Application of numerical methods to earthquake stability assessment of slopes

Questo documento descrive gran parte del lavoro svolto durante un periodo di studio di sei mesi all’International Centre for Geohazards (ICG) di Oslo. Seguendo la linea guida dettata nel titolo, sono stati affrontati diversi aspetti riguardanti la modellazione numerica dei pendii quali l’influenza delle condizioni al contorno e delle proporzioni del modello, la back-analysis di eventi di scivolamento e l’applicazione delle analisi di stabilità monodimensionali. La realizzazione di semplici modelli con il programma agli elementi finiti PLAXIS (Brinkgreve et al., 2008) ha consentito di analizzare le prestazioni dei modelli numerici riguardo all’influenza delle condizioni al contorno confrontandoli con un calcolo teorico del fattore di amplificazione. Questa serie di test ha consentito di stabilire alcune linee guida per la realizzazione di test con un buon livello di affidabilità. Alcuni case-history, in particolare quello di Las Colinas (El Salvador), sono stati modellati allo scopo di applicare e verificare i risultati ottenuti con i semplici modelli sopracitati. Inoltre sono state svolte analisi di sensitività alla dimensione della mesh e ai parametri di smorzamento e di elasticità. I risultati hanno evidenziato una forte dipendenza dei risultati dai parametri di smorzamento, rilevando l’importanza di una corretta valutazione di questa grandezza. In ultima battuta ci si è occupati dell’accuratezza e dell’applicabilità dei modelli monodimensionali. I risultati di alcuni modelli monodimensionali realizzati con il software Quiver (Kaynia, 2009) sono stati confrontati con quelli ottenuti da modelli bidimensionali. Dal confronto è risultato un buon grado di approssimazione accompagnato da un margine di sicurezza costante. Le analisi monodimensionali sono poi state utilizzate per la verifica di sensitività. I risultati di questo lavoro sono qui presentati e accompagnati da suggerimenti qualitativi e quantitativi per la realizzazione di modelli bidimensionali affidabili. Inoltre si descrive la possibilità di utilizzare modelli monodimensionali in caso d’incertezze sui parametri. Dai risultati osservati emerge la possibilità di ottenere un risparmio di tempo nella realizzazione di importanti indagini di sensitività.

Experimental determination of burning velocity in metal dust explosions

The modeling of metal dust explosion phenomenon is important in order to safeguard industries from potential accidents. A key parameter of these models is the burning velocity, which represents the consumption rate of the reactants by the flame front, during the combustion process. This work is focused on the experimental determination of aluminium burning velocity, through an alternative method, called "Direct method". The study of the methods used and the results obtained is preceded by a general analysis on dust explosion phenomenon, flame propagation phenomenon, characteristics of the metals combustion process and standard methods for determining the burning velocity. The “Direct method” requires a flame propagating through a tube recorded by high-speed cameras. Thus, the flame propagation test is carried out inside a vertical prototype made of glass. The study considers two optical technique: the direct visualization of the light emitted by the flame and the Particle Image Velocimetry (PIV) technique. These techniques were used simultaneously and allow the determination of two velocities: the flame propagation velocity and the flow velocity of the unburnt mixture. Since the burning velocity is defined by these two quantities, its direct determination is done by substracting the flow velocity of the fresh mixture from the flame propagation velocity. The results obtained by this direct determination, are approximated by a linear curve and different non-linear curves, which show a fluctuating behaviour of burning velocity. Furthermore, the burning velocity is strongly affected by turbulence. Turbulence intensity can be evaluated from PIV technique data. A comparison between burning velocity and turbulence intensity highlighted that both have a similar trend.

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.