danni a tutte le parti strutturali e non strutturali degli edifici. Quest’ultimo aspetto è importantissimo per gli edifici che devono rimanere operativi dopo un violento terremoto, quali ospedali e i centri operativi per la gestione delle emergenze. Nelle strutture isolate si osserva una sostanziale riduzione degli spostamenti di interpiano e delle accelerazioni relative. La procedura di ottimizzazione viene modificata considerando l’introduzione di isolatori alla base di tipo LRB. Essi sono costituiti da strati in elastomero (aventi la funzione di dissipare, disaccoppiare il moto e mantenere spostamenti accettabili) alternati a lamine in acciaio (aventi la funzione di mantenere una buona resistenza allo schiacciamento) che ne rendono trascurabile la deformabilità in direzione verticale. Gli strati in elastomero manifestano una bassa rigidezza nei confronti degli spostamenti orizzontali. La procedura di ottimizzazione viene applicata ad un telaio shear-type ad N gradi di libertà con smorzatori viscosi aggiunti. Con l’introduzione dell’isolatore alla base si passa da un sistema ad N gradi di libertà ad un sistema a N+1 gradi di libertà, in quanto l’isolatore viene modellato alla stregua di un piano della struttura considerando una rigidezza e uno smorzamento equivalente dell’isolatore. Nel caso di sistema sheat-type isolato alla base, poiché l’isolatore agisce sia sugli spostamenti di interpiano, sia sulle accelerazioni trasmesse alla struttura, si considera una nuova funzione obiettivo che minimizza la somma incrementata degli scarti quadratici medi degli spostamenti di interpiano e delle accelerazioni. Le quantità di progetto sono i coefficienti di smorzamento e le rigidezze di piano della sovrastruttura. Al termine della procedura si otterrà una nuova ridistribuzione delle variabili di progetto nei piani della struttura. In tal caso, però, la sovrastruttura risulterà molto meno sollecitata in quanto tutte le deformazioni vengono assorbite dal sistema di isolamento. Infine, viene effettuato un controllo sull’entità dello spostamento alla base dell’isolatore perché potrebbe raggiungere valori troppo elevati. Infatti, la normativa indica come valore limite dello spostamento alla base 25cm; valori più elevati dello spostamento creano dei problemi soprattutto per la realizzazione di adeguati giunti sismici. La procedura di ottimizzazione di sistemi isolati alla base viene applicata numericamente mediante l’utilizzo di un programma di calcolo in linguaggio Matlab nel sesto capitolo. La procedura viene applicata a sistemi a tre e a cinque gradi di libertà. Inoltre si effettua il controllo degli spostamenti alla base sollecitando la struttura con il sisma di El Centro e il sisma di Northridge. I risultati hanno mostrato che la procedura di calcolo è efficace e inoltre gli spostamenti alla base sono contenuti entro il limite posto dalla normativa. Giova rilevare che il sistema di isolamento riduce sensibilmente le grandezze che interessano la sovrastruttura, la quale si comporta come un corpo rigido al di sopra dell’isolatore. In futuro si potrà studiare il comportamento di strutture isolate considerando diverse tipologie di isolatori alla base e non solo dispositivi elastomerici. Si potrà, inoltre, modellare l’isolatore alla base con un modello isteretico bilineare ed effettuare un confronto con i risultati già ottenuti per il modello lineare.

Application of the Equivalent Static Analysis method to the design of a steel frame structure with added viscous dampers

All the structures designed by engineers are vulnerable to natural disasters including floods and earthquakes. The energy released during strong ground motions should be dissipated by structural elements. Before 1990’s, this energy was expected to be dissipated through the beams and columns which at the same time were a part of gravity-load-resisting system. However, the main disadvantage of this idea was that gravity-resisting-frame was not repairable. Hence, during 1990’s, the idea of designing passive energy dissipation systems, including dampers, emerged. At the beginning, main problem was lack of guidelines for passive energy dissipation systems. Although till 2000 many guidelines and procedures where published, yet most of them were based on complicated analysis which was not so convenient for engineers and practitioners. In order to solve this problem recently some alternative design methods are proposed including 1. Lopez Garcia (2001) simple procedure for optimal damper configuration in MDOF structures 2. Christopoulos and Filiatrault (2006) trial and error procedure 3. Silvestri et al. (2010) Five-Step Method. 4. Palermo et al. (2015) Direct Five-Step Method. 5. Palermo et al. (2016) Simplified Equivalent Static Analysis (ESA). In this study, effectiveness and differences between last three alternative methods have been evaluated.

Global Fatigue Assessment of a Decommissioned Jacket Platform for a Sustainable Reuse as an Offshore Wind Turbine

When the offshore oil and gas supplies exhaust, offshore platforms must be decommissioned and removed. The present thesis highlights the importance of evaluating the possibility of reuse of decommissioned offshore jacket platforms for offshore wind energy. In order to shift to the new structure, the topside must be removed from the substructure and a wind turbine can be installed in its place. The feasibility of this project was investigated using a finite element analysis software called Sesam. To study fatigue life in offshore structures, an exhaustive review of the background and state of the art was done. A finite element model was created by the means of Sesam and two different fatigue analysis approaches were applied and compared. In the end, an analysis methodology is suggested for the structural fatigue analysis of offshore wind turbine structures based on international standards, addressing the industry’s need to account for the combined effect of wind and hydrodynamic loads in these type of structures.

Comparison of the seismic performances of a steel frame building equipped with different geometrical configurations of Crescent Shaped Braces

The Crescent Shaped Brace (CSB) is a new simple steel hysteretic device proposed to be used as an enhanced diagonal brace in framed structures. The CSB allows the practical designer to choose the lateral stiffness independently from the yield strength of the device, due to its peculiar ad-hoc shape. In the present thesis, a complete study referring to different CSB configurations has been presented. After the validation of the hysteretic capacities of the Crescent Shaped Braces, the seismic concept of the "enhanced first story isolation" system has been proposed within the PBSD. It relies on the total separation between the Vertical Resisting System (VRS) and the Horizontal Resisting System (HRS) in order to attain a certain objective curve of the structure. An applicative example has been studied following this concept and exploiting the advantages of the CSBs as seismic dissipative devices used for the HRS. Then several geometrical configurations called Single CSB system, Single 2 CSB system, Double CSB system, Coupled CSB system, Coupled with high length CSB system, and the final one was Cross bracing system have been introduced and modelled with SAP2000 and the results have been compared.