Stima della variazione dello sforzo assiale nei pilastri e nelle connessioni per diverse tipologie di strutture prefabbricate

In questo studio è stata effettuata una stima della riduzione della azione verticale sul pilastro e in particolare in corrispondenza delle connessioni, per varie tipologie strutturali, per effetto dell’azione sismica verticale. Si è pervenuti, nei diversi casi analizzati, una legge per il coefficiente di attrito dinamico, a partire dal coefficiente di attrito statico, tenendo conto della legge di riduzione dello sforzo assiale, da utilizzare per il calcolo della forza di attrito che si instaura nelle suddette condizioni dinamiche. A tal fine sono stati utilizzati diversi modelli che tengono conto delle caratteristiche geometriche, della lunghezza e della forma degli elementi strutturali oltre che delle varie condizioni di carico, luci massime e minime che possono raggiungere gli elementi orizzontali. Sono state pertanto effettuate, attraverso l’ utilizzo di software di calcolo agli elementi finiti, diverse tipologie di analisi che hanno permesso di effettuare le indagini necessarie sul problema oggetto di studio.

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.

Confronto simulativo tra architetture per la mobilità: analisi simulatore LISP e confronto con ABPS

L'utilizzo sempre crescente di dispositivi mobili, lo sviluppo di applicazioni mobile in continuo aumento, e la necessità di una sempre migliore qualità della comunicazione, ha portato grande interesse ad analizzare i protocolli di supporto alla mobilità dei terminali. Questi, tra i quali il più conosciuto è forse Mobile IP, vengono posti in esame utilizzando diverse metriche per valutarne le prestazioni. Si confrontano dunque due protocolli: LISP e ABPS; per ognuno dei quali ne viene presentata e descritta l'architettura e le principali funzionalità; entrambe queste architetture per il supporto alla mobilità, prevedono delle specifiche per fornire continuità nella comunicazione durante il roaming di un nodo multihomed. Vengono presentati poi gli strumenti con i quali verrà effettuata il l'analisi: il simulatore a eventi discreti OMNeT++ e il suo framework INET. Successivamente sono descritte le principali componenti dei simulatori per LISP e ABPS, che modellano le meccaniche dei due protocolli analizzati. Questi sono stati sottoposti a modifiche mirate a correggerne eventuali anomalie di comportamento, e ad introdurre nuove funzionalità, soprattutto per quanto riguarda ABPS, che era solo parzialmente implementato. Sono mostrati gli scenari in cui verranno effettuati i test per il confronto delle prestazioni: uno scenario semplice e uno che cerca di proporre una rete urbana verosimile; di seguito vengono elencati i parametri e le configurazioni utilizzate per ognuno dei due scenari. Infine vengono presentati i risultati mettendo a confronto due aspetti della mobilità dei terminali: durata dell'intervallo di indisponibilità e latenza dei pacchetti.

Realizzazione di un data-set ad alta risoluzione (30 secondi d'arco) di precipitazioni mensili su un'area ad orografia complessa (Trentino Alto-Adige)

In questa tesi si presenta la realizzazione di un data-set ad alta risoluzione (30 secondi d'arco) di precipitazioni mensili (per il periodo 1921-2014), per la regione del Trentino-Alto Adige. Esso è basato su una densa rete di stazioni con osservazioni di lunga durata, sottoposte ai necessari controlli di qualità. La tecnica di interpolazione si basa sull'assunzione che la configurazione spazio-temporale del campo di una variabile meteorologica su una certa area possa essere descritta con la sovrapposizione di due campi: i valori normali relativi a un periodo standard (1961-1990), ossia le climatologie, e le deviazioni da questi, ossia le anomalie. Le due componenti possono venire ricostruite tramite metodologie diverse e si possono basare su data-set indipendenti. Per le climatologie bisogna avere un elevato numero di stazioni (anche se disponibili per un lasso temporale limitato); per le anomalie viceversa la densità spaziale ha un rilievo minore a causa della buona coerenza spaziale della variabilità temporale, mentre è importante la qualità dei dati e la loro estensione temporale. L'approccio utilizzato per le climatologie mensili è la regressione lineare pesata locale. Per ciascuna cella della griglia si stima una regressione lineare pesata della precipitazione in funzione dell'altitudine; si pesano di più le stazioni aventi caratteristiche simili a quelle della cella stessa. Invece le anomalie mensili si ricavano, per ogni cella di griglia, grazie a una media pesata delle anomalie delle vicine stazioni. Infine la sovrapposizione delle componenti spaziale (climatologie) e temporale (anomalie) consente di ottenere per ogni nodo del grigliato una serie temporale di precipitazioni mensili in valori assoluti. La bontà dei risultati viene poi valutata con gli errori quadratici medi (RMSE) e i coefficienti di correlazione di Pearson delle singole componenti ricostruite. Per mostrare le potenziali applicazioni del prodotto si esaminano alcuni casi studio.

Idrochimica delle acque interstiziali e scambi acqua / sedimento nell'invaso di Ridracoli

Uno degli aspetti più influenti sulla qualità chimica e biologica dell’acqua di laghi e invasi, caratteristico del bacino di Ridracoli, è rappresentato dalla stratificazione termica, un processo di formazione di volumi d’acqua a diversa densità che può verificarsi allorquando, in alcune circostanze e, nello specifico, durante la stagione estiva, si instauri una condizione stabile in cui l’acqua riscaldata dalla radiazione solare sovrasta quella più fredda e densa del fondo. Una delle conseguenze di tali variazioni termiche è che esse inducono cambiamenti nei livelli di ossigeno disciolto, favorendo l’instaurarsi di processi di degradazione anaerobica della materia organica e determinando la formazione di un chimismo ostile per l’attività biologica. I cicli stagionali, redox-dipendenti, di Ferro e Manganese tra la colonna d’acqua e i sedimenti sono caratteristici di questi ambienti ed una loro risospensione in forma disciolta è stato rilevato nell’ipolimnio dell’invaso di Ridracoli, stagionalmente anossico. Questo studio, collocato all’interno di un ampio progetto finanziato da Romagna Acque Società delle Fonti S.p.A. con la Facoltà di Scienze Ambientali – Campus di Ravenna ed il CNR-ISMAR, si è posto come obiettivo l’individuazione dei fattori che controllano la distribuzione e la mobilità degli elementi chimici all’interno del sistema acqua-sedimento dell’invaso di Ridracoli ed è articolato in tre diverse fasi: • Indagine della composizione chimica del sedimento; • Analisi ed interpretazione della composizione chimica delle acque interstiziali • Stima del flussi attraverso l’interfaccia acqua-sedimento mediante l’utilizzo di una camera bentica e l’applicazione della prima legge di Fick sulla diffusione. Al termine del lavoro è stato possibile ricostruire un quadro diagenetico generale contraddistinto da una deplezione degli accettori di elettroni principali (O2 e NO3-) entro i primi millimetri di sedimento, da un consumo immediato di SO42- e da una graduale riduzione degli ossidi di Mn (IV) e Fe (III), con formazione di gradienti negativi ed il rilascio di sostanze disciolte nella colonna d’acqua.

Teeth restored using fiber-reinforced posts: in vitro fracture tests and finite element analysis

In dentistry the restoration of decayed teeth is challenging and makes great demands on both the dentist and the materials. Hence, fiber-reinforced posts have been introduced. The effects of different variables on the ultimate load on teeth restored using fiber-reinforced posts is controversial, maybe because the results are mostly based on non-standardized in vitro tests and, therefore, give inhomogeneous results. This study combines the advantages of in vitro tests and finite element analysis (FEA) to clarify the effects of ferrule height, post length and cementation technique used for restoration. Sixty-four single rooted premolars were decoronated (ferrule height 1 or 2 mm), endodontically treated and restored using fiber posts (length 2 or 7 mm), composite fillings and metal crowns (resin bonded or cemented). After thermocycling and chewing simulation the samples were loaded until fracture, recording first damage events. Using UNIANOVA to analyze recorded fracture loads, ferrule height and cementation technique were found to be significant, i.e. increased ferrule height and resin bonding of the crown resulted in higher fracture loads. Post length had no significant effect. All conventionally cemented crowns with a 1-mm ferrule height failed during artificial ageing, in contrast to resin-bonded crowns (75% survival rate). FEA confirmed these results and provided information about stress and force distribution within the restoration. Based on the findings of in vitro tests and computations we concluded that crowns, especially those with a small ferrule height, should be resin bonded. Finally, centrally positioned fiber-reinforced posts did not contribute to load transfer as long as the bond between the tooth and composite core was intact.

Influence of Smoothing on Voxel-Based Mesh Accuracy in Micro-Finite Element

The interest in automatic volume meshing for finite element analysis (FEA) has grown more since the appearance of microfocus CT (μCT), due to its high resolution, which allows for the assessment of mechanical behaviour at a high precision. Nevertheless, the basic meshing approach of generating one hexahedron per voxel produces jagged edges. To prevent this effect, smoothing algorithms have been introduced to enhance the topology of the mesh. However, whether smoothing also improves the accuracy of voxel-based meshes in clinical applications is still under question. There is a trade-off between smoothing and quality of elements in the mesh. Distorted elements may be produced by excessive smoothing and reduce accuracy of the mesh. In the present work, influence of smoothing on the accuracy of voxel-based meshes in micro-FE was assessed. An accurate 3D model of a trabecular structure with known apparent mechanical properties was used as a reference model. Virtual CT scans of this reference model (with resolutions of 16, 32 and 64 μm) were then created and used to build voxel-based meshes of the microarchitecture. Effects of smoothing on the apparent mechanical properties of the voxel-based meshes as compared to the reference model were evaluated. Apparent Young’s moduli of the smooth voxel-based mesh were significantly closer to those of the reference model for the 16 and 32 μm resolutions. Improvements were not significant for the 64 μm, due to loss of trabecular connectivity in the model. This study shows that smoothing offers a real benefit to voxel-based meshes used in micro-FE. It might also broaden voxel-based meshing to other biomechanical domains where it was not used previously due to lack of accuracy. As an example, this work will be used in the framework of the European project ContraCancrum, which aims at providing a patient-specific simulation of tumour development in brain and lungs for oncologists. For this type of clinical application, such a fast, automatic, and accurate generation of the mesh is of great benefit.

Surgical technique: The capsular arthroplasty: a useful but abandoned procedure for young patients with developmental dysplasia of the hip

Codivilla in 1901, Hey Groves in 1926, and Colonna in 1932 described similar capsular arthroplasties--wrapping the capsule around the femoral head and reducing into the true acetabulum--to treat completely dislocated hips in children with dysplastic hips. However, these procedures were associated with relatively high rates of necrosis, joint stiffness, and subsequent revision procedures, and with the introduction of THA, the procedure vanished despite some hips with high functional scores over periods of up to 20 years. Dislocated or subluxated hips nonetheless continue to be seen in adolescents and young adults, and survival curves of THA decrease faster for young patients than for patients older than 60 years. Therefore, joint preservation with capsular arthroplasty may be preferable if function can be restored and complication rates reduced.

Statistical finite element model for bone shape and biomechanical properties

We present a framework for statistical finite element analysis combining shape and material properties, and allowing performing statistical statements of biomechanical performance across a given population. In this paper, we focus on the design of orthopaedic implants that fit a maximum percentage of the target population, both in terms of geometry and biomechanical stability. CT scans of the bone under consideration are registered non-rigidly to obtain correspondences in position and intensity between them. A statistical model of shape and intensity (bone density) is computed by means of principal component analysis. Afterwards, finite element analysis (FEA) is performed to analyse the biomechanical performance of the bones. Realistic forces are applied on the bones and the resulting displacement and bone stress distribution are calculated. The mechanical behaviour of different PCA bone instances is compared.

Comparison of modal analysis results of laser vibrometry and nearfield acoustical holography measurements of an aluminum plate

Noise and vibration has long been sought to be reduced in major industries: automotive, aerospace and marine to name a few. Products must be tested and pass certain levels of federally regulated standards before entering the market. Vibration measurements are commonly acquired using accelerometers; however limitations of this method create a need for alternative solutions. Two methods for non-contact vibration measurements are compared: Laser Vibrometry, which directly measures the surface velocity of the aluminum plate, and Nearfield Acoustic Holography (NAH), which measures sound pressure in the nearfield, and using Green’s Functions, reconstructs the surface velocity at the plate. The surface velocity from each method is then used in modal analysis to determine the comparability of frequency, damping and mode shapes. Frequency and mode shapes are also compared to an FEA model. Laser Vibrometry is a proven, direct method for determining surface velocity and subsequently calculating modal analysis results. NAH is an effective method in locating noise sources, especially those that are not well separated spatially. Little work has been done in incorporating NAH into modal analysis.

DEVELOPMENT OF CONFORMABLE CNG TANK FOR AUTOMOTIVE APPLICATION

The purpose of this study is to design, develop and integrate a Compressed Natural Gas (CNG) tank that will have a conformable shape for efficient storage in a light-duty pick-up truck. The CNG tank will be a simple rectangular box geometry to demonstrate capability of non-cylindrical shapes. Using CAD drawings of the truck, a conformable tank will be designed to fit under the pick-up bed. The intent of the non-cylindrical CNG tank is to demonstrate improvement in size over the current solution, which is a large cylinder in the box of a pick-up truck. The geometry of the tank’s features is critical to its size and strength. The optimized tank design will be simulated with Finite Element Analysis (FEA) to determine critical stress regions, and appropriate design changes will be made to reduce stress concentration. Following the American National Standard Institute (ANSI) guide, different aluminum alloys will be optimized to obtain the best possible result for the CNG tank.

Prozessoptimierung des SLM-Prozesses mit hoch-reflektiven und thermisch sehr gut leitenden Materialien durch systematische Parameterfindung und begleitende Simulationen am Beispiel von Silber

Additive Manufacturing durch Aufschmelzen von Metallpulvern hat sich auf breiter Front als Herstellverfahren, auch für Endprodukte, etabliert. Besonders für die Variante des Selective Laser Melting (SLM) sind Anwendungen in der Zahntechnik bereits weit verbreitet und der Einsatz in sensitiven Branchen wie der Luftfahrt ist in greifbare Nähe gerückt. Deshalb werden auch vermehrt Anstrengungen unternommen, um bisher nicht verarbeitete Materialien zu qualifizieren. Dies sind vorzugsweise Nicht-Eisen- und Edelmetalle, die sowohl eine sehr hohe Reflektivität als auch eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen – beides Eigenschaften, die die Beherrschung des Laser-Schmelzprozesses erschweren und nur kleine Prozessfenster zulassen. Die Arbeitsgruppe SLM des Lehr- und Forschungsgebietes Hochleistungsverfahren der Fertigungstechnik hat sich unter der Randbedingung einer kleinen und mit geringer Laserleistung ausgestatteten SLM Maschine der Aufgabe gewidmet und am Beispiel von Silber die Parameterfelder für Einzelspuren und wenig komplexe Geometrien systematisch untersucht. Die Arbeiten wurden von FEM Simulationen begleitet und durch metallographische Untersuchungen verifiziert. Die Ergebnisse bilden die Grundlage zur schnellen Parameterfindung bei komplexen Geometrien und bei Veränderungen der Zusammensetzung, wie sie bei zukünftigen Legierungen zu erwarten sind. Die Ergebnisse werden exemplarisch auf unterschiedliche Geometrien angewandt und entsprechende Bauteile gezeigt.

Ontologies and Methods for Interoperability of Engineering Analysis Models (EAMS) in an E-Design Environment

ABSTRACT ONTOLOGIES AND METHODS FOR INTEROPERABILITY OF ENGINEERING ANALYSIS MODELS (EAMS) IN AN E-DESIGN ENVIRONMENT SEPTEMBER 2007 NEELIMA KANURI, B.S., BIRLA INSTITUTE OF TECHNOLOGY AND SCIENCES PILANI INDIA M.S., UNIVERSITY OF MASSACHUSETTS AMHERST Directed by: Professor Ian Grosse Interoperability is the ability of two or more systems to exchange and reuse information efficiently. This thesis presents new techniques for interoperating engineering tools using ontologies as the basis for representing, visualizing, reasoning about, and securely exchanging abstract engineering knowledge between software systems. The specific engineering domain that is the primary focus of this report is the modeling knowledge associated with the development of engineering analysis models (EAMs). This abstract modeling knowledge has been used to support integration of analysis and optimization tools in iSIGHT FD , a commercial engineering environment. ANSYS , a commercial FEA tool, has been wrapped as an analysis service available inside of iSIGHT-FD. Engineering analysis modeling (EAM) ontology has been developed and instantiated to form a knowledge base for representing analysis modeling knowledge. The instances of the knowledge base are the analysis models of real world applications. To illustrate how abstract modeling knowledge can be exploited for useful purposes, a cantilever I-Beam design optimization problem has been used as a test bed proof-of-concept application. Two distinct finite element models of the I-beam are available to analyze a given beam design- a beam-element finite element model with potentially lower accuracy but significantly reduced computational costs and a high fidelity, high cost, shell-element finite element model. The goal is to obtain an optimized I-beam design at minimum computational expense. An intelligent KB tool was developed and implemented in FiPER . This tool reasons about the modeling knowledge to intelligently shift between the beam and the shell element models during an optimization process to select the best analysis model for a given optimization design state. In addition to improved interoperability and design optimization, methods are developed and presented that demonstrate the ability to operate on ontological knowledge bases to perform important engineering tasks. One such method is the automatic technical report generation method which converts the modeling knowledge associated with an analysis model to a flat technical report. The second method is a secure knowledge sharing method which allocates permissions to portions of knowledge to control knowledge access and sharing. Both the methods acting together enable recipient specific fine grain controlled knowledge viewing and sharing in an engineering workflow integration environment, such as iSIGHT-FD. These methods together play a very efficient role in reducing the large scale inefficiencies existing in current product design and development cycles due to poor knowledge sharing and reuse between people and software engineering tools. This work is a significant advance in both understanding and application of integration of knowledge in a distributed engineering design framework.