Use of Fiber Reinforced Polymer Composite Cable for Post-tensioning Application

Corrosion of steel tendons is a major problem for post-tensioned concrete, especially because corrosion of the steel strands is often hard to detect inside grouted ducts. Non-metallic tendons can serve as an alternative material to steel for post-tensioning applications. Carbon fiber reinforced polymer (CFRP), given its higher strength and elastic modulus, as well as excellent durability and fatigue strength, is the most practical option for post-tensioning applications. The primary objective of this research project was to assess the feasibility of the use of innovative carbon fiber reinforced polymer (CFRP) tendons and to develop guidelines for CFRP in post-tensioned bridge applications, including segmental bridges and pier caps. An experimental investigation and a numerical simulation were conducted to compare the performance of a scaled segmental bridge model, post-tensioned with two types of carbon fiber strands and steel strands. The model was tested at different prestress levels and at different loading configurations. While the study confirms feasibility of both types of carbon fiber strands for segmental bridge applications, and their similar serviceability behavior, strands with higher elastic modulus could improve structural performance and minimize displacements beyond service loads. As the second component of the project, a side-by-side comparison of two types of carbon fiber strands against steel strands was conducted in a scaled pier cap model. Two different strand arrangements were used for post-tensioning, with eight and six strands, respectively representing an over-design and a slight under-design relative to the factored demand. The model was tested under service and factored loads. The investigation confirmed the feasibility of using carbon fiber strands in unbonded post-tensioning of pier caps. Considering both serviceability and overload conditions, the general performance of the pier cap model was deemed acceptable using either type of carbon fiber strands and quite comparable to that of steel strands. In another component of this research, creep stress tests were conducted with carbon fiber composite cable (CFCC). The anchorages for all the specimens were prepared using a commercially available expansive grout. Specimens withstood 95% of the guaranteed capacity provided by the manufacturer for a period of five months, without any sign of rupture.

Fatigue and Damage Tolerance in Primary Composite Aeronautical Structures

The challenging requirements set on new full composite aeronautical structures are mostly related to the demonstration of damage tolerance capability of their primary structures, required by the airworthiness bodies. And while composite-made structures inherently demonstrate exceptional fatigue properties, when put in real life working conditions, a number of external factors can lead to impact damages thus reducing drastically their fatigue resistance due to fiber delamination, disbonding or breaking. This PhD aims towards contributing to the better understanding of the behavior of the primary composite aeronautical structure after near-edge impacts which are inevitable during the service life of an aircraft. The behavior of CFRP structures after impacts in only one small piece of the big picture which is the certification of CFRP built aircraft, where several other parameters need to be evaluated in order to fulfill the airworthiness requirements. These parameters are also discussed in this PhD thesis in order to give a better understanding of the complex task of CFRP structure certification, in which behavior of the impacted structure plays an important role. An experimental and numerical campaign was carried out in order to determine the level of delamination damage in CFRP specimens after near-edge impacts. By calibrating the numerical model with experimental data, it was possible, for different configurations and energy levels, to predict the extension of a delamination in a CFRP structure and to estimate its residual static strength using a very simple but robust technique. The original contribution of this work to the analysis of CFRP structures is the creation of a model which could be applicable to wide range of thicknesses and stacking sequences of CFRP structures, thus potentially being suitable for industrial application, as well.

Design, development, and analysis of hybrid metal-composite tube for industrial application

In the aerospace, automotive, printing, and sports industries, the development of hybrid Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP)-metal components is becoming increasingly important. The coupling of metal with CFRP in axial symmetric components results in reduced production costs and increased mechanical properties such as bending, torsional stiffness, mass reduction, damping, and critical speed compared to the single material-built ones. In this thesis, thanks to a novel methodology involving a rubbery/viscoelastic interface layer, several hybrid aluminum-CFRP prototype tubes were produced. Besides, an innovative system for the cure of the CFRP part has been studied, analyzed, tested, and developed in the company that financed these research activities (Reglass SRL, Minerbio BO, Italy). The residual thermal stresses and strains have been investigated with numerical models based on the Finite Element Method (FEM) and compared with experimental tests. Thanks to numerical models, it was also possible to reduce residual thermal stresses by optimizing the lamination sequence of CFRP and determining the influence of the system parameters. A novel software and methodology for evaluating mechanical and damping properties of specimens and tubes made in CFRP were also developed. Moreover, to increase the component's damping properties, rubber nanofibers have been produced and interposed throughout the lamination of specimens. The promising results indicated that the nanofibrous mat could improve the material damping factor over 77% and be adopted in CFRP components with a negligible increment of weight or losing mechanical properties.

Advanced electrospun nanofibrous mats for hindering delamination, improving damping and for sensing of composite laminates

Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRPs) display high specific mechanical properties, allowing the creation of lightweight components and products by metals replacement. To reach outstanding mechanical performances, the use of stiff thermoset matrices, like epoxy, is preferred. Laminated composites are commonly used for their ease of manipulation during object manufacturing. However, the natural anisotropic structure of laminates makes them vulnerable toward delamination. Moreover, epoxy-based CFRPs are very stiff materials, thus showing low damping capacity, which results in unwanted vibrations and structure-borne noise that may contribute to delamination triggering. Hence, searching for systems able to limit these drawbacks is of primary importance for safety reasons, as well as for economic ones. In this experimental thesis, the production and integration of innovative rubbery nanofibrous mats into CFRP laminates are presented. A smart approach, based on single-needle electrospinning of rubber-containing blends, is proposed for producing dimensionally stable rubbery nanofibers without the need for rubber crosslinking. Nano-modified laminates aim at obtaining structural composites with improved delamination resistance and enhanced damping capacity, without significantly lowering other relevant mechanical properties. The possibility of producing nanofibers nano-reinforced with graphene to be applied for reinforcing composite laminates is also investigated. Moreover, the use of piezoelectric nanofibrous mats in hybrid composite laminates for achieving self-sensing capability is presented too as a different approach to prevent the catastrophic consequences of possible structural laminate failure. Finally, an accurate, systematic, and critical study concerning tensile testing of nonwovens, using electrospun Nylon 66 random nanofibrous mats as a case study, is proposed. Nanofibers diameter and specimen geometry were investigated to thoroughly describe the nanomat tensile behaviour, also considering the polymer thermal properties, and the number of nanofibers crossings as a function of the nanofibers diameter. Stress-strain data were also analysed using a phenomenological data fitting model to interpret the tensile behaviour better.

Valutazione della resistenza all’impatto di laminati compositi

Nel presente lavoro di tesi è stato studiato il comportamento all’impatto di laminati compositi di varia natura, valutando il danneggiamento ad impatti a bassa velocità. Il comportamento dei diversi campioni è stato osservato prendendo come riferimento un laminato in fibra di carbonio e resina epossidica. Al fine di studiare e migliorare la risposta dei materiali a questo tipo di sollecitazioni sono stati utilizzati diversi approcci: introduzione di strati eterogenei di natura differente e uso di tessuti ibridi (fibre di carbonio e fibre polimeriche). I campioni sono stati quindi sottoposti ad impatti a diversa energia, con lo scopo di valutare l’energia assorbita e la loro deformazione. I provini danneggiati sono stati quindi sottoposti ad analisi di caratterizzazione microscopica, termica e meccanica.

Progetto di Sistemi di Regolazione dell'Alimentazione ad Alta Affidabilità per Processori Multi-Core

Quasi tutti i componenti del FIVR (regolatore di tensione Buck che fornisce l'alimentazione ai microprocessori multi-core) sono implementati sul die del SoC e quindi soffrono di problemi di affidabilità associati allo scaling della tecnologia microelettronica. In particolare, la variazione dei parametri di processo durante la fabbricazione e i guasti nei dispostivi di switching (circuiti aperti o cortocircuiti). Questa tesi si svolge in ambito di un progetto di ricerca in collaborazione con Intel Corporation, ed è stato sviluppato in due parti: Inizialmente è stato arricchito il lavoro di analisi dei guasti su FIVR, svolgendo un accurato studio su quelli che sono i principali effetti dell’invecchiamento sulle uscite dei regolatori di tensione integrati su chip. Successivamente è stato sviluppato uno schema di monitoraggio a basso costo in grado di rilevare gli effetti dei guasti più probabili del FIVR sul campo. Inoltre, lo schema sviluppato è in grado di rilevare, durante il tempo di vita del FIVR, gli effetti di invecchiamento che inducono un incorretto funzionamento del FIVR. Lo schema di monitoraggio è stato progettato in maniera tale che risulti self-checking nei confronti dei suoi guasti interni, questo per evitare che tali errori possano compromettere la corretta segnalazione di guasti sul FIVR.

Analisi dei parametri fluidodinamici calcolati tramite simulazione dell'occlusione dell'auricola sinistra e della dislocazione del dispositivo in condizioni di fibrillazione atriale.

La fibrillazione atriale (FA) è la forma di aritmia cardiaca più diffusa nella pratica clinica. Attualmente, sono più di 30 milioni le persone affette da FA e si prevede una forte crescita di tale numero, conseguentemente al progressivo invecchiamento della popolazione. Ad oggi, la terapia anticoagulante orale è la principale strategia impiegata per la prevenzione di ictus ischemico. Nonostante l’efficacia degli anticoagulanti, un numero rilevante di pazienti non possono assumerli, a causa di un aumentato rischio emorragico e della pericolosa interazione con altri farmaci. È stato dimostrato che nel 90% dei casi la formazione dei trombi intracardiaci in pazienti con FA avviene in un punto ben preciso dell’atrio sinistro, ossia nell’auricola. Ciò è dovuto al fatto che essa, avendo una particolare morfologia, in condizioni non fisiologiche (emodinamica rallentata), tende a favorire la stasi del sangue al suo interno. Di conseguenza, la chiusura meccanica dell’auricola è emersa come alternativa clinica alla prevenzione farmacologica. I risultati relativi a recenti trials hanno suggerito che la chiusura percutanea della LAA attraverso l’impianto di opportuni occlusori è una terapia sicura, con un’efficacia non inferiore alla terapia di anticoagulanti orali nella prevenzione dell’ictus. L’obiettivo di questo elaborato di tesi è valutare in simulazione l’effetto dell’occlusione dell’auricola sinistra e di un eventuale dislocazione del dispositivo sulla fluidodinamica atriale in pazienti affetti da FA. Sono stati realizzati modelli 3D che simulano sia il risultato della procedura di LAAO con i dispositivi Amulet e Watchman, sia l’effetto della dislocazione dell’occlusore. Successivamente, sono state effettuate le simulazioni fluidodinamiche CFD sui modelli di atrio intero, sui modelli occlusi (privi di auricola) e sui modelli parzialmente occlusi (dislocazione Amulet) per studiare e valutare i parametri fluidodinamici (velocità, vorticità e stasi).

Evaluation of recycled carbon fibers as PLA reinforcement for additive manufacturing applications

The increased exploitation of carbon fiber reinforced polymers (CFRP) is inevitably bringing about an increase in production scraps and end-of-life components, resulting in a sharp increase in CFRP waste. Therefore, it is of paramount importance to find efficient ways to reintroduce waste into the manufacturing cycle. At present, several recycling methods for treating CFRPs are available, even if all of them still have to be optimized. The step after CFRP recycling, and also the key to build a solid and sustainable CFRP recycling market, is represented by the utilization of Re-CFs. The smartest way to utilize recovered carbon fibers is through the manufacturing of recycled CFRPs, that can be done by re-impregnating the recovered fibers with a new polymeric matrix. Fused Filament Fabrication (FFF) is one of the most widely used additive manufacturing (3D printing) techniques that fabricates parts with a polymeric filament deposition process that allows to produce parts adding material layer-by-layer, only where it is needed, saving energy, raw material cost, and waste. The filament can also contain fillers or reinforcements such as recycled short carbon fibers and this makes it perfectly compliant with the re-application of the shortened recycled CF. Therefore, in this thesis work recycled and virgin carbon fiber reinforced PLA filaments have been initially produced using 5% and 10% of CFs load. Properties and characteristics of the filaments have been determined conducting different analysis (TGA, DMA, DSC). Subsequently the 5%wt. Re-CFs filament has been used to 3D print specimens for mechanical characterization (DMA, tensile test and CTE), in order to evaluate properties of printed PLA composites containing Re-CFs and evaluate the feasibility of Re-CFs in 3D printing application.

Recupero di fibre di carbonio mediante pirogassificazione per la realizzazione di materiali di seconda generazione verso un modello di economia circolare

Lo scopo del presente elaborato di tesi è quello di ottimizzare il recupero, tramite pirogassificazione, delle fibre di carbonio derivanti da scarti e rifiuti di materiali compositi. Inoltre è stato valutato il riutilizzo delle fibre di carbonio riciclate per la produzione di materiali compositi di seconda generazione. Sono stati investigati diversi agenti di sizing per valutare un eventuale miglioramento dell'adesione fibra-matrice. Sulle singole fibre di carbonio riciclate è stata effettuata la caratterizzazione meccanica (prove a trazione) e morfologica (SEM). Inoltre, i materiali compositi realizzati sono stati caratterizzati meccanicamente (prove a trazione, a flessione e DMA), termicamente (TGA, DSC) e morfologicamente (SEM).

Sviluppo di tessuti nanofibrosi in Nylon 66 con migliorata capacità di contrasto alla delaminazione

Il presente elaborato finale presenta lo sviluppo e la caratterizzazione di tessuti nanofibrosi in Nylon 66, ottenuti mediante elettrofilatura, da utilizzarsi per contrastare la delaminazione di compositi in fibra di carbonio (CFRP). Ottimizzati i parametri di processo, sono state preparate membrane di diverso spessore, poi integrate in laminati CFRP. Per consentire la reticolazione della resina e la corretta integrazione del rinforzo nanofibroso, è stato effettuato un processo di cura ottimizzato in autoclave. La tenacità a frattura interlaminare dei compositi nanomodificati risulta significativamente superiore al composito di riferimento.

Rinforzi grafenici in nanofibre per la modifica di materiali compositi

I CFRP laminati offrono vari vantaggi rispetto ai materiali metallici: su tutti un peso ridotto e migliori proprietà meccaniche. Tuttavia, hanno un basso damping (smorzamento delle vibrazioni) e una bassa resistenza alla delaminazione, che possono portare a forti limitazioni durante la vita d’uso del materiale. Lo scopo del seguente elaborato riguarda la produzione di vari tessuti nanofibrosi in polimeri termoplastici, tra cui Nylon 66, eventualmente additivati con grafene, da includere in laminati compositi al fine di migliorare i problemi sopracitati. I tessuti nanofibrosi sono stati ottenuti mediante la tecnica dell'elettrofilatura, dopo ottimizzazione delle soluzioni e del processo stesso. Prima di essere integrate, le membrane sono state caratterizzate morfologicamente tramite analisi SEM e termicamente mediante analisi DSC. I laminati nano-modificati, prodotti tramite laminazione manuale, sono quindi stati caratterizzati meccanicamente. In particolare, è stata valutata la tenacità a frattura interlaminare in Modo I e II tramite test DCB e ENF. Inoltre, sono stati eseguiti anche test Three-Point Bending al fine di avere un quadro più completo sulle proprietà meccaniche dei compositi nano-modificati.

Sviluppo di un modello stocastico per la simulazione di sperimentazioni cliniche di nuovi trattamenti per l’osteoporosi

Le fratture fragili del collo del femore rappresentano un grave problema sociosanitario, in via di aggravamento a causa dell’aumento dell’età media e dell’aspettativa di vita. Il verificarsi di tale evento dipende da più fattori: la frequenza con la quale si verificano cadute, la gravità delle stesse e lo stato di salute del paziente, in particolare la resistenza meccanica delle sue ossa e il suo grado di controllo neuro-motorio. Negli ultimi anni gli strumenti di analisi e stima della resistenza meccanica del femore basati su modelli agli elementi finiti hanno raggiunto un tale livello di maturità da prospettarne l’utilizzo nel contesto di “in silico trials”, ovvero la simulazione virtuale di sperimentazioni cliniche e precliniche. In questo studio si è sviluppato un modello stocastico in grado di simulare la sperimentazione clinica di nuovi trattamenti per l’osteoporosi. Questo comprende più sotto modelli in grado di simulare il processo di invecchiamento, determinare stocasticamente le cadute che si verificano in una certa popolazione in un determinato orizzonte temporale e l’entità delle forze che agiscono sul grande trocantere. In particolare, le cadute sono state generate a partire da una distribuzione di Poisson e le forze sono state stimate attraverso un modello stocastico multiscala. La tesi si è concentrata su aspetti metodologici e procedurali, nell’ottica di sviluppare un modello che permettesse agevolmente la variazione dei parametri associati alla caduta, dotato di buone robustezza ed applicabilità. È stato verificato come la discretizzazione nel dominio del tempo del rimodellamento osseo non influisca significativamente nella determinazione delle fratture; inoltre, il modello si è dimostrato capace di fornire risultati stabili in modo computazionalmente efficiente. La validazione dei risultati del modello, invece, ha dato risultati non soddisfacenti, per cui sarà necessario procedere in futuro a un’attenta calibrazione dei parametri del modello.

Big data analytics for proactive and predictive maintenance in electric car battery packs

The idea behind the project is to develop a methodology for analyzing and developing techniques for the diagnosis and the prediction of the state of charge and health of lithium-ion batteries for automotive applications. For lithium-ion batteries, residual functionality is measured in terms of state of health; however, this value cannot be directly associated with a measurable value, so it must be estimated. The development of the algorithms is based on the identification of the causes of battery degradation, in order to model and predict the trend. Therefore, models have been developed that are able to predict the electrical, thermal and aging behavior. In addition to the model, it was necessary to develop algorithms capable of monitoring the state of the battery, online and offline. This was possible with the use of algorithms based on Kalman filters, which allow the estimation of the system status in real time. Through machine learning algorithms, which allow offline analysis of battery deterioration using a statistical approach, it is possible to analyze information from the entire fleet of vehicles. Both systems work in synergy in order to achieve the best performance. Validation was performed with laboratory tests on different batteries and under different conditions. The development of the model allowed to reduce the time of the experimental tests. Some specific phenomena were tested in the laboratory, and the other cases were artificially generated.

Metilazione del DNA e Trapianto Allogenico di Cellule Staminali Emopoietiche

Il trapianto di cellule staminali emopoietiche rappresenta la terapia di scelta per numerose patologie ematologiche. Tuttavia, la mortalità da trapianto (non relapse mortality-NRM), ha limitato per lungo tempo il suo utilizzo in pazienti di età >65 anni. L’età non può più essere considerata una controindicazione assoluta al trapianto e il suo utilizzo in fasce di età un tempo ritenute non idonee è in sensibile aumento. La NRM è legata a tre ordini di complicanze: immunologiche (malattia del trapianto contro l’ospite, Graft versus-Host Disease -GVHD-), infettive e tossiche. La tossicità d’organo è direttamente correlata alla intensità del condizionamento che quindi viene ridotta in caso di comorbidità e nel paziente anziano. Tuttavia, ridurre l’intensità del condizionamento significa anche aumentare il rischio di ripresa della malattia ematologica di base e quindi tale aggiustamento deve essere fatto in funzione di indici di invecchiamento e di comorbidità, al fine di non ridurre la potenzialità curativa del trapianto. Per valutare le comorbidità abbiamo uno score altamente predittivo (Hematopoietic Cell Transplant-Comorbidity Index, di Sorror), mentre per valutare l’invecchiamento c’è una grande necessità clinica di marcatori innovativi di età biologica. Il presente lavoro ha l’obiettivo di valutare, nei pazienti sottoposti a trapianto allogenico di cellule staminali emopoietiche per tutte le indicazioni ematologiche, lo stato di metilazione del DNA, indice di età biologica. Lo scopo è di correlare l’epigenoma al rischio trapiantologico del singolo individuo.

Production and characterization of novel thermoplastic (nano)composite materials for additive manufacturing applications

The increasing environmental global regulations have directed scientific research towards more sustainable materials, even in the field of composite materials for additive manufacturing. In this context, the presented research is devoted to the development of thermoplastic composites for FDM application with a low environmental impact, focusing on the possibility to use wastes from different industrial processes as filler for the production of composite filaments for FDM 3D printing. In particular carbon fibers recycled by pyro-gasification process of CFRP scraps were used as reinforcing agent for PLA, a biobased polymeric matrix. Since the high value of CFs, the ability to re-use recycled CFs, replacing virgin ones, seems to be a promising option in terms of sustainability and circular economy. Moreover, wastes from different agricultural industries, i.e. wheat and rice production processes, were valorised and used as biofillers for the production of PLA-biocomposites. The integration of these agricultural wastes into PLA bioplastic allowed to obtain biocomposites with improved eco-sustainability, biodegradability, lightweight, and lower cost. Finally, the study of novel composites for FDM was extended towards elastomeric nanocomposite materials, in particular TPU reinforced with graphene. The research procedure of all projects involves the optimization of production methods of composite filaments with a particular attention on the possible degradation of polymeric matrices. Then, main thermal properties of 3D printed object are evaluated by TGA, DSC characterization. Additionally, specific heat capacity (CP) and Coefficient of Linear Thermal Expansion (CLTE) measurements are useful to estimate the attitude of composites for the prevention of typical FDM issues, i.e. shrinkage and warping. Finally, the mechanical properties of 3D printed composites and their anisotropy are investigated by tensile test using distinct kinds of specimens with different printing angles with respect to the testing direction.