Experimental Study on Friction between Saline Ice and Steel

Understanding the interaction of sea ice with offshore structures is of primary importance for the development of technology in cold climate regions. The rheological properties of sea ice (strength, creep, viscosity) as well as the roughness of the contact surface are the main factors influencing the type of interaction with a structure. A device was developed and designed and small scale laboratory experiments were carried out to study sea ice frictional interaction with steel material by means of a uniaxial compression rig. Sea-ice was artificially grown between a stainless steel piston (of circular cross section) and a hollow cylinder of the same material, coaxial to the former and of the same surface roughness. Three different values for the roughness were tested: 1.2, 10 and 30 μm Ry (maximum asperities height), chosen as representative values for typical surface conditions, from smooth to normally corroded steel. Creep tests (0.2, 0.3, 0.4 and 0.6 kN) were conducted at T = -10 ºC. By pushing the piston head towards the cylinder base, three different types of relative movement were observed: 1) the piston slid through the ice, 2) the piston slid through the ice and the ice slid on the surface of the outer cylinder, 3) the ice slid only on the cylinder surface. A cyclic stick-slip motion of the piston was detected with a representative frequency of 0.1 Hz. The ratio of the mean rate of axial displacement to the frequency of the stick-slip oscillations was found to be comparable to the roughness length (Sm). The roughness is the most influential parameter affecting the amplitude of the oscillations, while the load has a relevant influence on the their frequency. Guidelines for further investigations were recommended. Marco Nanetti - seloselo@virgilio.it

Habitat shifts: an experimental study on disappearing canopies of Cystoseira barbata (Stackhouse) C. Agard and the habitat replacing them

Cambiamenti di habitat in ambienti marini: uno studio sperimentale sulla perdita di foreste a Cystoseira barbata (Stackhouse) C. Agardh e sui popolamenti che le sostituiscono La presente tesi affronta il tema scientifico generale di come prevedere e mitigare la perdita di habitat marini naturali causata dalle attività umane. La tesi si è focalizzata sugli habitat subtidali a “canopy” formati da macroalghe brune a tallo eretto dell’ordine Fucales, che per morfologia, ruolo ed importanza ecologica possono essere paragonate alle “foreste” in ambienti terrestri temperati. Questi sistemi sono tra i più produttivi in ambienti marini, e sono coinvolti in importanti processi ecologici, offrendo cibo, protezione, riparo ed ancoraggio a diverse altre specie animali e vegetali, modificando i gradienti naturali di luce, sedimentazione e idrodinamismo, e partecipando al ciclo dei nutrienti. Sulle coste temperate di tutto il mondo, le foreste di macroalghe a canopy sono in forte regressione su scala locale, regionale e globale. Questo fenomeno, che sta accelerando a un ritmo sempre più allarmante, sta sollevando interesse e preoccupazione. Infatti, data la loro importanza, la perdita di questi habitat può avere importanti conseguenze ecologiche ed economiche, tra cui anche il possibile declino della pesca che è stato osservato in alcune aree in seguito alla conseguente riduzione della produttività complessiva dei sistemi marini costieri. Nel Mar Mediterraneo questi tipi di habitat sono originati prevalentemente da alghe appartenenti al genere Cystoseira, che sono segnalate in forte regressione in molte regioni. Gli habitat a Cystoseira che ancora persistono continuano ad essere minacciati da una sineregia di impatti antropici, ed i benefici complessivi delle misure di protezione fin ora attuate sono relativamente scarsi. Scopo della presente tesi era quello di documentare la perdita di habitat a Cystoseira (prevalentemente Cystoseira barbata (Stackhouse) C. Agardh) lungo le coste del Monte Conero (Mar Adriatico centrale, Italia), e chiarire alcuni dei possibili meccanismi alla base di tale perdita. Studi precedentemente condotti nell’area di studio avevano evidenziato importanti cambiamenti nella composizione floristica e della distribuzione di habitat a Cystoseira in quest’area, e avevano suggerito che la scarsa capacità di recupero di questi sistemi potesse essere regolata da interazioni tra Cystoseira e le nuove specie dominanti sui substrati lasciati liberi dalla perdita di Cystoseira. Attraverso ripetute mappature dell’habitat condotte a partire da Luglio 2008 fino a Giugno 2010, ho documentato la perdita progressiva delle poche, e sempre più frammentate, patch di habitat originate da questa specie in due siti chiamati La Vela e Due Sorelle. Attraverso successivi esperimenti, ho poi evidenziato le interazioni ecologiche tra le specie dominanti coinvolte in questi cambiamenti di habitat, al fine di identificare possibili meccanismi di feedback che possano facilitare la persistenza di ciascun habitat o, viceversa, l’insediamento di habitat alternativi. La mappatura dell’habitat ha mostrato un chiaro declino della copertura, della densità e della dimensione degli habitat a Cystoseira (rappresentati soprattutto dalla specie C. barbata e occasionalmente C. compressa che però non è stata inclusa nei successivi esperimenti, d’ora in avanti per semplicità verrà utilizzato unicamente il termine Cystoseira per indicare questo habitat) durante il periodo di studio. Nel sito Due Sorelle le canopy a Cystoseira sono virtualmente scomparse, mentre a La Vela sono rimaste poche, sporadiche ed isolate chiazze di Cystoseira. Questi habitat a canopy sono stati sostituiti da nuovi habitat più semplici, tra cui soprattutto letti di mitili, feltri algali e stand monospecifici di Gracilaira spp.. La mappatura dell’habitat ha inoltre sottolineato una diminuzione del potenziale di recupero del sistema con un chiaro declino del reclutamento di Cystoseira durante tutto il periodo di studio. Successivamente ho testato se: 1) una volta perse, il recupero di Cystoseira (reclutamento) possa essere influenzato dalle interazioni con le nuove specie dominanti, quali mitili e feltri algali; 2) il reclutamento di mitili direttamente sulle fronde di Cystoseira (sia talli allo stadio adulto che giovanili) possa influenzare la sopravvivenza e la crescita della macroalga; 3) la sopravvivenza e la crescita delle nuove specie dominanti, in particolare mitili, possa essere rallentata dalla presenza di canopy di Cystoseira. I risultati dimostrano che le nuove specie dominanti insediatesi (feltri algali e mitili), possono inibire il reclutamento di Cystoseira, accelerandone il conseguente declino. L’effetto diretto dei mitili sulle fronde non è risultato particolarmente significativo né per la sopravvivenza di Cystoseira che finora non è risultata preclusa in nessun stadio di sviluppo, né per la crescita, che nel caso di individui adulti è risultata leggermente, ma non significativamente, più elevata per le fronde pulite dai mitili, mentre è stato osservato il contrario per i giovanili. La presenza di canopy a Cystoseira, anche se di piccole dimensioni, ha limitato la sopravvivenza di mitili. Questi risultati complessivamente suggeriscono che una foresta di macroalghe in buone condizioni può avere un meccanismo di autoregolazione in grado di facilitare la propria persistenza. Quando però il sistema inizia a degradarsi e a frammentarsi progressivamente, i cambiamenti delle condizioni biotiche determinati dall’aumento di nuove specie dominanti contribuiscono alla mancanza di capacità di recupero del sistema. Pertanto le strategie per una gestione sostenibile di questi sistemi dovrebbero focalizzarsi sui primi segnali di cambiamenti in questo habitat e sui possibili fattori che ne mantengono la resilienza.

Experimental study on Carbon FRP-confined elliptical concrete columns

It is well recognized that the technique of strengthening reinforced concrete (RC) using fiber-reinforced polymer (FRP) jackets is more effective for circular sections, but less effective for rectangular sections. Indeed the presence of angular corners does not permit a uniform confinement to be provided by the FRP jackets to the columns. While rounded corners can enhance the effectiveness of FRP confinement, it will be more efficient to modify the rectangular section into an elliptical section. In addition to the better confinement effectiveness, from an aesthetical point of view, the shape modification would be a surprise to the built environment. This paper presents an experimental study on the behavior of FRP-confined concrete columns with elliptical section. Thirty-two short columns, divided in eight batches, were tested under axial compression. Each batch presents four specimens with different elliptical sections, determined by the aspect ratio a/b, that is the ratio between the minor and mayor axis. By varying this value from 1.0 to 2.0 (1.0, 1.3., 1.7, 2.0), the section becomes more and more elliptical starting from a circular shape. In this way it is possible to study the trend of effectiveness of FRP confinement for different section geometries. It is also interesting to study how the confinement effectiveness may vary by changing the cylinder strength of concrete and the number of the layers of CFRP. For this reason, a cylinder strength of concrete of 25 and 45 MPa have been used for the present research work, and half of the specimens were wrapped by one layer of CFRP, while the remaining specimens were wrapped with two layers. A simple analysis of the results has been carried out for evaluating the experimental work described in the present document. Further studies and analysis on this work should help to achieve a new and more accurate stress-strain model for CFRP-confined concrete columns with an elliptical section.

Steel and macro-synthetic self-compacting fibre reinforced concrete, experimental study on the long-term deformations

Experimental study on the long-term deformations of the fibre reinforced concrete. Steel and macro-synthetic fibers were used to evaluate the shrinkage, creep, mid-span deflection, cracking and rupture analysis of three different types of samples. At the end the main topics of ACI guidelines were analyzed in order to perform an overview of design.

Characterization of microplastics ingested by marine benthos - a methodological and field-experimental study

Microplastics have become ubiquitous pollutants in the marine environment. Ingestion of microplastics by a wide range of marine organisms has been recorded both in laboratory and field studies. Despite growing concern for microplastics, few studies have evaluated their concentrations and distribution in wild populations. Further, there is a need to identify cost-effective standardized methodologies for microplastics extraction and analysis in organisms. In this thesis I present: (i) the results of a multi-scale field sampling to quantify and characterize microplastics occurrence and distribution in 4 benthic marine invertebrates from saltmarshes along the North Adriatic Italian coastal lagoons; (ii) a comparison of the effects and cost-effectiveness of two extraction protocols for microplastics isolation on microfibers and on wild collected organisms; (iii) the development of a novel field- based technique to quantify and characterize the microplastic uptake rates of wild and farmed populations of mussels (Mytilus galloprovincialis) through the analysis of their biodeposits. I found very low and patchy amounts of microplastics in the gastrointestinal tracts of sampled organisms. The omnivorous crab Carcinus aestuarii was the species with the highest amounts of microplastics, but there was a notable variation among individuals. There were no substantial differences between enzymatic and alkaline extraction methods. However, the alkaline extraction was quicker and cheaper. Biodeposit traps proved to be an effective method to estimate mussel ingestion rates. However their performance differed significantly among sites, suggesting that the method, as currently designed, is sensible to local environmental conditions. There were no differences in the ingestion rates of microplastics between farmed and wild mussels. The estimates of microplastic ingestion and the validated procedures for their extraction provide a strong basis for future work on microplastic pollution.

Theoretical and experimental study on the role of benzoquinone in the Guerbet reaction catalyzed by a ruthenium complex

The benzoquinone was found as an effective co-catalyst in the ruthenium/NaOEt-catalyzed Guerbet reaction. The co-catalyst behavior has therefore been investigated through experimental and computational methods. The reaction products distribution shows that the reaction speed is improved by the benzoquinone supplement since the beginning of the process, having a minimal effect on the selectivity toward alcoholic species. DFT calculations were performed to investigate two hypotheses for the kinetic effects: i) a hydrogen storage mechanism or ii) a basic co-catalysis of 4-hydroxiphenolate. The most promising results were found for the latter hypothesis, where a new mixed mechanism for the aldol condensation step of the Guerbet process involves the hydroquinone (i.e. the reduced form of benzoquinone) as proton source instead of ethanol. This mechanism was found to be energetically more favorable than an aldol condensation in absence of additive, suggesting that the hydroquinone derived from benzoquinone could be the key species affecting the kinetics of the overall process. To verify this theoretical hypothesis, new phenol derivatives were tested as additives in the Guerbet reaction. The outcomes confirmed that an aromatic acid (stronger than ethanol) could improve the reaction kinetics. Lastly, theoretical products distributions were simulated and compared to the experimental one, using the DFT computations to build the kinetic models.