Studio del decadimento delle proprietà meccaniche di compositi CFRP sottoposti a invecchiamento termico

I componenti del carbonio in ambito strutturale (aeronautico, navale, automobilistico) sono soggetti a deterioramenti ambientali di difficile determinazione, in particolare alla temperatura e all'umidità. Scopo di questa tesi è determinare i danneggiamenti dei materiali compositi CFRP in funzione di un invecchiamento a diverse percentuali della temperatura di transizione vetrosa Tg. In particolare si vuole studiare e approfondire il processo di reazione della matrice e del carbonio. Per meglio descrivere il procedimento di deterioramento e reazione del materiale composito dovuto ad alti livelli di temperatura, mi sono avvalso del supporto pratico dell’azienda “Riba Composites” di Faenza che in particolare si occupa della prototipazione e produzione di componenti strutturali in materiali compositi avanzati e che si è dimostrata leader nel settore dei compositi CFRP. Pochi studi sono stati condotti su tale argomento. Da qui il mio interesse specifico nel volere studiare e dimostrare come questo processo possa ulteriormente apportare un aiuto agli studi in ambito strutturale già effettuati e pubblicati precedentemente. La dimostrazione pratica della seguente tesi è avvenuta, con l’aiuto dell’Ing. Paolo Proli, nel laboratorio di MaSTeR Lab dell’Università di Bologna, dove si è deciso di eseguire vari invecchiamenti termici a diverse temperature per constatare i livelli di deterioramento e influenza delle variazioni di temperatura sulla matrice del composito preso in analisi. Gli effetti di tale studi sono stati sostenuti anche grazie alla guida del Professore Lorenzo Donati, e verranno dettagliatamente evidenziati nello specifico con spiegazioni in ambito teorico e dimostrazioni pratiche affiancate da schemi dimostrativi e supporto grafico.

Applicazione di reticoli di Bragg "chirped" per il monitoraggio strutturale di laminati CFRP

L’uso dei materiali compositi è andato aumentando negli ultimi decenni per la loro elevata rigidezza, la resistenza specifica e il possibile risparmio, notevole in termini di peso dell’intera struttura. Tali materiali introducono però nuove problematiche riguardanti le modalità di danneggiamento e il comportamento a fatica. Mentre questi fenomeni sono relativamente ben compresi nei materiali metallici, per una struttura in composito non esistono ancora modelli in grado di predire con sufficiente affidabilità l’evoluzione del danneggiamento. Negli ultimi anni la ricerca si è focalizzata sullo sviluppo di sistemi in grado di rilevare la presenza e l’evoluzione del danno, definiti Structural Health Monitoring Systems, ovvero sistemi di monitoraggio strutturale. Il danneggiamento strutturale può così essere individuato e identificato per mezzo di sensori distribuiti integrati nella struttura stessa, aventi la possibilità di trasmettere queste informazioni a un sistema di analisi esterno permettendo di valutare lo stato di degrado della struttura in tempo reale. In questo contesto si inseriscono le attività di ricerca sulle strutture intelligenti che, inglobando al loro interno opportune tipologie di sensori e attuatori, sono in grado di monitorare l’ambiente fisico operativo, raccoglierne e interpretarne le informazioni per poi rispondere ai cambiamenti della struttura in modo appropriato attraverso gli attuatori. L’impiego di sensori e attuatori inglobati nelle strutture offre molteplici vantaggi rispetto ai sistemi di trasduzione e attuazione convenzionali. L’attività di ricerca condotta in questa tesi è rivolta all’indagine di tecniche di SHM per mezzo di sensori a fibra ottica. Essi presentano molteplici peculiarità che li rendono i candidati ideali per queste applicazioni. Esistono diversi tipi di sensori che utilizzano le fibre ottiche. Nel presente lavoro si sono utilizzati sensori di deformazione basati sui reticoli di Bragg (FBG) chirped. Questi sensori sono costituiti da un reticolo inscritto all’interno della fibra, che ha l’effetto di riflettere solo alcune lunghezze d’onda della luce incidente. Se le proprietà geometriche del reticolo cambiano per effetto di una deformazione, cambia anche la forma dello spettro riflesso. Inoltre, con il tipo di sensore usato, è possibile correlare lo spettro con la posizione di eventuali danneggiamenti interni al materiale. Gli obbiettivi di questa ricerca sono di verificare gli effetti della presenza di una fibra ottica sulle caratteristiche meccaniche di un laminato e di trovare un legame tra la risposta in frequenza del sensore FBG e lo stato tensionale e il grado di danneggiamento di un componente in composito.

Valutazioni economiche ed ambientali del riciclo della plastica

L’obiettivo del lavoro è stato quello di definire la filiera di smaltimento dei rifiuti di plastica di origine domestica. La modellazione della stessa ha preso come riferimento un insieme di informazioni rese disponibili dal CONAI, Consorzio Nazionale degli Imballaggi. Noti gli attori e le attività svolte al fine dell’avvio a recupero della frazione raccolta, è stato sviluppato un modello economico adeguato al fine di ripartire i costi delle attività in funzione della gestione del materiale. Tale modellazione non prende in esame le spese e gli introiti allocati al Consorzio, ma si focalizza sulle attività di raccolta, selezione e avvio a recupero. Ci si è poi concentrati sulla modellazione economica dell’avvio a recupero della frazione di plastica raccolta dal Comune di Bologna. Ripartendo la responsabilità di gestione tra il gestore del servizio (Hera), il Centro Comprensoriale (CC Akron Granarolo), i Centri di Selezione (CSS Argeco e Idealservice) e i riciclatori (tra quelli convenzionati al consorzio) si è definito il modello economico per il caso in esame. In particolare, si è adottato un approccio simulativo di allocazione del materiale selezionato in vista della modalità di vendita di alcuni prodotti tramite asta online. La quantificazione economica in sé risente di assunzioni definite per la determinazione di una componente di costo che possa essere il può possibile esaustiva delle operazioni svolte. Si è poi proceduto definendo una stima della quantità di diossido di carbonio prodotta in fase di combustione di carburante per la movimentazione dei flussi del caso di studio. I valori in esame sono stati desunti come prodotto tra la quantità di CO2 emessa per i chilometri percorsi a seconda della tipologia di mezzo adottata per la movimentazione dei flussi. I dati relativi alle quantità di anidrite carbonica prodotte sono stime in grammi di CO2 al chilometro realizzate da Arpa e distinte in funzione delle soluzioni tecnologiche da implementare secondo le disposizioni redatte dalla Comunità Europea. La nota metodologica adottata prevede di analizzare i risultati ottenuti in funzione della distanza percorsa, dei costi di trasporto e della quantità di CO2 generata per le attività.

Pirolisi catalitica di microalghe con zeoliti

L’aumento delle concentrazioni del diossido di carbonio in atmosfera dovuto alla combustione dei combustibili fossili è una fonte di grande preoccupazione a causa del suo impatto sul clima globale. La biomassa è l’unica fonte rinnovabile a poter essere convertita in combustibili e, tra i metodi di conversione, la pirolisi produce un liquido (bio-olio) che presenta potenzialità come combustibile. Le alghe sono una biomassa di interesse, ma il bio-olio che si ottiene è caratterizzato da composti contenenti ossigeno, zolfo e azoto che ne riducono la qualità. Tali elementi possono essere eliminati attraverso la scissione (cracking) con zeoliti con la produzione di idrocarburi. L’obiettivo dello studio è stato quello di valutare le caratteristiche del cracking catalitico di tre microalghe: Arthrospira platensis, Botryococcus braunii e Desmodesmus communis per la produzione di idrocarburi. Le biomasse sono state pirolizzate a 500 °C e i vapori prodotti termicamente sono stati fatti passare nella zeolite dove subiscono il cracking. Sono state utilizzate due zeolite a diversa acidità: un pellet H-ZSM5 (SiO2/Al2O3=38) e un monolite a base di HZSM5 (SiO2/Al2O3=80) e sepiolite. Dal cracking si ottengono sei frazioni pirolitiche: char, coke, fase acquosa, bio-olio, frazione volatile e gas non condensabili. Le frazioni sono state caratterizzate tramite analisi elementari e molecolari e dai dati ottenuti sono stati calcolati i bilanci di N, C e del potere calorifico. Per tutte le alghe si ottiene un bio-olio con un elevato contenuto di carbonio e fortemente deossigenato, ma le rese sono relativamente basse. I prodotti che contengono una maggior frazione del carbonio della biomassa iniziale sono il char ed il coke, seguiti dalla fase organica e dai gas. La distribuzione dell’azoto è simile ma con una maggiore frazione nella fase acquosa. Entrambi i catalizzatori agiscono migliorando la qualità del bio-olio tramite la riduzione dei composti azotati ed ossigenati e formando idrocarburi monoaromatici, tipici delle benzine, e poliaromatici. Il monolite, con zeolite meno acida, produce una maggior frazione di bio-olio caratterizzato, però, da una minor percentuale di composti aromatici. Si ritiene che l’aumento delle rese del bio-olio e la valorizzazione dei sottoprodotti (biochar, fase acquosa) siano indispensabili per la sostenibilità del processo.

Valutazione degli effetti di invecchiamento termico su laminati in CFRP

Valutazione degli effetti ambientali sulle caratteristiche meccaniche di materiali compositi avanzati. Laminati in fibra di carbonio e resina epossidica, sottoposti a cicli termici, sono stati analizzati per determinare le resistenze strutturali degli stessi. I valori ottenuti sono stati comparati con materiale non invecchiato.

Valutazione del risparmio di gas serra e bilancio energetico della pirolisi termo catalitica di fanghi da depurazione

I rifiuti rappresentano un’opportunità di crescita sostenibile in termini di riduzione del consumo di risorse naturali e di sviluppo di tecnologie per il riciclo di materia ed il recupero energetico. Questo progetto di ricerca si occupa di valutare, attraverso l’approccio dello studio del ciclo di vita, la valorizzazione energetica di una particolare categoria di rifiuti: i fanghi derivanti dalla depurazione delle acque. Si è studiata la valorizzazione dei fanghi attraverso l’applicazione del Thermo Catalytic Re-forming (TCR)®, tecnologia che consente di trasformare i fanghi in un carburante per la produzione di energia elettrica (bioliquido). Le valutazioni sono effettuate per una linea di processo generale e due configurazioni progettuali declinate in due scenari. Il caso di studio è stato riferito al depuratore di S. Giustina (Rimini). Per la linea di processo, per ognuna delle configurazioni e i relativi scenari, è stato compilato il bilancio energetico e di massa e, conseguentemente, valutata l’efficienza energetica del processo. Le regole della Renewable Energy Directive (RED), applicate attraverso lo strumento ‘BioGrace I’, permettono di definire il risparmio di gas serra imputabile al bioliquido prodotto. I risultati mostrano che adottare la tecnologia TRC® risulta essere energeticamente conveniente. Infatti, è possibile ricavare dal 77 al 111% del fabbisogno energetico di una linea di processo generale (linea fanghi convenzionale e recupero energetico TCR®). Questo permette, quindi, di ricavare energia utile al processo di depurazione. La massima performance si realizza quando la tecnologia si trova a valle di una linea di trattamento fanghi priva di digestione anaerobica e se il biochar prodotto viene utilizzato come combustibile solido sostitutivo del carbone. La riduzione delle emissioni imputabile al bioliquido prodotto va dal 53 al 75%, valori che soddisfano il limite definito dalla RED del 50% di riduzione delle emissioni (2017) per ogni configurazione progettuale valutata.

Basalt Fibre Reinforced Polymer Strengthening of Normal Strength Reinforced Concrete Floor Slabs Subject to Arching Effects

With ever increasing demands to strengthen existing reinforced concrete structures to facilitate higher loading due to change of use and to extend service lifetime, the use of fibre reinforced polymers (FRPs) in structural retrofitting offers an opportunity to achieve these aims. To date, most research in this area has focussed on the use of glass fibre reinforced polymer (GFRP) and carbon fibre reinforced polymer (CFRP), with relatively little on the use of basalt fibre reinforced polymer (BFRP) as a suitable strengthening material. In addition, most previous research has been carried out using simply supported elements, which have not considered the beneficial influence of in-plane lateral restraint, as experienced within a framed building structure. Furthermore, by installing FRPs using the near surface mounted (NSM) technique, disturbance to the existing structure can be minimised.
This paper outlines BFRP NSM strengthening of one third scale laterally restrained floor slabs which reflect the inherent insitu compressive membrane action (CMA) in such slabs. The span-to-depth ratios of the test slabs were 20 and 15 and all were constructed with normal strength concrete (~40N/mm2) and 0.15% steel reinforcement. 0.10% BFRP was used in the retrofitted samples, which were compared with unretrofitted control samples. In addition, the bond strength of BFRP bars bonded into concrete was investigated over a range of bond lengths with two different adhesive thicknesses. This involved using an articulated beam arrangement in order to establish optimum bond characteristics for use in strengthening slab samples.

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.

Effects of Accelerated Hygroscopic Ageing on Interlaminar Shear Strength and Glass Transition Temperature of CFRP

This study, which is undertaken in cooperation with Riba-COMPOSITES, investigates the effects of hygroscopic ageing on the Interlaminar Shear Strength and Glass Transition Temperature of short-beams made of carbon fibre reinforced polymer (CFRP) composites provided by two different vendors. The materials have the same weave pattern but differ in the epoxy resin formulation. The tests are done in accordance with ASTM. Accelerated ageing techniques are carried out by immersion of the specimens in deionized water at 70°C for different periods of time, developing different degrees of ageing. The results of the tests confirm that hygroscopic ageing causes a loss of properties and a depression of the glass transition temperature in both the materials. However, since one of the two materials shows more constant property degradation, its behaviour in service conditions should be more easily predictable.

Comparative analysis of triple band S-C-L erbium-doped fibre and semiconductor optical amplifier for CWDM applications

The authors present a comparative analysis between a triple-band S-C-L erbium-doped fibre amplifier and a commercial semiconductor optical amplifier in a CWDM application scenario. Both technologies were characterised for gain and noise figures from 1480 to 1610 nm (S, C and L bands) and their systemic performances were evaluated in terms of bit error rate measurements for a wide range of optical power levels.

Finite element homogenization technique for the characterization of d(15) shear piezoelectric macro-fibre composites

A finite element homogenization method for a shear actuated d(15) macro-fibre composite (MFC) made of seven layers (Kapton, acrylic, electrode, piezoceramic fibre and epoxy composite, electrode, acrylic, Kapton) is proposed and used for the characterization of its effective material properties. The methodology is first validated for the MFC active layer only, made of piezoceramic fibre and epoxy, through comparison with previously published analytical results. Then, the methodology is applied to the seven-layer MFC. It is shown that the packaging reduces significantly the shear stiffness of the piezoceramic material and, thus, leads to significantly smaller effective electromechanical coupling coefficient k(15) and piezoelectric stress constant e(15) when compared to the piezoceramic fibre properties. However, it is found that the piezoelectric charge constant d(15) is less affected by the softer layers required by the MFC packaging.

Effect of fibre morphology on flocculation of fibre-cement suspensions

The objective of the present research was to evaluate the effect of fibre morphology (e.g., length, width, fibrillation, broken ends, content of fines and number of fibres per gram) on flocculation and drainage properties of fibre-cement suspensions and on physical properties of the fibre-cement composites. Mechanical refining was used to change the morphological properties of Eucalyptus and Pinus pulps. Results show that the mechanical refining increased the size of the formed flocs and decreased the concentration of free small particles (with dimensions between 1 and 20 pm) as a consequence of the increased fibrillation and content of fines, which increased the capacity of the fibres to capture the mineral particles. High levels of refining were necessary for Pinus pulp to obtain cement retention values similar to those obtained by unrefined Eucalyptus pulp. This is due to the higher number of fibres per gram in Eucalyptus pulp than in Pinus pulp. Pulp refining improved the packing of the particles and, although decreased the drainage rate. it contributed to a less porous structure, which improved the microstructure of the composite. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Performance evaluation of packing materials in the removal of hydrogen sulphide in gas-phase biofilters: Polyurethane foam, sugarcane bagasse, and coconut fibre

The main objective of this work was to investigate three packing materials (polyurethane foam, sugar-cane bagasse, and coconut fibre) for biofiltration of a gaseous mixture containing hydrogen sulphide (H(2)S). Mixed cultures were obtained from two sources, aerated submerged biofilters and activated sludge, and were utilised as inoculums. Biofilters reached 100% removal efficiency after two clays of operation. The empty bed residence time was 495 for each of the biofilters. The reactors were operated simultaneously, and the inlet concentrations of H(2)S varied between 184 and 644 ppmv during the long-term continuous operation of the biofilters (100 clays). Average removal efficiencies remained above 99.3%, taking into consideration the entire period of operation. Average elimination capacities reached by the biofilters packed with polyurethane foam, coconut fibre, and sugarcane bagasse were in the range of 17.8-66.6; 18.9-68.8, and 18.7-72.9g m(-3) h(-1), respectively. Finally, we concluded that the packing materials tested in this work are appropriate for the long-term biofiltration of hydrogen sulphide. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Experimentation and numerical simulation of steel fibre reinforced concrete pipes

The results concerning on an experimental and a numerical study related to SFRCP are presented. Eighteen pipes with an internal diameter of 600 mm and fibre dosages of 10, 20 and 40 kg/m(3) were manufactured and tested. Some technological aspects were concluded. Likewise, a numerical parameterized model was implemented. With this model, the simulation of the resistant behaviour of SFRCP can be performed. In this sense, the results experimentally obtained were contrasted with those suggested by means MAP reaching very satisfactory correlations. Taking it into account, it could be said that the numerical model is a useful tool for the optimal design of the SFRCP fibre dosages, avoiding the need of the systematic employment of the test as an indirect design method. Consequently, the use of this model would reduce the overall cost of the pipes and would give fibres a boost as a solution for this structural typology.

Finite element computational modeling of externally bonded CFRP composites flexural behavior in RC beams

This paper focuses on the flexural behavior of RC beams externally strengthened with Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) fabric. A non-linear finite element (FE) analysis strategy is proposed to support the beam flexural behavior experimental analysis. A development system (QUEBRA2D/FEMOOP programs) has been used to accomplish the numerical simulation. Appropriate constitutive models for concrete, rebars, CFRP and bond-slip interfaces have been implemented and adjusted to represent the composite system behavior. Interface and truss finite elements have been implemented (discrete and embedded approaches) for the numerical representation of rebars, interfaces and composites.