Root cause analysis applied to a finite element model's refinement of a negative stiffness structure

Negative Stiffness Structures are mechanical systems that require a decrease in the applied force to generate an increase in displacement. They are structures that possess special characteristics such as snap-through and bi-stability. All of these features make them particularly suitable for different applications, such as shock-absorption, vibration isolation and damping. From this point of view, they have risen awareness of their characteristics and, in order to match them to the application needed, a numerical simulation is of great interest. In this regard, this thesis is a continuation of previous studies in a circular negative stiffness structure and aims at refine the numerical model by presenting a new solution. To that end, an investigation procedure is needed. Amongst all of the methods available, root cause analysis was the chosen one to perform the investigation since it provides a clear view of the problem under analysis and a categorization of all the causes behind it. As a result of the cause-effect analysis, the main causes that have influence on the numerical results were obtained. Once all of the causes were listed, solutions to them were proposed and it led to a new numerical model. The numerical model proposed was of nonlinear type of analysis with hexagonal elements and a hyperelastic material model. The results were analyzed through force-displacement curves, allowing for the visualization of the structure’s energy recovery. When compared to the results obtained from the experimental part, it is evident that the trend is similar and the negative stiffness behaviour is present.

Shear behaviour of reinforced cconcrete slab under concentrated load: an investigation through non-linear and sequentially linear analysis

English: The assessment of safety in existing bridges and viaducts led the Ministry of Public Works of the Netherlands to finance a specific campaing aimed at the study of the response of the elements of these infrastructures. Therefore, this activity is focused on the investigation of the behaviour of reinforced concrete slabs under concentrated loads, adopting finite element modeling and comparison with experimental results. These elements are characterized by shear behaviour and crisi, whose modeling is, from a computational point of view, a hard challeng, due to the brittle behavior combined with three-dimensional effects. The numerical modeling of the failure is studied through Sequentially Linear Analysis (SLA), an alternative Finite Element method, with respect to traditional incremental and iterative approaches. The comparison between the two different numerical techniques represents one of the first works and comparisons in a three-dimensional environment. It's carried out adopting one of the experimental test executed on reinforced concrete slabs as well. The advantage of the SLA is to avoid the well known problems of convergence of typical non-linear analysis, by directly specifying a damage increment, in terms of reduction of stiffness and resistance in particular finite element, instead of load or displacement increasing on the whole structure . For the first time, particular attention has been paid to specific aspects of the slabs, like an accurate constraints modeling and sensitivity of the solution with respect to the mesh density. This detailed analysis with respect to the main parameters proofed a strong influence of the tensile fracture energy, mesh density and chosen model on the solution in terms of force-displacement diagram, distribution of the crack patterns and shear failure mode. The SLA showed a great potential, but it requires a further developments for what regards two aspects of modeling: load conditions (constant and proportional loads) and softening behaviour of brittle materials (like concrete) in the three-dimensional field, in order to widen its horizons in these new contexts of study.

Application of an equivalent frame model for the analysis of typical Dutch masonry structures

A partire dal 1986, nell’Olanda settentrionale si sta verificando un incremento di fenomeni sismici superficiali di medio-bassa intensità. Siccome la zona è considerata a basso rischio sismico, tali fenomeni sono legati all’estrazione di gas nella regione Groningen situata a nord-est del paese, la quale rappresenta il più grande giacimento d’Europa. Di conseguenza, si sono verificati danni ingenti sulle strutture che sorgono in zona, che di fatto non erano state progettate per resistere a forze orizzontali legate all’accelerazione del suolo. Ricercatori, aziende e università sono stati coinvolti nel progetto di ricerca finalizzato alla valutazione della vulnerabilità sismica delle costruzioni esistenti, in modo da poter avviare interventi di miglioramento o adeguamento sismico. A questo scopo, presso l’università tecnica di Delft sono stati svolti diversi test sperimentali e analitici su murature non rinforzate tipiche olandesi, che rappresentano la tipologia costruttiva più diffusa e si distinguono per la presenza di maschi murari snelli, grandi aperture e inadeguatezza delle connessioni tra gli elementi strutturali. Lo scopo della tesi è verificare l’adeguatezza del modello a telaio equivalente implementato nel software 3Muri per la modellazione di due tipiche case a schiera in muratura non rinforzata. Tali case, precedentemente ricostruite e testate in laboratorio attraverso un’analisi pushover, differiscono per metodologia costruttiva ed i materiali utilizzati.

A new concept for a Sport-Coupè car developed with the Industrial Design Structure method (IDeS)

The aim of this study, conducted in collaboration with Lawrence Technological University in Detroit, is to create, through the method of the Industrial Design Structure (IDeS), a new concept for a sport-coupe car, based on a restyling of a retro model (Ford Mustang 1967). To date, vintage models of cars always arouse great interest both for the history behind them and for the classic and elegant style. Designing a model of a vehicle that can combine the charm of retro style with the innovation and comfort of modern cars would allow to meet the needs and desires of a large segment of the market that today is forced to choose between past and future. Thanks to a well-conceived concept car an automaker company is able to express its future policy, to make a statement of intent as, such a prototype, ticks all the boxes, from glamour and visual wow-factor to technical intrigue and design fascination. IDeS is an approach that makes use of many engineering tools to realize a study developed on several steps that must be meticulously organized and timed. With a deep analysis of the trends dominating the automotive industry it is possible to identify a series of product requirements using quality function deployment (QFD). The considerations from this first evaluation led to the definition of the technical specifications via benchmarking (BM) and top-flop analysis (TFA). Then, the structured methodology of stylistic design engineering (SDE) is applied through six phases: (1) stylistic trends analysis; (2) sketches; (3) 2D CAD drawings; (4) 3D CAD models; (5) virtual prototyping; (6) solid stylistic model. Finally, Developing the IDeS method up to the final stages of Prototypes and Testing you get a product as close as possible to the ideal vehicle conceptualized in the initial analysis.

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.

Smart cities, analysis of a strategic plan.

Abstract (English) Cities nowadays face complex challenges to meet objectives regarding socio-economic development and quality of life. The concept of "smart city" is a response to these challenges. Although common practices are being developed all over the world, different priorities are defined and different architectures are followed. In this master thesis I focuses on the applied architecture of Riverside's case study, through a progression model that underline the main steps that moves the city from a situation of crisis, to be appointed "Intelligent Community" of the 2012 by Intelligent Community Forum. I discuss the problem of integration among the physical, institutional and digital dimension of smart cities and the "bridges" that connect these three spatialities. Riverside's progression model takes as a reference a comprehensive framework made unifying the keys component of the three most quoted framework in this field: a technology-oriented vision (strongly promoted by IBM [Dirks et al. 2009]), an approach-oriented one [Schaffers et al. 2011] that is sponsored by many initiatives within the European Commission, and a purely service-oriented one [Giffinger et al. 2007][Toppeta, 2010].

Accelerated ageing methodologies for the evaluation of particulate matter role in the corrosion of outdoor-exposed bronzes

Deterioration phenomena occurring on outdoor cultural heritage have been the subject of several studies, but relatively few works investigated the specific role of Particulate Matter (PM) in the corrosion of metals. This topic is really complex and, besides field exposures, accelerated ageing tests are also necessary to isolate and understand deterioration mechanisms due to PM. For this reason, the development of a methodology that allows to reproduce and analyze the effect of PM on alloys through accelerated ageing in climatic chamber has been started. On quaternary bronze specimens, single salts and a mix of them were deposited via two deposition methods: dry (directly depositing the salt on the surface) and wet (dropping a salt solution and drying it), simulating the initial chemical activation of the salts by RH% variations or by raindrops, respectively. Then, to better mimic the composition of real PM, a mixture containing a soluble salts, a mineral, a black carbon and an organic fraction was formulated and spread on the samples. The samples were placed in a climatic chamber and exposed to cyclic variations of T and RH for three weeks. The ageing cycles were set according to predictions on salt deliquescence/recrystallization through E-AIM model and to the evaluation of regional climatic data. The surface evolution was followed by SEM-EDX, Raman, AT-IR and UV-Vis Spectrophotometry. At the end of the test, mass losses were determined and corroded metals removed by pickling were analyzed by AAS. On the basis of the obtained results, the tested procedures seem to be promising in accelerating and mimicking realistic corrosion phenomena, as under the selected conditions, corrosion products typically found at different exposure time (from days to years) on outdoor bronzes were able to progressively form and evolve. Moreover, the two deposition modes simulating different condition of chemical activation of PM deposits allow to obtain complementary information.