947 resultados para Materiali compositi, CFRP, Combined Loading Compression (CLC) test method


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This paper emphasizes the influence of micro mechanisms of failure of a cellular material on its phenomenological response. Most of the applications of cellular materials comprise a compression loading. Thus, the study focuses on the influence of the anisotropy in the mechanical behavior of cellular material under cyclic compression loadings. For this study, a Digital Image Correlation (DIC) technique (named Correli) was applied, as well as SEM (Scanning Electron Microscopy) images were analyzed. The experimental results are discussed in detail for a closed-cell rigid poly (vinyl chloride) (PVC) foam, showing stress-strain curves in different directions and why the material can be assumed as transversely isotropic. Besides, the present paper shows elastic and plastic Poisson's ratios measured in different planes, explaining why the plastic Poisson's ratios approach to zero. Yield fronts created by the compression loadings in different directions and the influence of spring-back phenomenon on hardening curves are commented, also.

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Numerosi incidenti verificatisi negli ultimi dieci anni in campo chimico e petrolchimico sono dovuti all’innesco di sostanze infiammabili rilasciate accidentalmente: per questo motivo gli scenari incidentali legati ad incendi esterni rivestono oggigiorno un interesse crescente, in particolar modo nell’industria di processo, in quanto possono essere causa di ingenti danni sia ai lavoratori ed alla popolazione, sia alle strutture. Gli incendi, come mostrato da alcuni studi, sono uno dei più frequenti scenari incidentali nell’industria di processo, secondi solo alla perdita di contenimento di sostanze pericolose. Questi eventi primari possono, a loro volta, determinare eventi secondari, con conseguenze catastrofiche dovute alla propagazione delle fiamme ad apparecchiature e tubazioni non direttamente coinvolte nell’incidente primario; tale fenomeno prende il nome di effetto domino. La necessità di ridurre le probabilità di effetto domino rende la mitigazione delle conseguenze un aspetto fondamentale nella progettazione dell’impianto. A questo scopo si impiegano i materiali per la protezione passiva da fuoco (Passive Fire Protection o PFP); essi sono sistemi isolanti impiegati per proteggere efficacemente apparecchiature e tubazioni industriali da scenari di incendio esterno. L’applicazione dei materiali per PFP limita l’incremento di temperatura degli elementi protetti; questo scopo viene raggiunto tramite l’impiego di differenti tipologie di prodotti e materiali. Tuttavia l’applicazione dei suddetti materiali fireproofing non può prescindere da una caratterizzazione delle proprietà termiche, in particolar modo della conducibilità termica, in condizioni che simulino l’esposizione a fuoco. Nel presente elaborato di tesi si è scelto di analizzare tre materiali coibenti, tutti appartenenti, pur con diversità di composizione e struttura, alla classe dei materiali inorganici fibrosi: Fibercon Silica Needled Blanket 1200, Pyrogel®XT, Rockwool Marine Firebatt 100. I tre materiali sono costituiti da una fase solida inorganica, differente per ciascuno di essi e da una fase gassosa, preponderante come frazione volumetrica. I materiali inorganici fibrosi rivestono una notevole importanza rispetto ad altri materiali fireproofing in quanto possono resistere a temperature estremamente elevate, talvolta superiori a 1000 °C, senza particolari modifiche chimico-fisiche. Questo vantaggio, unito alla versatilità ed alla semplicità di applicazione, li rende leader a livello europeo nei materiali isolanti, con una fetta di mercato pari circa al 60%. Nonostante l’impiego dei suddetti materiali sia ormai una realtà consolidata nell’industria di processo, allo stato attuale sono disponibili pochi studi relativi alle loro proprietà termiche, in particolare in condizioni di fuoco. L’analisi sperimentale svolta ha consentito di identificare e modellare il comportamento termico di tali materiali in caso di esposizione a fuoco, impiegando nei test, a pressione atmosferica, un campo di temperatura compreso tra 20°C e 700°C, di interesse per applicazioni fireproofing. Per lo studio delle caratteristiche e la valutazione delle proprietà termiche dei tre materiali è stata impiegata principalmente la tecnica Transient Plane Source (TPS), che ha consentito la determinazione non solo della conducibilità termica, ma anche della diffusività termica e della capacità termica volumetrica, seppure con un grado di accuratezza inferiore. I test sono stati svolti su scala di laboratorio, creando un set-up sperimentale che integrasse opportunamente lo strumento Hot Disk Thermal Constants Analyzer TPS 1500 con una fornace a camera ed un sistema di acquisizione dati. Sono state realizzate alcune prove preliminari a temperatura ambiente sui tre materiali in esame, per individuare i parametri operativi (dimensione sensori, tempi di acquisizione, etc.) maggiormente idonei alla misura della conducibilità termica. Le informazioni acquisite sono state utilizzate per lo sviluppo di adeguati protocolli sperimentali e per effettuare prove ad alta temperatura. Ulteriori significative informazioni circa la morfologia, la porosità e la densità dei tre materiali sono state ottenute attraverso stereo-microscopia e picnometria a liquido. La porosità, o grado di vuoto, assume nei tre materiali un ruolo fondamentale, in quanto presenta valori compresi tra 85% e 95%, mentre la frazione solida ne costituisce la restante parte. Inoltre i risultati sperimentali hanno consentito di valutare, con prove a temperatura ambiente, l’isotropia rispetto alla trasmissione del calore per la classe di materiali coibenti analizzati, l’effetto della temperatura e della variazione del grado di vuoto (nel caso di materiali che durante l’applicazione possano essere soggetti a fenomeni di “schiacciamento”, ovvero riduzione del grado di vuoto) sulla conducibilità termica effettiva dei tre materiali analizzati. Analoghi risultati, seppure con grado di accuratezza lievemente inferiore, sono stati ottenuti per la diffusività termica e la capacità termica volumetrica. Poiché è nota la densità apparente di ciascun materiale si è scelto di calcolarne anche il calore specifico in funzione della temperatura, di cui si è proposto una correlazione empirica. I risultati sperimentali, concordi per i tre materiali in esame, hanno mostrato un incremento della conducibilità termica con la temperatura, da valori largamente inferiori a 0,1 W/(m∙K) a temperatura ambiente, fino a 0,3÷0,4 W/(m∙K) a 700°C. La sostanziale similitudine delle proprietà termiche tra i tre materiali, appartenenti alla medesima categoria di materiali isolanti, è stata riscontrata anche per la diffusività termica, la capacità termica volumetrica ed il calore specifico. Queste considerazioni hanno giustificato l’applicazione a tutti i tre materiali in esame dei medesimi modelli per descrivere la conducibilità termica effettiva, ritenuta, tra le proprietà fisiche determinate sperimentalmente, la più significativa nel caso di esposizione a fuoco. Lo sviluppo di un modello per la conducibilità termica effettiva si è reso necessario in quanto i risultati sperimentali ottenuti tramite la tecnica Transient Plane Source non forniscono alcuna informazione sui contributi offerti da ciascun meccanismo di scambio termico al termine complessivo e, pertanto, non consentono una facile generalizzazione della proprietà in funzione delle condizioni di impiego del materiale. La conducibilità termica dei materiali coibenti fibrosi e in generale dei materiali bi-fasici tiene infatti conto in un unico valore di vari contributi dipendenti dai diversi meccanismi di scambio termico presenti: conduzione nella fase gassosa e nel solido, irraggiamento nelle superfici delle cavità del solido e, talvolta, convezione; inoltre essa dipende fortemente dalla temperatura e dalla porosità. Pertanto, a partire dal confronto con i risultati sperimentali, tra cui densità e grado di vuoto, l’obiettivo centrale della seconda fase del progetto è stata la scelta, tra i numerosi modelli a disposizione in letteratura per materiali bi-fasici, di cui si è presentata una rassegna, dei più adatti a descrivere la conducibilità termica effettiva nei materiali in esame e nell’intervallo di temperatura di interesse, fornendo al contempo un significato fisico ai contributi apportati al termine complessivo. Inizialmente la scelta è ricaduta su cinque modelli, chiamati comunemente “modelli strutturali di base” (Serie, Parallelo, Maxwell-Eucken 1, Maxwell-Eucken 2, Effective Medium Theory) [1] per la loro semplicità e versatilità di applicazione. Tali modelli, puramente teorici, hanno mostrato al raffronto con i risultati sperimentali numerosi limiti, in particolar modo nella previsione del termine di irraggiamento, ovvero per temperature superiori a 400°C. Pertanto si è deciso di adottare un approccio semi-empirico: è stato applicato il modello di Krischer [2], ovvero una media pesata su un parametro empirico (f, da determinare) dei modelli Serie e Parallelo, precedentemente applicati. Anch’esso si è rivelato non idoneo alla descrizione dei materiali isolanti fibrosi in esame, per ragioni analoghe. Cercando di impiegare modelli caratterizzati da forte fondamento fisico e grado di complessità limitato, la scelta è caduta sui due recenti modelli, proposti rispettivamente da Karamanos, Papadopoulos, Anastasellos [3] e Daryabeigi, Cunnington, Knutson [4] [5]. Entrambi presentavano il vantaggio di essere stati utilizzati con successo per materiali isolanti fibrosi. Inizialmente i due modelli sono stati applicati con i valori dei parametri e le correlazioni proposte dagli Autori. Visti gli incoraggianti risultati, a questo primo approccio è seguita l’ottimizzazione dei parametri e l’applicazione di correlazioni maggiormente idonee ai materiali in esame, che ha mostrato l’efficacia dei modelli proposti da Karamanos, Papadopoulos, Anastasellos e Daryabeigi, Cunnington, Knutson per i tre materiali analizzati. Pertanto l’obiettivo finale del lavoro è stato raggiunto con successo in quanto sono stati applicati modelli di conducibilità termica con forte fondamento fisico e grado di complessità limitato che, con buon accordo ai risultati sperimentali ottenuti, consentono di ricavare equazioni predittive per la stima del comportamento, durante l’esposizione a fuoco, dei materiali fireproofing in esame. Bologna, Luglio 2013 Riferimenti bibliografici: [1] Wang J., Carson J.K., North M.F., Cleland D.J., A new approach to modelling the effective thermal conductivity of heterogeneous materials. International Journal of Heat and Mass Transfer 49 (2006) 3075-3083. [2] Krischer O., Die wissenschaftlichen Grundlagen der Trocknungstechnik (The Scientific Fundamentals of Drying Technology), Springer-Verlag, Berlino, 1963. [3] Karamanos A., Papadopoulos A., Anastasellos D., Heat Transfer phenomena in fibrous insulating materials. (2004) Geolan.gr http://www.geolan.gr/sappek/docs/publications/article_6.pdf Ultimo accesso: 1 Luglio 2013. [4] Daryabeigi K., Cunnington G. R., and Knutson J. R., Combined Heat Transfer in High-Porosity High-Temperature Fibrous Insulation: Theory and Experimental Validation. Journal of Thermophysics and Heat Transfer 25 (2011) 536-546. [5] Daryabeigi K., Cunnington G.R., Knutson J.R., Heat Transfer Modeling for Rigid High-Temperature Fibrous Insulation. Journal of Thermophysics and Heat Transfer. AIAA Early Edition/1 (2012).

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Polyetheretherketone (PEEK) is a novel polymer with potential advantages for its use in demanding orthopaedic applications (e.g. intervertebral cages). However, the influence of a physiological environment on the mechanical stability of PEEK has not been reported. Furthermore, the suitability of the polymer for use in highly stressed spinal implants such as intervertebral cages has not been investigated. Therefore, a combined experimental and analytical study was performed to address these open questions. A quasi-static mechanical compression test was performed to compare the initial mechanical properties of PEEK-OPTIMA polymer in a dry, room-temperature and in an aqueous, 37 degrees C environment (n=10 per group). The creep behaviour of cylindrical PEEK polymer specimens (n=6) was measured in a simulated physiological environment at an applied stress level of 10 MPa for a loading duration of 2000 hours (12 weeks). To compare the biomechanical performance of different intervertebral cage types made from PEEK and titanium under complex loading conditions, a three-dimensional finite element model of a functional spinal unit was created. The elastic modulus of PEEK polymer specimens in a physiological environment was 1.8% lower than that of specimens tested at dry, room temperature conditions (P<0.001). The results from the creep test showed an average creep strain of less than 0.1% after 2000 hours of loading. The finite element analysis demonstrated high strain and stress concentrations at the bone/implant interface, emphasizing the importance of cage geometry for load distribution. The stress and strain maxima in the implants were well below the material strength limits of PEEK. In summary, the experimental results verified the mechanical stability of the PEEK-OPTIMA polymer in a simulated physiological environment, and over extended loading periods. Finite element analysis supported the use of PEEK-OPTIMA for load-bearing intervertebral implants.

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The rehabilitation of concrete structures, especially concrete bridge decks, is a major challenge for transportation agencies in the United States. Often, the most appropriate strategy to preserve or rehabilitate these structures is to provide some form of a protective coating or barrier. These surface treatments have typically been some form of polymer, asphalt, or low-permeability concrete, but the application of UHPC has shown promise for this application mainly due to its negligible permeability, but also as a result of its excellent mechanical properties, self-consolidating nature, rapid gain strength, and minimal creep and shrinkage characteristics. However, for widespread acceptance, durability and performance of the composite system must be fully understood, specifically the bond between UHPC and NSC often used in bridge decks. It is essential that the bond offers enough strength to resist the stress due to mechanical loading or thermal effects, while also maintaining an extended service-life performance. This report attempts to assess the bond strength between UHPC and NSC under different loading configurations. Different variables, such as roughness degree of the concrete substrates, age of bond, exposure to freeze-thaw cycles and wetting conditions of the concrete substrate, were included in this study. The combination of splitting tensile test with 0, 300, 600 and 900 freeze-thaw cycles was carried out to assess the bond performance under severe ambient conditions. The slant-shear test was utilized with different interface angles to provide a wide understanding of the bond performance under different combinations of compression and shear stresses. The pull-off test is the most accepted method to evaluate the bond strength in the field. This test which studies the direct tensile strength of the bond, the most severe loading condition, was used to provide data that can be correlated with the other tests that only can be used in the laboratory. The experimental program showed that the bond performance between UHPC and NSC is successful, as the strength regardless the different degree of roughness of the concrete substrate, the age of the composite specimens, the exposure to freeze-thaw cycles and the different loading configurations, is greater than that of concrete substrate and largely satisfies with ACI 546.3R-06.

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OBJECTIVE: The effects of mechanical deformation of intact cartilage tissue on chondrocyte biosynthesis in situ have been well documented, but the mechanotransduction pathways that regulate such phenomena have not been elucidated completely. The goal of this study was to examine the effects of tissue deformation on the morphology of a range of intracellular organelles which play a major role in cell biosynthesis and metabolism. DESIGN: Using chemical fixation, high pressure freezing, and electron microscopy, we imaged chondrocytes within mechanically compressed cartilage explants at high magnification and quantitatively and qualitatively assessed changes in organelle volume and shape caused by graded levels of loading. RESULTS: Compression of the tissue caused a concomitant reduction in the volume of the extracellular matrix (ECM), chondrocyte, nucleus, rough endoplasmic reticulum, and mitochondria. Interestingly, however, the Golgi apparatus was able to resist loss of intraorganelle water and retain a portion of its volume relative to the remainder of the cell. These combined results suggest that a balance between intracellular mechanical and osmotic gradients govern the changes in shape and volume of the organelles as the tissue is compressed. CONCLUSIONS: Our results lead to the interpretive hypothesis that organelle volume changes appear to be driven mainly by osmotic interactions while shape changes are mediated by structural factors, such as cytoskeletal interactions that may be linked to extracellular matrix deformations. The observed volume and shape changes of the chondrocyte organelles and the differential behavior between organelles during tissue compression provide evidence for an important mechanotransduction pathway linking translational and post-translational events (e.g., elongation and sulfation of glycosaminoglycans (GAGs) in the Golgi) to cell deformation.

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Skeletal diseases such as osteoporosis impose a severe socio-economic burden to ageing societies. Decreasing mechanical competence causes a rise in bone fracture incidence and mortality especially after the age of 65 y. The mechanisms of how bone damage is accumulated under different loading modes and its impact on bone strength are unclear. We hypothesise that damage accumulated in one loading mode increases the fracture risk in another. This study aimed at identifying continuum damage interactions between tensile and compressive loading modes. We propose and identify the material constants of a novel piecewise 1D constitutive model capable of describing the mechanical response of bone in combined tensile and compressive loading histories. We performed several sets of loading–reloading experiments to compute stiffness, plastic strains, and stress-strain curves. For tensile overloading, a stiffness reduction (damage) of 60% at 0.65% accumulated plastic strain was detectable as stiffness reduction of 20% under compression. For compressive overloading, 60% damage at 0.75% plastic strain was detectable as a stiffness reduction of 50% in tension. Plastic strain at ultimate stress was the same in tension and compression. Compression showed softening and tension exponential hardening in the post-yield regime. The hardening behaviour in compression is unaffected by a previous overload in tension but the hardening behaviour in tension is affected by a previous overload in compression as tensile reloading strength is significantly reduced. This paper demonstrates how damage accumulated under one loading mode affects the mechanical behaviour in another loading mode. To explain this and to illustrate a possible implementation we proposed a theoretical model. Including such loading mode dependent damage and plasticity behaviour in finite element models will help to improve fracture risk analysis of whole bones and bone implant structures.

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The objectives of this research were (1) to study the effect of contact pressure, compression time, and liquid (moisture content of the fabric) on the transfer by sliding contact of non-fixed surface contamination to protective clothing constructed from uncoated, woven fabrics, (2) to study the effect of contact pressure, compression time, and liquid content on the subsequent penetration through the fabric, and (3) to determine if varying the type of contaminant changes the effect of contact pressure, compression time, and liquid content on the transfer by sliding contact and penetration of non-fixed surface contamination. ^ It was found that the combined influence of the liquid (moisture content of the fabric), load (contact pressure), compression time, and their interactions significantly influenced the penetration of all three test agents, sucrose- 14C, triolein-3H, and starch-14C through 100% cotton fabric. The combined influence of the statistically significant main effects and their interactions increased the penetration of triolein- 3H by 32,548%, sucrose-14C by 7,006%, and starch- 14C by 1,900%. ^

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Introduction: Mechanical stress is often associated to interverterbal disc (IVD) degeneration and the effect of mechanical loading on IVD has been studied and reviewed.1,2 Previously, expression of heat shock proteins, HSP70 and HSP27 has been found in pathological discs.3 However, there is no direct evidence on whether IVD cells respond to the mechanical loading by expression of HSPs. The objective of this study is to investigate the stress response of IVD cells during compressive loading in an organ culture. Materials and Methods: Fresh adult bovine caudal discs were cultured with compressive loading applied at physiological range. Effect of loading type (static and dynamic) and repeated loading (2 hours per day for 2 days) were studied. Nucleus pulposus (NP) and annulus fibrosus (AF) of the IVD were retrieved at different time points: right after loading and right after resting. Positive control discs were heat shocked (43°C). Cell activity was assessed and expression of stress response genes (HSP70 and HSF1) and matrix remodeling genes (ACAN, COL2, COL1, ADAMTS4, MMP3 and MMP13) were studied. Results: Cell activity was maintained in all groups. Both NP and AF expressed high level of HSP70 in heat shock groups, confirming their expression in response to stress. In NP, expression of HSP70 was up-regulated after static loading and dynamic loading with higher fold change was observed after static loading. During repeated loading, HSP70 appeared to be upregulated right after loading and decreased after resting. Such trend was not observed in AF and HSF1 levels. Expressions of matrix remodeling genes did not change significantly with loading except ADAMTS4 decreased in AF during static loading. Conclusion: This study demonstrated that NP cells upregulate expression of HSP70 in response to loading induced stress without changing cell activity and matrix remodeling significantly. Acknowledgments: This project was funded by AO Spine (AOSPN) (grant number: SRN_2011_14) and a fellowship exchange award by AO Spine Scientific Research Network (SRN).

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Consolidation tests were performed on 19 samples of calcareous ooze from the Ontong Java Plateau, obtained during Ocean Drilling Program Leg 130. Rebound curves from consolidation tests on Ontong Java Plateau samples yield porosity rebounds of 1%-4% for these sediments at equivalent depths up to 1200 mbsf. The exception is a radiolarian-rich sample that has 6% rebound. A rebound correction derived from the porosity rebound vs. depth data has been combined with a correction for pore-water expansion to correct the shipboard laboratory porosity data to in-situ values. Comparison of the laboratory porosity data corrected in this manner with the downhole log data shows good agreement.

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National Highway Traffic Safety Administration, Washington, D.C.