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.

Generalized Differential Quadrature Finite Element Method applied to Advanced Structural Mechanics

Over the years the Differential Quadrature (DQ) method has distinguished because of its high accuracy, straightforward implementation and general ap- plication to a variety of problems. There has been an increase in this topic by several researchers who experienced significant development in the last years. DQ is essentially a generalization of the popular Gaussian Quadrature (GQ) used for numerical integration functions. GQ approximates a finite in- tegral as a weighted sum of integrand values at selected points in a problem domain whereas DQ approximate the derivatives of a smooth function at a point as a weighted sum of function values at selected nodes. A direct appli- cation of this elegant methodology is to solve ordinary and partial differential equations. Furthermore in recent years the DQ formulation has been gener- alized in the weighting coefficients computations to let the approach to be more flexible and accurate. As a result it has been indicated as Generalized Differential Quadrature (GDQ) method. However the applicability of GDQ in its original form is still limited. It has been proven to fail for problems with strong material discontinuities as well as problems involving singularities and irregularities. On the other hand the very well-known Finite Element (FE) method could overcome these issues because it subdivides the computational domain into a certain number of elements in which the solution is calculated. Recently, some researchers have been studying a numerical technique which could use the advantages of the GDQ method and the advantages of FE method. This methodology has got different names among each research group, it will be indicated here as Generalized Differential Quadrature Finite Element Method (GDQFEM).

Fluid-structure interaction by a coupled lattice Boltzmann-finite element approach

In this thesis, a strategy to model the behavior of fluids and their interaction with deformable bodies is proposed. The fluid domain is modeled by using the lattice Boltzmann method, thus analyzing the fluid dynamics by a mesoscopic point of view. It has been proved that the solution provided by this method is equivalent to solve the Navier-Stokes equations for an incompressible flow with a second-order accuracy. Slender elastic structures idealized through beam finite elements are used. Large displacements are accounted for by using the corotational formulation. Structural dynamics is computed by using the Time Discontinuous Galerkin method. Therefore, two different solution procedures are used, one for the fluid domain and the other for the structural part, respectively. These two solvers need to communicate and to transfer each other several information, i.e. stresses, velocities, displacements. In order to guarantee a continuous, effective, and mutual exchange of information, a coupling strategy, consisting of three different algorithms, has been developed and numerically tested. In particular, the effectiveness of the three algorithms is shown in terms of interface energy artificially produced by the approximate fulfilling of compatibility and equilibrium conditions at the fluid-structure interface. The proposed coupled approach is used in order to solve different fluid-structure interaction problems, i.e. cantilever beams immersed in a viscous fluid, the impact of the hull of the ship on the marine free-surface, blood flow in a deformable vessels, and even flapping wings simulating the take-off of a butterfly. The good results achieved in each application highlight the effectiveness of the proposed methodology and of the C++ developed software to successfully approach several two-dimensional fluid-structure interaction problems.

Modelli semplificati per valutazione di vulnerabilità sismica di strutture in muratura

L'obiettivo della tesi è stato quello di indagare il complesso problema della vulnerabilità sismica dei ponte in muratura ad arco utilizzando modelli semplificati. Dopo una descrizione dei materiali da costruzione impiegati nella realizzazione e dei principali elementi dei un ponti in muratura, si è indirizzato lo studio di un ponte ad arco situato nel comune di San Marcello Pistoiese. Viene mostrato un modello numerico che permette di descrivere il comportamento strutturale del ponte sotto azione sismica e di valutare la capacità di carico del ponte sottoposto ad una azione trasversale. In un secondo momento viene descritta la realizzazione di un modello in scala del ponte, che è stato sottoposto a prove distruttive effettuate per valutare la capacità di carico del ponte rispetto ad un ipotetica azione orizzontale. Si è cercato poi di inquadrare il problema in un modello teorico che faccia riferimento all'analisi limite. Esso descrive un cinematismo di collasso a telaio che prende spunto dal quadro fessurativo del modello in muratura. Infine sono stati presentati modelli FEM numerici in ordine di complessità crescente, cercando di inquadrare il comportamento meccanico del prototipo del ponte. Tre tipi di modelli sono rappresentati: un telaio incernierato alle estremità costituito da elementi beam con resistenza alla flessione . Il secondo tipo è costituito da una reticolare equivalente che mima lo schema del ponte ed è formato solo da bielle. Infine, il terzo tipo cerca di descrivere l'intero modello con elementi tridimensionali.

Model reduction of stochastic groundwater flow and transport processes

This work presents a comprehensive methodology for the reduction of analytical or numerical stochastic models characterized by uncertain input parameters or boundary conditions. The technique, based on the Polynomial Chaos Expansion (PCE) theory, represents a versatile solution to solve direct or inverse problems related to propagation of uncertainty. The potentiality of the methodology is assessed investigating different applicative contexts related to groundwater flow and transport scenarios, such as global sensitivity analysis, risk analysis and model calibration. This is achieved by implementing a numerical code, developed in the MATLAB environment, presented here in its main features and tested with literature examples. The procedure has been conceived under flexibility and efficiency criteria in order to ensure its adaptability to different fields of engineering; it has been applied to different case studies related to flow and transport in porous media. Each application is associated with innovative elements such as (i) new analytical formulations describing motion and displacement of non-Newtonian fluids in porous media, (ii) application of global sensitivity analysis to a high-complexity numerical model inspired by a real case of risk of radionuclide migration in the subsurface environment, and (iii) development of a novel sensitivity-based strategy for parameter calibration and experiment design in laboratory scale tracer transport.

Fracture Mechanics Investigation of Structures with Defects

Fracture mechanics plays an important role in the material science, structure design and industrial production due to the failure of materials and structures are paid high attention in human activities. This dissertation, concentrates on some of the fractural aspects of shaft and composite which have being increasingly used in modern structures, consists four chapters within two parts. Chapters 1 to 4 are included in part 1. In the first chapter, the basic knowledge about the stress and displacement fields in the vicinity of a crack tip is introduced. A review involves the general methods of calculating stress intensity factors are presented. In Chapter 2, two simple engineering methods for a fast and close approximation of stress intensity factors of cracked or notched beams under tension, bending moment, shear force, as well as torque are presented. New formulae for calculating the stress intensity factors are proposed. One of the methods named Section Method is improved and applied to the three dimensional analysis of cracked circular section for calculating stress intensity factors. The comparisons between the present results and the solutions calculated by ABAQUS for single mode and mixed mode are studied. In chapter 3, fracture criteria for a crack subjected to mixed mode loading of two-dimension and three-dimension are reviewed. The crack extension angle for single mode and mixed mode, and the critical loading domain obtained by SEDF and MTS are compared. The effects of the crack depth and the applied force ratio on the crack propagation angle and the critical loading are investigated. Three different methods calculating the crack initiation angle for three-dimension analysis of various crack depth and crack position are compared. It should be noted that the stress intensity factors used in the criteria are calculated in section 2.1.

Travi in parete sottile con deformabilità a taglio e distorsione di sezione: formulazione teorica, modellazione numerica e applicazioni

Il presente lavoro di tesi ha riguardato una riformulazione teorica, una modellazione numerica e una serie di applicazioni della Generalized Beam Theory per lo studio dei profili in parete sottile con particolare riguardo ai profili in acciaio formati a freddo. In particolare, in questo lavoro è proposta una riscrittura della cinematica GBT che introduce in una forma originale la deformabilità a taglio della sezione. Tale formulazione consente di conservare il formato della GBT classica e introducendo uno spostamento di warping variabile lungo lo spessore della generica parete della sezione trasversale, garantisce perfetta coerenza tra la componente flessionale e tagliante della trave. E' mostrato, come tale riscrittura consente in maniera agevole di ricondursi alle teorie classiche di trave, anche deformabili a taglio. Inoltre, in tale contesto, è stata messa a punto una procedura di ricostruzione dello sforzo tridimensionale in grado ricostruire la parte reattiva delle componenti di tensioni dovuta al vincolamento interno proprio di un modello a cinematica ridotta. Sulla base di tali strumenti, è stato quindi proposto un approccio progettuale dedicato ai profili in classe 4, definito ESA (Embedded Stability Analysis), in grado di svolgere le verifiche coerentemente con quanto prescritto dalle normative vigenti. Viene infine presentata una procedura numerica per la progettazione di sistemi di copertura formati a freddo. Tale procedura permette di effettuare in pochi semplici passi il progetto dell'arcareccio e dei dettagli costruttivi relativi alla copertura.

Rivelatori organici di raggi x

L’interesse della ricerca per le applicazioni dei materiali organici all’elettronica è cresciuto ampiamente negli ultimi anni e alcuni gruppi di ricerca hanno studiato la possibilità di sfruttare materiali organici per costruire rivelatori diretti di raggi X. Nel 2003 si immaginava che l’assenza di elementi con numero atomico alto, propria della maggior parte degli organici, scoraggiasse il loro impiego come rivelatori. Tuttavia, la recente scoperta delle proprietà di fotoassorbimento dei monocristalli di 4-idrossicianobenzene (4HCB) potrebbe smentire questa ipotesi e, anzi, suscitare un certo interesse applicativo. Tra i possibili vantaggi operativi del 4HCB come rivelatore ci potrebbero essere, oltre al basso costo, tensioni di funzionamento sull’ordine dei volt e una certa flessibilità meccanica. L’obiettivo del seguente lavoro di tesi è esplorare la risposta che forniscono i monocristalli di 4HCB ai raggi X quando vengono installati su matrici flessibili con elettrodi di contatto in geometrie particolari, interspaziati di 22 µm. Sono state condotte varie misure di risposta elettrica al buio e sotto un fascio di raggi X e nel seguito saranno presentati i risultati. Il primo capitolo è dedicato ad un’introduzione teorica alla struttura dei materiali organici e ai modelli di trasporto dei semiconduttori organici. È evidenziato il fatto che non esiste ad oggi una teoria comprensiva ed efficace come per gli inorganici e vengono discussi alcuni metodi per determinare sperimentalmente la mobilità. La teoria Space Charge Limited Current (SCLC), che modella le caratteristiche corrente-tensione di un solido di piccolo spessore, quando il materiale ha bassa conducibilità e il suo trasporto di carica è mediato sostanzialmente da portatori dello stesso segno, viene introdotta nel capitolo 2. L’importanza di questo modello sta nel fatto che fornisce un metodo efficace per determinare sperimentalmente la mobilità dei portatori in molti materiali organici. Il campo dei rivelatori organici diretti di raggi X è piuttosto recente, e non esiste ancora un’efficace inquadratura teorica. Per questo motivo il capitolo 3 espone lo stato attuale dei rivelatori di raggi X e presenta i meccanismi alla base dei rivelatori inorganici diretti a stato solido e poi discute dei rivelatori organici indiretti già esistenti, gli scintillatori. La descrizione degli apparati sperimentali utilizzati per le misure viene demandata al capitolo 4, mentre il quinto capitolo espone i risultati ottenuti.

Numerical methods for the dispersion analysis of Guided Waves

The use of guided ultrasonic waves (GUW) has increased considerably in the fields of non-destructive (NDE) testing and structural health monitoring (SHM) due to their ability to perform long range inspections, to probe hidden areas as well as to provide a complete monitoring of the entire waveguide. Guided waves can be fully exploited only once their dispersive properties are known for the given waveguide. In this context, well stated analytical and numerical methods are represented by the Matrix family methods and the Semi Analytical Finite Element (SAFE) methods. However, while the former are limited to simple geometries of finite or infinite extent, the latter can model arbitrary cross-section waveguides of finite domain only. This thesis is aimed at developing three different numerical methods for modelling wave propagation in complex translational invariant systems. First, a classical SAFE formulation for viscoelastic waveguides is extended to account for a three dimensional translational invariant static prestress state. The effect of prestress, residual stress and applied loads on the dispersion properties of the guided waves is shown. Next, a two-and-a-half Boundary Element Method (2.5D BEM) for the dispersion analysis of damped guided waves in waveguides and cavities of arbitrary cross-section is proposed. The attenuation dispersive spectrum due to material damping and geometrical spreading of cavities with arbitrary shape is shown for the first time. Finally, a coupled SAFE-2.5D BEM framework is developed to study the dispersion characteristics of waves in viscoelastic waveguides of arbitrary geometry embedded in infinite solid or liquid media. Dispersion of leaky and non-leaky guided waves in terms of speed and attenuation, as well as the radiated wavefields, can be computed. The results obtained in this thesis can be helpful for the design of both actuation and sensing systems in practical application, as well as to tune experimental setup.

A numerical study of turbulent Rayleigh-Bénard convection

Il flusso di Rayleigh-Bénard, costituito da un fluido racchiuso fra due pareti a diversa temperatura, rappresenta il paradigma della convezione termica. In natura e nelle applicazioni industriali, il moto convettivo avviene principalmente in regime turbolento, rivelando un fenomeno estremamente complesso. L'obiettivo principale di questo elaborato di tesi consiste nell'isolare e descrivere gli aspetti salienti di un flusso turbolento di Rayleigh-Bénard. L'analisi è applicata a dati ottenuti da tre simulazioni numeriche dirette effettuate allo stesso numero di Rayleigh (Ra=10^5) e a numeri di Prandtl differenti (Pr=0.7,2,7). Sulla base di alcune statistiche a singolo punto, vengono definite nel flusso tre regioni caratteritiche: il bulk al centro della cella, lo strato limite termico e quello viscoso in prossimità delle pareti. Grazie all'analisi dei campi istantanei e delle correlazioni spaziali a due punti, sono state poi individuate due strutture fondamentali della convezione turbolenta: le piume termiche e la circolazione a grande scala. L'equazione generalizzata di Kolmogorov, introdotta nell'ultima parte della trattazione, permette di approcciare il problema nella sua complessità, visualizzando come l'energia cinetica viene immessa, si distribuisce e viene dissipata sia nello spazio fisico, sia in quello delle scale turbolente. L'immagine che emerge dall'analisi complessiva è quella di un flusso del tutto simile a una macchina termica. L'energia cinetica viene prodotta nel bulk, considerato il motore del flusso, e da qui fluisce verso le pareti, dove viene infine dissipata.

Studio delle proprieta ottiche di film di silicon oxynitrides (sion) per applicazioni fotovoltaiche

Nelle celle solari HIT (Heterojunction Intrinsic Thin layer) attualmente in circolazione il materiale maggiormente utilizzato è sicuramente il silicio, per la sua buona caratteristica di assorbimento e disponibilità in natura. Tuttavia, la struttura amorfa del silicio impiegato come emettitore, limita fortemente la conducibilità e aumenta gli effetti di degradazione legati all'esposizione alla luce. In quest'ottica, nel presente lavoro di tesi, vengono analizzati sottili layers di Silicon Oxynitride ossigenato, depositati in forma nanocristallina presso l'Università di Costanza su substrati in vetro, tramite PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition). Il materiale, che non presenta i difetti intrinseci della forma amorfa, è dal punto di vista delle proprietà fisiche fondamentali ancora poco conosciuto e rappresenta una possibile alternativa agli analoghi campioni in forma amorfa. Le misure e le analisi presentate in questa tesi, svolte presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia di Bologna, sono finalizzate ad indagare le principali proprietà ottiche, quali l'energy gap e l'indice di rifrazione dei layers. I risultati ottenuti, espressi in funzione dei parametri di deposizione, mostrano che un aumento della concentrazione di ossigeno in fase di deposito implica un aumento lineare dell'ampiezza dell'energy gap e un calo dell'indice di rifrazione. Anche altri parametri come la potenza di deposito e il tempo di annealing sembrano giocare un ruolo importante sul valore dell'energy gap. I risultati appaiono inoltre essere in buon accordo con quanto ottenuto da studi precedenti su layers simili ma con una maggiore fase amorfa. In conclusione, la possibilità di regolare il valore dell'energy gap e l'indice di rifrazione in base ai parametri di deposizione, unita alle buone prerogative tipiche dei materiali cristallini, conferisce al materiale buone prospettive per applicazioni fotovoltaiche come emettitori in celle ad eterogiunzione o rivestimenti con proprietà antiriflettenti

Ottimizzazione di una microrete con unità di generazione da FER ed accumulo

Le microreti caratterizzate da unità di generazione con Fonti Energetiche Rinnovabili (FER), sono oggetto di crescente interesse in due contesti molto diversi tra loro: l’integrazione della Generazione Diffusa (GD) in reti di distribuzione pubbliche nei paesi sviluppati e l’elettrificazione di zone rurali attualmente non servite dalla rete elettrica. L’introduzione dei sistemi di accumulo nelle microreti rende possibile la compensazione della variabilità delle FER trasformando le microreti in sistemi di produzione che nel complesso risultano completamente regolabili. L’obiettivo del presente lavoro di tesi è dimostrare come le microreti possono svolgere un ruolo fondamentale per lo sviluppo delle infrastrutture elettriche nei paesi in via di sviluppo e nelle economie emergenti ponendo le basi per l’elettrificazione di aree remote e scarsamente popolate ad oggi non connesse alla rete di distribuzione dell’energia.

Determinazione non invasiva della sodiemia plasmatica tramite il biosensore diascan

L’analisi presentata è stata ottenuta a partire dai dati acquisiti durante uno studio clinico presso il reparto di emodialisi dell'ospedale Ceccarini di Riccione. L’obiettivo principale dello studio clinico è quello di misurare la correlazione tra la concentrazione di sodio nel plasma del paziente misurata tramite emogas analizzatore e la conducibilità plasmatica stimata dal biosensore Diascan in vari istanti temporali intradialitici e valutare la bontà della stima della sodiemia, ottenuta dalle formule di correlazione, rispetto alle effettive misure di concentrazione. La correlazione globale ottenuta risulta discreta ma inferiore rispetto a precedenti risultati pubblicati in letteratura; si ipotizza che questo scostamento possa dipendere dalla struttura del protocollo di sperimentazione.

Sviluppo di un sensore non invasivo per misure di conducibilita su soluzioni saline con possibili applicazioni nel campo dell'emodialisi.

L'obiettivo della tesi è stato quello di sviluppare un sensore che, applicato su una linea ematica, fosse in grado di rilevare le variazioni di conducibilità del liquido posto all'interno della linea stessa. La conducibilità è una grandezza correlata alla concentrazione ionica di un liquido ed è molto importante nel campo dialitico poiché da essa si può ottenere una stima della quantità di elettroliti presente nel sangue. Per lo studio in esame è stata eseguita dapprima una modellazione agli elementi finiti per stabilire una configurazione adeguata del sistema sia dal punto di vista geometrico che da quello elettrico e successivamente sono stati realizzati modelli sperimentali. Per le prove sperimentali si è fatto uso di soluzioni saline poste all'interno di una linea ematica sulla quale sono state eseguite misure tramite un analizzatore di impedenza. È stata quindi studiata la relazione tra l'impedenza misurata ed il valore noto di conducibilità delle soluzioni con la quale è stato dimostrato che il sensore sviluppato è un valido strumento di indagine poiché è riuscito a rilevare le variazioni di conducibilità delle soluzioni in esame con un alto grado di sensibilità.