Shear behavior of reinforced concrete slabs under concentrated load: an investigation through Sequentially Linear Analysis

ABSTRACT (italiano) Con crescente attenzione riguardo al problema della sicurezza di ponti e viadotti esistenti nei Paesi Bassi, lo scopo della presente tesi è quello di studiare, mediante la modellazione con Elementi Finiti ed il continuo confronto con risultati sperimentali, la risposta in esercizio di elementi che compongono infrastrutture del genere, ovvero lastre in calcestruzzo armato sollecitate da carichi concentrati. Tali elementi sono caratterizzati da un comportamento ed una crisi per taglio, la cui modellazione è, da un punto di vista computazionale, una sfida piuttosto ardua, a causa del loro comportamento fragile combinato a vari effetti tridimensionali. La tesi è incentrata sull'utilizzo della Sequentially Linear Analysis (SLA), un metodo di soluzione agli Elementi Finiti alternativo rispetto ai classici approcci incrementali e iterativi. Il vantaggio della SLA è quello di evitare i ben noti problemi di convergenza tipici delle analisi non lineari, specificando direttamente l'incremento di danno sull'elemento finito, attraverso la riduzione di rigidezze e resistenze nel particolare elemento finito, invece dell'incremento di carico o di spostamento. Il confronto tra i risultati di due prove di laboratorio su lastre in calcestruzzo armato e quelli della SLA ha dimostrato in entrambi i casi la robustezza del metodo, in termini di accuratezza dei diagrammi carico-spostamento, di distribuzione di tensioni e deformazioni e di rappresentazione del quadro fessurativo e dei meccanismi di crisi per taglio. Diverse variazioni dei più importanti parametri del modello sono state eseguite, evidenziando la forte incidenza sulle soluzioni dell'energia di frattura e del modello scelto per la riduzione del modulo elastico trasversale. Infine è stato effettuato un paragone tra la SLA ed il metodo non lineare di Newton-Raphson, il quale mostra la maggiore affidabilità della SLA nella valutazione di carichi e spostamenti ultimi insieme ad una significativa riduzione dei tempi computazionali. ABSTRACT (english) With increasing attention to the assessment of safety in existing dutch bridges and viaducts, the aim of the present thesis is to study, through the Finite Element modeling method and the continuous comparison with experimental results, the real response of elements that compose these infrastructures, i.e. reinforced concrete slabs subjected to concentrated loads. These elements are characterized by shear behavior and crisis, whose modeling is, from a computational point of view, a hard challenge, due to their brittle behavior combined with various 3D effects. The thesis is focused on the use of Sequentially Linear Analysis (SLA), an alternative solution technique to classical non linear Finite Element analyses that are based on incremental and iterative approaches. The advantage of SLA is to avoid the well-known convergence problems of non linear analyses by directly specifying a damage increment, in terms of a reduction of stiffness and strength in the particular finite element, instead of a load or displacement increment. The comparison between the results of two laboratory tests on reinforced concrete slabs and those obtained by SLA has shown in both the cases the robustness of the method, in terms of accuracy of load-displacements diagrams, of the distribution of stress and strain and of the representation of the cracking pattern and of the shear failure mechanisms. Different variations of the most important parameters have been performed, pointing out the strong incidence on the solutions of the fracture energy and of the chosen shear retention model. At last a confrontation between SLA and the non linear Newton-Raphson method has been executed, showing the better reliability of the SLA in the evaluation of the ultimate loads and displacements, together with a significant reduction of computational times.

Valutazione della risposta sismica di edifici mediante modelli anelastici equivalenti

Nella presente tesi è proposta una metodologia per lo studio e la valutazione del comportamento sismico di edifici a telaio. Il metodo prevede la realizzazione di analisi non-lineari su modelli equivalenti MDOF tipo stick, in accordo alla classificazione data nel report FEMA 440. Gli step per l’applicazione del metodo sono descritti nella tesi. Per la validazione della metodologia si sono utilizzati confronti con analisi time-history condotte su modelli tridimensionali dettagliati delle strutture studiate (detailed model). I parametri ingegneristici considerati nel confronto, nell’ottica di utilizzare il metodo proposto in un approccio del tipo Displacement-Based Design sono lo spostamento globale in sommità, gli spostamenti di interpiano, le forze di piano e la forza totale alla base. I risultati delle analisi condotte sui modelli stick equivalenti, mostrano una buona corrispondenza, ottima in certi casi, con quelli delle analisi condotte sui modelli tridimensionali dettagliati. Le time-history realizzate sugli stick model permettono però, un consistente risparmio in termini di onere computazionale e di tempo per il post-processing dei risultati ottenuti.

Approccio agli spostamenti per la valutazione della vulnerabilità sismica di telai in conglomerato cementizio armato.

Il presente lavoro ha lo scopo di presentare gli studi e i risultati ottenuti durante l’attività di ricerca svolta sul Displacement-based Assessment (DBA) dei telai in cemento armato. Dopo alcune considerazioni iniziali sul tema della vulnerabilità sismica e sui metodi di analisi e verifica, si procede alla descrizione teorica del metodo. Sono stati analizzati tre casi studio di telai piani, progettati per soli carichi verticali e secondo normative non più in vigore che non prevedevano l’applicazione della gerarchia delle resistenze. I telai considerati, destinati ad abitazione civile, hanno diversa altezza e numero di piani, e diverso numero di campate. Si è proceduto all’applicazione del metodo, alla valutazione della vulnerabilità sismica in base alla domanda in termini di spostamento costituita da uno spettro elastico previsto dall’EC8 e alla validazione dei risultati ottenuti mediante analisi non lineari statiche e dinamiche e mediante l’applicazione dei teoremi dell’Analisi limite dei telai, proposta come procedura alternativa per la determinazione del meccanismo anelastico e della capacità in termini di taglio alla base. In ultimo si è applicata la procedura DBA per la valutazione della vulnerabilità sismica di un edificio scolastico, realizzato tra il 1969 e il 1975 in un sito caratterizzato da una accelerazione di picco orizzontale pari a 0,24g e una probabilità di superamento del 10% in 75 anni.

Analisi time history per la valutazione degli scorrimenti in strutture prefabbricate con collegamenti attritivi non progettati con criteri antisismici

In questo lavoro si è tentato di fornire un metodo per la calibrazione di modelli numerici in analisi dinamiche spettrali. Attraverso una serie di analisi time history non lineari sono stati ottenuti gli spostamenti relativi orizzontali che nascono, in corrispondenza della connessione trave-pilastro di tipo attritivo, quando una struttura prefabbricata monopiano viene investita dalla componente orizzontale e verticale del sisma. Con un procedimento iterativo su varie analisi spettrali sono state calibrate delle rigidezze equivalenti che hanno permesso di ottenere, con buona approssimazione, gli stessi risultati delle analisi time history. Tali rigidezze sono state poi restituite in forma grafica. Per riprodurre gli spostamenti relativi orizzontali con un’analisi dinamica spettrale è quindi possibile collegare le travi ai pilastri con degli elementi elastici aventi rigidezza Kcoll. I valori di rigidezza restituiti da questo studio valgono per un’ampia gamma di prefabbricati monopiano (periodo proprio 0.20s < T < 2.00s) e tre differenti livelli di intensità sismica; inoltre è stata data la possibilità di considerare la plasticizzazione alla base dei pilastri e di scegliere fra due diverse posizioni nei confronti della rottura di faglia (Near Fault System o Far Fault System). La diminuzione di forza d’attrito risultante (a seguito della variazione dell’accelerazione verticale indotta dal sisma) è stata presa in considerazione utilizzando un modello in cui fra trave e pilastro è posto un isolatore a pendolo inverso (opportunamente calibrato per funzionare come semplice appoggio ad attrito). Con i modelli lineari equivalenti si riescono ad ottenere buoni risultati in tempi relativamente ridotti: è possibile così compiere delle valutazioni approssimate sulla perdita di appoggio e sulle priorità d’intervento in una determinata zona sismica.

Analisi della risposta dinamica di opere di protezione dalla caduta massi nella provincia autonoma di Bolzano

Nel contesto della progettazione di interventi di difesa da frane di crollo, la tesi è rivolta allo studio del comportamento di opere di protezione dalla caduta massi, con particolare riguardo alle barriere paramassi, strutture metalliche progettate per arrestare blocchi in caduta lungo un versante. Specificamente, il comportamento altamente non lineare di queste strutture è stato osservato mediante modellazione numerica agli elementi finiti con codice di calcolo STRAUS 7 v.2.3.3. La formulazione dei modelli è stata sviluppata a partire dai dati contenuti nel Catasto delle opere di protezione (VISO), recentemente messo a punto dalla Provincia Autonoma di Bolzano, nel contesto di una più ampia procedura di analisi della pericolosità di versante in presenza di opere di protezione, finalizzata ad una appropriata gestione del rischio indotto da frane di crollo. Sono stati messi a punto una serie di modelli agli elementi finiti di alcune tra le tipologie più ricorrenti di barriere paramassi a limitata deformabilità. Questi modelli, sottoposti ad una serie di analisi dinamiche e non-lineari, intese a simulare l’impatto di blocchi aventi massa e velocità nota, hanno permesso di osservare la risposta complessiva di queste strutture in regime dinamico identificando i meccanismi di rottura a partire dall’osservazione della formazione di cerniere plastiche, monitorando contestualmente grandezze rilevanti quali gli spostamenti e le forze mobilitate in fondazione. Questi dati, opportunamente interpretati, possono fornire i parametri necessari all’implementazione di più ampie procedure di analisi del rischio indotto da movimenti frane di crollo.

Development of open models and tools for seismic risk assessment: application to Portugal

The exponential growth of the world population has led to an increase of settlements often located in areas prone to natural disasters, including earthquakes. Consequently, despite the important advances in the field of natural catastrophes modelling and risk mitigation actions, the overall human losses have continued to increase and unprecedented economic losses have been registered. In the research work presented herein, various areas of earthquake engineering and seismology are thoroughly investigated, and a case study application for mainland Portugal is performed. Seismic risk assessment is a critical link in the reduction of casualties and damages due to earthquakes. Recognition of this relation has led to a rapid rise in demand for accurate, reliable and flexible numerical tools and software. In the present work, an open-source platform for seismic hazard and risk assessment is developed. This software is capable of computing the distribution of losses or damage for an earthquake scenario (deterministic event-based) or earthquake losses due to all the possible seismic events that might occur within a region for a given interval of time (probabilistic event-based). This effort has been developed following an open and transparent philosophy and therefore, it is available to any individual or institution. The estimation of the seismic risk depends mainly on three components: seismic hazard, exposure and vulnerability. The latter component assumes special importance, as by intervening with appropriate retrofitting solutions, it may be possible to decrease directly the seismic risk. The employment of analytical methodologies is fundamental in the assessment of structural vulnerability, particularly in regions where post-earthquake building damage might not be available. Several common methodologies are investigated, and conclusions are yielded regarding the method that can provide an optimal balance between accuracy and computational effort. In addition, a simplified approach based on the displacement-based earthquake loss assessment (DBELA) is proposed, which allows for the rapid estimation of fragility curves, considering a wide spectrum of uncertainties. A novel vulnerability model for the reinforced concrete building stock in Portugal is proposed in this work, using statistical information collected from hundreds of real buildings. An analytical approach based on nonlinear time history analysis is adopted and the impact of a set of key parameters investigated, including the damage state criteria and the chosen intensity measure type. A comprehensive review of previous studies that contributed to the understanding of the seismic hazard and risk for Portugal is presented. An existing seismic source model was employed with recently proposed attenuation models to calculate probabilistic seismic hazard throughout the territory. The latter results are combined with information from the 2011 Building Census and the aforementioned vulnerability model to estimate economic loss maps for a return period of 475 years. These losses are disaggregated across the different building typologies and conclusions are yielded regarding the type of construction more vulnerable to seismic activity.

Risposta sismica torsionale di edifici multipiano irregolari in pianta

Le strutture caratterizzate da una non coincidenza tra il baricentro delle masse e quello delle rigidezze, chiamate strutture eccentriche, sviluppano degli effetti torsionali se soggette ad un’eccitazione dinamica. Un’accurata analisi delle equazioni del moto di sistemi lineari e non lineari di strutture ad un singolo piano ha portato allo sviluppo di un metodo, detto metodo ALPHA, che, attraverso un parametro, detto parametro “alpha”, permette di stimare gli spostamenti di rotazione in funzione dei soli spostamenti longitudinali. Il limite di questo metodo, tuttavia, è quello di essere riferito a strutture ad un singolo piano, non comuni nella pratica progettuale: si è reso quindi necessario uno studio per testarne la validità anche per strutture multi piano, partendo da strutture semplici a due e tre piani. Data la semplicità del metodo ALPHA, si è deciso di affrontare questo problema cercando di cogliere il comportamento dei diversi piani della struttura multipiano con delle strutture ad un singolo piano. Sono state svolte numerose analisi numeriche in cui sono stati fatti variare i parametri di rigidezza, massa, eccentricità e distribuzione delle rigidezze dei vari piani; come indice di validità della struttura mono piano scelta si è utilizzato il rapporto tra il parametro “psi” dell’i-esimo piano e quello della struttura mono piano scelta, dove “psi” rappresenta il rapporto tra “R” ed “alpha”; “R” è il rapporto tra la massima rotazione e il massimo spostamento longitudinale per una struttura eccentrica soggetta ad un’eccitazione dinamica. Dai risultati ottenuti si deduce che, nella maggioranza dei casi, la struttura mono piano che meglio rappresenta il comportamento di tutti i piani è caratterizzata da massa e rigidezza dell’intera struttura multipiano, da un’eccentricità pari alla minore tra quelle dei vari piani e presenta la peggiore distribuzione delle rigidezze tra quelle che si riscontrano nei vari piani.

Valutazione delle proprietà di diverse misure d'intensità dello scuotimento sismico

La progettazione sismica negli ultimi anni ha subito una forte trasformazione, infatti con l’introduzione delle nuove normative tecniche si è passati dallo svolgere una verifica delle capacità locali dei singoli elementi ad una progettazione con un approccio di tipo probabilistico, il quale richiede il soddisfacimento di una serie di stati limite ai quali viene attribuita una certa probabilità di superamento. La valutazione dell’affidabilità sismica di una struttura viene condotta di solito attraverso metodologie che prendono il nome di Probabilistic Seismic Design Analysis (PSDA) in accordo con la procedura del Performance Based Earthquake Engineering (PBEE). In questa procedura di tipo probabilistico risulta di notevole importanza la definizione della misura d’intensità sismica, la quale può essere utilizzata sia come predittore della risposta strutturale a fronte di un evento sismico, sia come parametro per definire la pericolosità di un sito. Queste misure d’intensità possono essere definite direttamente dalla registrazione dell’evento sismico, come ad esempio l’accelerazione di picco del terreno, oppure sulla base della risposta, sia lineare che non, della struttura soggetta a tale evento, ovvero quelle che vengono chiamate misure d’intensità spettrali. Come vedremo è preferibile l’utilizzo di misure d’intensità che soddisfino certe proprietà, in modo da far risultare più efficace possibile le risoluzione del problema con l’approccio probabilistico PBEE. Obbiettivo principale di questa dissertazione è quello di valutare alcune di queste proprietà per un gran numero di misure d’intensità sismiche a partire dai risultati di risposta strutturale ottenuti mediante analisi dinamiche non lineari nel tempo, condotte per diverse tipologie di strutture con differenti proprietà meccaniche.

Co-simulazione e co-progetto non lineare/elettromagnetico di sistemi wireless non convenzionali

L’attività di ricerca contenuta in questa tesi si è concentrata nello sviluppo e nell’implementazione di tecniche per la co-simulazione e il co-progetto non lineare/elettromagnetico di sistemi wireless non convenzionali. Questo lavoro presenta un metodo rigoroso per considerare le interazioni tra due sistemi posti sia in condizioni di campo vicino che in condizioni di campo lontano. In sostanza, gli effetti del sistema trasmittente sono rappresentati da un generatore equivalente di Norton posto in parallelo all’antenna del sistema ricevente, calcolato per mezzo del teorema di reciprocità e del teorema di equivalenza. La correttezza del metodo è stata verificata per mezzo di simulazioni e misure, concordi tra loro. La stessa teoria, ampliata con l’introduzione degli effetti di scattering, è stata usata per valutare una condizione analoga, dove l’elemento trasmittente coincide con quello ricevente (DIE) contenuto all’interno di una struttura metallica (package). I risultati sono stati confrontati con i medesimi ottenibili tramite tecniche FEM e FDTD/FIT, che richiedono tempi di simulazione maggiori di un ordine di grandezza. Grazie ai metodi di co-simulazione non lineari/EM sopra esposti, è stato progettato e verificato un sistema di localizzazione e identificazione di oggetti taggati posti in ambiente indoor. Questo è stato ottenuto dotando il sistema di lettura, denominato RID (Remotely Identify and Detect), di funzioni di scansione angolare e della tecnica di RADAR mono-pulse. Il sistema sperimentale, creato con dispositivi low cost, opera a 2.5 GHz ed ha le dimensioni paragonabili ad un normale PDA. E’ stato sperimentata la capacità del RID di localizzare, in scenari indoor, oggetti statici e in movimento.

Analisi di vulnerabilità sismica di un edificio scolastico nella provincia di Bologna

L'elaborato ha avuto come obiettivo l'analisi di vulnerabilità del liceo scientifico Sabin. Tramite le informazioni ricavate dai rilievi e dalla documentazione disponibile in merito allo stabile, è stato creato un modello agli elementi finiti per compiere una serie di analisi dinamiche lineari a spettro di risposta. Tali analisi sono servite per giungere ad una stima dell'accelerazione orizzontale al suolo di collasso per la struttura. Tale valore è stato poi messo a paragone con quello ottenuto tramite la metodologia speditiva denominata "resisto".

Modellazione matematica delle non linearità di sistemi acustici mediante serie di Volterra modificate

In questa tesi si è studiato un metodo per modellare e virtualizzare tramite algoritmi in Matlab le distorsioni armoniche di un dispositivo audio non lineare, ovvero uno “strumento” che, sollecitato da un segnale audio, lo modifichi, introducendovi delle componenti non presenti in precedenza. Il dispositivo che si è scelto per questo studio il pedale BOSS SD-1 Super OverDrive per chitarra elettrica e lo “strumento matematico” che ne fornisce il modello è lo sviluppo in serie di Volterra. Lo sviluppo in serie di Volterra viene diffusamente usato nello studio di sistemi fisici non lineari, nel caso in cui si abbia interesse a modellare un sistema che si presenti come una “black box”. Il metodo della Nonlinear Convolution progettato dall'Ing. Angelo Farina ha applicato con successo tale sviluppo anche all'ambito dell'acustica musicale: servendosi di una tecnica di misurazione facilmente realizzabile e del modello fornito dalla serie di Volterra Diagonale, il metodo permette di caratterizzare un dispositivo audio non lineare mediante le risposte all'impulso non lineari che il dispositivo fornisce a fronte di un opportuno segnale di test (denominato Exponential Sine Sweep). Le risposte all'impulso del dispositivo vengono utilizzate per ricavare i kernel di Volterra della serie. L'utilizzo di tale metodo ha permesso all'Università di Bologna di ottenere un brevetto per un software che virtualizzasse in post-processing le non linearità di un sistema audio. In questa tesi si è ripreso il lavoro che ha portato al conseguimento del brevetto, apportandovi due innovazioni: si è modificata la scelta del segnale utilizzato per testare il dispositivo (si è fatto uso del Synchronized Sine Sweep, in luogo dell'Exponential Sine Sweep); si è messo in atto un primo tentativo di orientare la virtualizzazione verso l'elaborazione in real-time, implementando un procedimento (in post-processing) di creazione dei kernel in dipendenza dal volume dato in input al dispositivo non lineare.

Applicazione della logica fuzzy al docking tra dirigibili

Progetto e analisi delle performance di un controllore realizzato con la metodologia fuzzy per una manovra di docking fra due dirigibili. Propedeutica a questo, è stata la campagna, presso la galleria del vento messa a disposizione dalla Clarkson University, di raccolta di dati sperimentali, che sono stati poi utilizzati per realizzare un simulatore con cui testare il controllore. Nel primo capitolo, si è presentato la tecnologia dei dirigibili, le varie tipologie ed una descrizione dei moderni concepts. Successivamente, sono state presentate le applicazioni nelle quali i moderni dirigibili possono essere impiegati. L’ultima parte tratta di due esempi di docking fra mezzi aerei: il rifornimento in volo e i “parasite aircrafts”. Il secondo capitolo, tratta della logica utilizzata dal controllore: la logica fuzzy. Le basi della teoria insiemistica classica sono state il punto di partenza per mostrare come, introducendo le funzioni di appartenenza, sia possibile commutare tra la teoria classica e fuzzy. La seconda parte del capitolo affronta le nozioni della teoria fuzzy, esponendo la metodologia con la quale è possibile inserire un controllore di questo tipo in un sistema “tradizionale”. Il terzo capitolo presenta il modello di volo dei dirigibili. Partendo dalla legge di Newton, introdotto il concetto di inerzia e massa aggiunte, si arriva alle equazioni del moto non lineari. L’ultima parte è stata dedicata alla linearizzazione delle equazioni e alla condizione di trim. Il quarto capitolo riguarda la campagna sperimentale di test in galleria del vento, con la realizzazione dei modelli in scala e la calibrazione della bilancia; successivamente, nel capitolo si commentano i dati sperimentali raccolti. Il quinto capitolo, mostra la metodologia con cui è possibile progettare un controllore fuzzy per il controllo della manovra di docking fra dirigibili. La seconda parte mostra le performance ottenute con questo tipo di sistema.

Symbolic Dynamics Analysis: a new methodology for foetal heart rate variability analysis

Cardiotocography (CTG) is a widespread foetal diagnostic methods. However, it lacks of objectivity and reproducibility since its dependence on observer's expertise. To overcome these limitations, more objective methods for CTG interpretation have been proposed. In particular, many developed techniques aim to assess the foetal heart rate variability (FHRV). Among them, some methodologies from nonlinear systems theory have been applied to the study of FHRV. All the techniques have proved to be helpful in specific cases. Nevertheless, none of them is more reliable than the others. Therefore, an in-depth study is necessary. The aim of this work is to deepen the FHRV analysis through the Symbolic Dynamics Analysis (SDA), a nonlinear technique already successfully employed for HRV analysis. Thanks to its simplicity of interpretation, it could be a useful tool for clinicians. We performed a literature study involving about 200 references on HRV and FHRV analysis; approximately 100 works were focused on non-linear techniques. Then, in order to compare linear and non-linear methods, we carried out a multiparametric study. 580 antepartum recordings of healthy fetuses were examined. Signals were processed using an updated software for CTG analysis and a new developed software for generating simulated CTG traces. Finally, statistical tests and regression analyses were carried out for estimating relationships among extracted indexes and other clinical information. Results confirm that none of the employed techniques is more reliable than the others. Moreover, in agreement with the literature, each analysis should take into account two relevant parameters, the foetal status and the week of gestation. Regarding the SDA, results show its promising capabilities in FHRV analysis. It allows recognizing foetal status, gestation week and global variability of FHR signals, even better than other methods. Nevertheless, further studies, which should involve even pathological cases, are necessary to establish its reliability.

Progettazione di uno strumento di analisi dati per sistemi SCADA-ENERGY Management System

L’obiettivo di questa tesi è approfondire le competenze sulle funzionalità sviluppate nei sistemi SCADA/EMS presenti sul mercato, così da conoscerne le potenzialità offerte: tutte le conoscenze acquisite servono a progettare uno strumento di analisi dati flessibile e interattivo, con il quale è possibile svolgere analisi non proponibili con le altre soluzioni analizzate. La progettazione dello strumento di analisi dei dati è orientata a definire un modello multidimensionale per la rappresentazione delle informazioni: il percorso di progettazione richiede di individuare le informazioni d’interesse per l’utente, così da poterle reintrodurre in fase di progettazione della nuova base dati. L’infrastruttura finale di questa nuova funzionalità si concretizza in un data warehouse: tutte le informazioni di analisi sono memorizzare su una base dati diversa da quella di On.Energy, evitando di correlare le prestazione dei due diversi sottosistemi. L’utilizzo di un data warehouse pone le basi per realizzare analisi su lunghi periodi temporali: tutte le tipologie di interrogazione dati comprendono un enorme quantità d’informazioni, esattamente in linea con le caratteristiche delle interrogazioni OLAP