Valutazione degli effetti dei parametri operativi nel processo di laser ablation su materiali compositi CFRP a matrice epossidica

L’attività sperimentale presentata in questo elaborato riguarda lo studio di una particolare applicazione che impiega la tecnologia laser per la lavorazione di materiali compositi ed è stata interamente svolta, in particolar modo nella sua parte operativa, presso i laboratori della Facoltà di Ingegneria a Bologna. Il lavoro di tesi ha come obiettivo fondamentale la valutazione degli effetti che i parametri di processo possono avere sulla qualità risultante nel procedimento di ablazione per i materiali compositi. Per questa indagine sono stati utilizzati campioni piani (tutti identici tra loro) con rinforzo in fibra di carbonio e matrice in resina epossidica, i quali sono stati lavorati con un laser Nd:YAG (λ = 1064 nm) funzionante in regime continuo. L’idea alla base dell’intera attività sperimentale è stata quella di realizzare una ablazione ottimale, rimuovendo dai campioni esclusivamente la resina (in maniera locale) e tentando, allo stesso tempo, di ottenere il minimo danneggiamento possibile per le fibre. Le prove effettuate non costituiscono naturalmente un punto di arrivo, bensì rappresentano piuttosto un punto di partenza per acquisire informazioni preliminari che potranno consentire, nel prossimo futuro, di proseguire con il perfezionamento del processo e la messa a punto dei parametri, al fine di conseguire una lavorazione che dia risultati effettivamente ottimali ed interessanti per l’eventuale applicazione industriale.

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.

Analisi di sensibilità della grammatura sulla vita a fatica di un laminato in CFRP

In letteratura sono presenti numerosi studi che descrivono i fattori che influenzano la vita a fatica di un laminato in CFRP e le modalità di propagazione ed accrescimento a fatica di un difetto. Tuttavia non sono presenti studi approfonditi che leghino l’effetto che può avere la grammatura, sulla vita a fatica del laminato. Il lavoro sperimentale oggetto di questa tesi vuole intendersi un lavoro preliminare, a carattere esplorativo, sullo studio della sensibilità della grammatura sulla resistenza a fatica di laminati in CFRP, attraverso test di flessione a fatica su due configurazioni di provini di grammature differenti (600 e 800 gr/m^2), con e senza inserimento di un difetto artificiale rappresentato da un intaglio sugli ultimi strati del laminato e test di flessione eseguito in accordo allo standard ASTM D2344/D2344M. I test a fatica hanno evidenziato una sensibile riduzione della vita per i provini senza difetto realizzati con l’800 gr/m^2 rispetto a quelli realizzati con il 600 gr/m^2. Per quanto concerne la tolleranza al danno, i provini realizzati con 600 gr/m^2 hanno evidenziato una sensibilità maggiore all’effetto di intaglio, pur avendo un comportamento migliore rispetto a quelli realizzati con l’800 gr/m^2.

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.

Caratterizzazione meccanica di un incollaggio acciaio-CFRP per applicazione automotive

Nella tesi viene caratterizzato meccanicamente un giunto incollato acciaio-CFRP usato nella produzione di un componente automotive. In particolare viene analizzata l'influenza data da trattamenti termici di invecchiamento e sono messe a confronto diverse tipologie di adesivi.

Capacity optimization of a prestressed concrete railroad tie

Today the use of concrete ties is on the rise in North America as they become an economically competitive alternative to the historical industry standard wood ties, while providing performance which exceeds its competition in terms of durability and capacity. Similarly, in response to rising energy costs, there is increased demand for efficient and sustainable transportation of people and goods. One source of such transportation is the railroad. To accommodate the increased demand, railroads are constructing new track and upgrading existing track. This update to the track system will increase its capacity while making it a more reliable means of transportation compared to other alternatives. In addition to increasing the track system capacity, railroads are considering an increase in the size of the typical freight rail car to allow larger tonnage. An increase in rail car loads will in turn affect the performance requirements of the track. Due to the increased loads heavy haul railroads are considering applying to their tracks, current designs of prestressed concrete railroad ties for heavy haul applications may be undersized. In an effort to maximize tie capacity while maintaining tie geometry, fastening systems and installation equipment, a parametric study to optimize the existing designs was completed. The optimization focused on maximizing the capacity of an existing tie design through an investigation of prestressing quantity, configuration, stress levels and other material properties. The results of the parametric optimization indicate that the capacity of an existing tie can be increased most efficiently by increasing the diameter of the prestressing and concrete strength. However, researchers also found that current design specifications and procedures do not include consideration of tie behavior beyond the current tie capacity limit of cracking to the first layer of prestressing. In addition to limiting analysis to the cracking limit, failure mechanisms such as shear in deep beams at the rail seat or pullout failure of the prestressing due to lack of development length were absent from specified design procedures, but discussed in this project.

Bond Modelling of prestressed concrete during the prestressing force release

This paper presents an analytical model for simulating the bond between steel and concrete, in precast prestressed concrete elements, during the prestressing force release. The model establishes a relationship between bond stress, steel and concrete stress and slip in such concrete structures. This relationship allows us to evaluate the bond stress in the transmission zone, where bond stress is not constant, along the whole prestressing force release process. The model is validated with the results of a series of tests and is extended to evaluate the transmission length. This capability has been checked by comparing the transmission length predicted by the model and one measured experimentally in a series of tests.

Bond modelling of prestressed concrete during the prestressing force release

This paper presents an analytical model for simulating the bond between steel and concrete, in precast prestressed concrete elements, during the prestressing force release. The model establishes a relationship between bond stress, steel and concrete stress and slip in such concrete structures. This relationship allows us to evaluate the bond stress in the transmission zone, where bond stress is not constant, along the whole prestressing force release process. The model is validated with the results of a series of tests, considering different steel indentation depths and concrete covers and is extended to evaluate the transmission length. This capability has been checked by comparing the transmission length predicted by the model and one measured experimentally in two series of tests.

Study of bond stress-slip relationship and radial dilation in prestressed concrete

This paper presents two test procedures for evaluating the bond stress–slip and the slip–radial dilation relationships when the prestressing force is transmitted by releasing the steel (wire or strand) in precast prestressed elements. The bond stress–slip relationship is obtained with short length specimens, to guarantee uniform bond stress, for three depths of the wire indentation (shallow, medium and deep). An analytical model for bond stress–slip relationship is proposed and compared with the experimental results. The model is also compared with the experimental results of other researchers. Since numerical models for studying bond-splitting problems in prestressed concrete require experimental data about dilatancy angle (radial dilation), a test procedure is proposed to evaluate these parameters. The obtained values of the radial dilation are compared with the prior estimated by numerical modelling and good agreement is reached

Damage tolerance of cold drawn ferritic-austenitic stainless steels wires for prestressed concrete

Damage tolerance of high strength cold-drawn ferritic–austenitic stainless steel wires is assessed by means of tensile fracture tests of cracked wires. The fatigue crack is transversally propagated from the wire surface. The damage tolerance curve of the wires results from the empirical failure load when given as a function of crack depth. As a consequence of cold drawing, the wire microstructure is orientated along its longitudinal axis and anisotropic fracture behaviour is found at macrostructural level at the tensile failure of the cracked specimens. An in situ optical technique known as video image correlation VIC-2D is used to get an insight into this failure mechanism by tensile testing transversally fatigue cracked plane specimens extracted from the cold-drawn wires. Finally, the experimentally obtained damage tolerance curve of the cold-drawn ferritic–austenitic stainless steel wires is compared with that of an elementary plastic collapse model and existing data of two types of high strength eutectoid steel currently used as prestressing steel for concrete.

Failure analysis of prestressed anchor bars

Three broken steel bars from a sewed crack in a dam are reported. The inspection of the fracture surfaces of the prestressed bars suggests that fractures were triggered by small cracks and by the inherent brittleness of the bars, as fracture toughness was about 40 MPa m1/2. The analysis of the failures shows that the usual design requirements for prestressing bars fail to warn against brittle failures if some damage exists. Some recommendations, based on the concept of damage tolerance, are suggested to avoid similar unfortunate incidents.

An analytical model for simulating the bond of prestressed concrete during the prestressed force release

A bond analytical model is proposed in this paper. The model is capable of reproducing the bond stress developed between the steel and concrete, in precast prestressed elements, during the entire process of prestressing force release. The bond stress developed in the transmission zone, where the bond stress is not constant, is also obtained. The steel and concrete stresses as well as the slip between both materials can be also estimated by means of the relation established in the model between these parameters and the bond stress. The model is validated with the results of a series of tests, considering different steel indentation depths and concrete covers and it is extended to evaluate the transmission length. This has been checked by comparing the transmission length predicted by the model and one measured experimentally in two series of tests.

An analytical model for simulating the bond of prestressed concrete during the prestressed force release

A bond analytical model is proposed in this paper. The model is capable of reproducing the bond stress developed between the steel and concrete, in precast prestressed elements, during the entire process of prestressing force release. The bond stress developed in the transmission zone, where the bond stress is not constant, is also obtained. The steel and concrete stresses as well as the slip between both materials can be also estimated by means of the relation established in the model between these parameters and the bond stress. The model is validated with the results of a series of tests, considering different steel indentation depths and concrete covers and it is extended to evaluate the transmission length. This has been checked by comparing the transmission length predicted by the model and one measured experimentally in two series of tests.

Optimization of prestressed concrete bridge decks

In this paper a summary of the methods presently used for optimization of prestressed concrete bridge decks is given. By means of linear optimization the sizes of the prestressing cables with a given fixed geometry are obtained. This simple procedure of linear optimization is also used to obtain the ‘best’ cable profile, by combining a series of feasible cable profiles. The results are compared with the ones obtained by other researchers. A step ahead in the field of optimization of prestressed bridge decks is the simultaneous search of the geometry and size of the prestressing cables. A non-linear programming for optimization is used, namely, ‘the steepest gradient method’. The results obtained are compared with the ones computed previously by means of linear programming techniques. Finally, the general problem of structural optimization is considered. This problem consists in finding the sizes and geometries of the prestressing cables as well as the longitudinal variation of the concrete section.