Steel and macro-synthetic self-compacting fibre reinforced concrete, experimental study on the long-term deformations

Experimental study on the long-term deformations of the fibre reinforced concrete. Steel and macro-synthetic fibers were used to evaluate the shrinkage, creep, mid-span deflection, cracking and rupture analysis of three different types of samples. At the end the main topics of ACI guidelines were analyzed in order to perform an overview of design.

Effetto dell'addizione di fibre corte di carbonio su microstruttura e proprietà di materiali a base di ZrB2

Il lavoro di tesi, svolto presso l’Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici (ISTEC-CNR, Faenza, RA), ha affrontato la produzione e la caratterizzazione di ceramici a base di boruro di zirconio (ZrB2) con lo scopo di valutare l’efficacia delle fibre corte di carbonio come potenziale rinforzo. Il boruro di zirconio appartiene a una famiglia di materiali noti come UHTC (Ultra-High Temperature Ceramics) caratterizzati da elevato punto di fusione e in grado di mantenere la resistenza meccanica e operare con limitata ossidazione a temperature superiori ai 2000°C. Il principale ostacolo nella produzione dei materiali a base di ZrB2 è il processo di sintesi, infatti, a causa della loro elevata temperatura di fusione, per ottenere un materiale completamente denso è necessario utilizzare processi a temperatura e pressione elevati (T > 2000°C e P > 30 MPa), condizioni che vanno ad influenzare la microstruttura della matrice e delle fibre e di conseguenza le proprietà meccaniche del materiale. L’aggiunta di additivi di sinterizzazione idonei permette di ottenere materiali perfettamente densi anche a temperature e pressioni inferiori. Tuttavia lo ZrB2 non viene ampiamente utilizzato per applicazioni strutturali a causa della sua fragilità, per far fronte alla sua bassa tenacità il materiale viene spesso rinforzato con una fase allungata (whiskers o fibre). È già oggetto di studi l’utilizzo di fibre corte e whiskers di SiC per tenacizzare lo ZrB2, tuttavia la forte interfaccia che viene a crearsi tra fibra e matrice, che non permette il pull-out delle fibre, ci porta a credere che una fibra che non tenda a reagire con la matrice, presentando un’interfaccia più debole, possa portare ad una tenacizzazione più efficace. Per questo scopo sono stati realizzati mediante pressatura a caldo due materiali rinforzati con fibre corte di carbonio: ZrB2 + 5% vol MoSi2 + 8% vol fibre di carbonio e [ZrB2 + 2 % peso C] + 8% vol fibre di carbonio, indicati rispettivamente con Z5M_Cf e Z2C_Cf. Sono stati analizzati e discussi diversi aspetti del materiale rinforzato tra cui: il comportamento di densificazione durante la pressatura a caldo, l’evoluzione della microstruttura della matrice, la distribuzione e la morfologia delle fibre, l’influenza del rinforzo sulle proprietà meccaniche di durezza e tenacità e sulla resistenza all’ossidazione. L’elaborato è strutturato come segue: inizialmente sono state introdotte le caratteristiche generali dei ceramici avanzati tra cui le proprietà, la produzione e le applicazioni; successivamente è stata approfondita la descrizione dei materiali a base di boruro di zirconio, in particolare i processi produttivi e l’influenza degli additivi di sinterizzazione sulla densificazione e sulle proprietà; ci si è poi concentrati sull’effetto di una seconda fase allungata per il rinforzo del composito. Per quanto riguarda la parte sperimentale vengono descritte le principali fasi della preparazione e caratterizzazione dei materiali: le materie prime, disperse in un solvente, sono state miscelate mediante ball-milling, successivamente è stato evaporato il solvente e la polvere ottenuta è stata formata mediante pressatura uniassiale. I campioni, dopo essere stati sinterizzati mediante pressatura uniassiale a caldo, sono stati tagliati e lucidati a specchio per poter osservare la microstruttura. Quest’ultima è stata analizzata al SEM per studiare l’effetto dell’additivo di sinterizzazione (MoSi2 e carbonio) e l’interfaccia tra matrice e fase rinforzante. Per approfondire l’effetto del rinforzo sulle proprietà meccaniche sono state misurate la durezza e la tenacità del composito; infine è stata valutata la resistenza all’ossidazione mediante prove in aria a 1200°C e 1500°C. L’addizione di MoSi2 ha favorito la densificazione a 1800°C mediante formazione di una fase liquida transiente, tuttavia il materiale è caratterizzato da una porosità residua di ~ 7% vol. L’addizione del carbonio ha favorito la densificazione completa a 1900°C grazie alla reazione dall’additivo con gli ossidi superficiali dello ZrB2. La microstruttura delle matrici è piuttosto fine, con una dimensione media dei grani di ~ 2 μm per entrambi i materiali. Nel caso del materiale con Z5M_Cf sono presenti nella matrice particelle di SiC e fasi MoB derivanti dalla reazione dell’additivo con le fibre e con la matrice; invece nel materiale Z2C_Cf sono presenti grani di carbonio allungati tra i bordi grano, residui delle reazioni di densificazione. In entrambi i materiali le fibre sono distribuite omogeneamente e la loro interfaccia con la matrice è fortemente reattiva. Nel caso del materiale Z5M_Cf si è formata una struttura core-shell con lo strato più esterno formato da SiC, formato dalla reazione tra il siliciuro e la fibra di C. Nel caso del materiale Z2C_Cf non si forma una vera e propria interfaccia, ma la fibra risulta fortemente consumata per via dell’alta temperatura di sinterizzazione. I valori di durezza Vickers dei materiali Z5M_Cf e Z2C_Cf sono rispettivamente 11 GPa e 14 GPa, valori inferiori rispetto al valore di riferimento di 23 GPa dello ZrB2, ma giustificati dalla presenza di una fase meno dura: le fibre di carbonio e, nel caso di Z5M_Cf, anche della porosità residua. I valori di tenacità dei materiali Z5M_Cf e Z2C_Cf, misurati con il metodo dell’indentazione, sono rispettivamente 3.06 MPa·m0.5 e 3.19 MPa·m0.5. L’osservazione, per entrambi i materiali, del fenomeno di pull-out della fibra, sulla superficie di frattura, e della deviazione del percorso della cricca, all’interno della fibra di carbonio, lasciano supporre che siano attivi questi meccanismi tenacizzanti a contributo positivo, unitamente al contributo negativo legato allo stress residuo. La resistenza all’ossidazione dei due materiali è confrontabile a 1200°C, mentre dopo esposizione a 1500°C il materiale Z5M_Cf risulta più resistente rispetto al materiale Z2C_Cf grazie alla formazione di uno strato di SiO2 protettivo, che inibisce la diffusione dell’ossigeno all’interno della matrice. Successivamente, sono stati considerati metodi per migliorare la densità finale del materiale e abbassare ulteriormente la temperatura di sinterizzazione in modo da minimizzare la degenerazione della fibra. Da ricerca bibliografica è stato identificato il siliciuro di tantalio (TaSi2) come potenziale candidato. Pertanto è stato prodotto un terzo materiale a base di ZrB2 + Cf contenente una maggiore quantità di siliciuro (10% vol TaSi2) che ha portato ad una densità relativa del 96% a 1750°C. Questo studio ha permesso di approcciare per la prima volta le problematiche legate all’introduzione delle fibre di carbonio nella matrice di ZrB2. Investigazioni future saranno mirate alla termodinamica delle reazioni che hanno luogo in sinterizzazione per poter analizzare in maniera più sistematica la reattività delle fibre nei confronti della matrice e degli additivi. Inoltre riuscendo ad ottenere un materiale completamente denso e con fibre di carbonio poco reagite si potrà valutare la reale efficacia delle fibre di carbonio come possibili fasi tenacizzanti.

Design of a new harrow type wool transport mechanism to reduce fibre entanglement

The wool is entangled at several stages of its processing. In the conventional scouring machines, the prongs or the rakes agitate the wool and lead the fiber entanglement. Several scouring systems have been commercialized in order to reduce the fiber entanglement. In spite of the existing technologies, the conventional scouring machines are widely used in wool processing. In this thesis, a new approach for the harrow type wool transport mechanism has been introduced. The proposed mechanism has been designed based on the motion of the conventional harrow type wool transport mechanism by exploiting new synthesis concepts. The developed structure has been synthesized based on the Hrones and Nelson's "Atlas of four bar linkages". The four bar linkage has been applied for the desired trajectory of the developed wool transport mechanism. The prongs of the developed mechanism immerse the wool into the scouring liquor and gently propel forward toward the end of the machine with approximately straight line motion in a certain length instead of circular or elliptical motion typical of the conventional machines.

Studio sperimentale sulla rottura a fatica in regime fessurato di calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche

Nello studio sperimentale oggetto della tesi è stato indagato il comportamento a fatica policiclica, in regime fessurato, di calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche. Per tale tipologia di prova non esiste una procedura standardizzata; occorre anche osservare come in letteratura le testimonianze di prove policicliche su FRC siano piuttosto limitate soprattutto in riferimento a calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche in regime fessurato. A tale scopo è stata messa a punto una procedura di prova a flessione su tre punti finalizzata a valutare il comportamento a fatica del materiale. Sono stati testati calcestruzzi con lo stesso dosaggio e con la stessa tipologia di fibre sottoposti a carichi ciclici con diversi ampiezza e stress level. La sperimentazione ha riguardato anche prove di flessione su tre punti di tipo monotono condotte sul medesimo materiale e su calcestruzzi non fibrorinforzati. I dati sperimentali ottenuti dalle prove monotone sono stati impiegati come input per una procedura di analisi inversa finalizzata alla definizione della relazione tensione-apertura di fessura per i materiali testati.

Studio sperimentale del comportamento a fatica di calcestruzzi rinforzati con fibre sintetiche

La presente tesi di Laurea Magistrale ha lo scopo di studiare sperimentalmente il comportamento a fatica dei calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche (Macro Synthetic Fiber Reinforced Concrete, MSFRC). Sono condotte prove cicliche di flessione su tre punti al fine di caratterizzare il comportamento dei calcestruzzi fibrorinforzati in regime fessurato nel caso di fatica ad alto numero di cicli (High Cycle Fatigue, HCF). Oltre a prove di fatica sono condotte anche prove monotone a flessione al fine di ottenere la caratterizzazione meccanica del materiale determinandone i principali parametri di frattura; i risultati di tali prove sono utili anche a definire la procedura di prova definitiva da adottare durante i test di fatica. Le testimonianze presenti in letteratura sul comportamento a fatica degli FRC rinforzati con fibre sintetiche sono molto limitate, specialmente nel caso di fatica ad alto numero di cicli; inoltre le prove cicliche, a differenza delle prove monotone, non sono prove standardizzate e quindi definite dalla normativa. Nel corso della presente campagna sperimentale si cercherà quindi di definire una procedura per poter eseguire in maniera stabile le prove di flessione, monotone e di fatica, su campioni prismatici di calcestruzzo fibrorinforzato. L’idea alla base della campagna sperimentale oggetto di questa tesi è quella di riprodurre, mediante prove di fatica, le usuali condizioni di esercizio a cui sono sottoposte, durante la loro vita utile, strutture come pavimentazioni stradali o industriali; infatti il traffico stradale o il transito di macchinari possono indurre su strutture del genere dei carichi ripetuti nel tempo tali da provocarne il collasso per fatica. La presente tesi è articolata in otto capitoli nei quali verranno evidenziate le principali proprietà, sia meccaniche che fisiche, del materiale composito oggetto dello studio, saranno definite le procedure dei test eseguiti e verranno discussi i risultati derivanti da essi.

Investigation of different apple cultivars by high resolution magic angle spinning NMR. A feasibility study

(1)H HR-MAS NMR spectroscopy was applied to apple tissue samples deriving from 3 different cultivars. The NMR data were statistically evaluated by analysis of variance (ANOVA), principal component analysis (PCA), and partial least-squares-discriminant analysis (PLS-DA). The intra-apple variability of the compounds was found to be significantly lower than the inter-apple variability within one cultivar. A clear separation of the three different apple cultivars could be obtained by multivariate analysis. Direct comparison of the NMR spectra obtained from apple tissue (with HR-MAS) and juice (with liquid-state HR NMR) showed distinct differences in some metabolites, which are probably due to changes induced by juice preparation. This preliminary study demonstrates the feasibility of (1)H HR-MAS NMR in combination with multivariate analysis as a tool for future chemometric studies applied to intact fruit tissues, e.g. for investigating compositional changes due to physiological disorders, specific growth or storage conditions.

Spinning Song

More than twelve years ago, during the car rides to school, my paternal grandmother, or Obasan as she is known in our family, first began telling me her stories about living in the Philippines during the Japanese Occupation. At the time, I did not know much about World War II, but her stories about being captured by the Japanese soldiersfascinated me. Years have passed, and only recently did I really begin to grasp not only the poignancy of these accounts, but also their importance in a larger context. The absence of first-hand narratives about World War II and the Japanese Occupation of the Philippines from the point of view of a Filipino woman is problematic, and I hope that my grandmother’s story can fill this hole in war literature. There are two main parts to the narrative. The first eight chapters of my thesis are about the early years of the Japanese Occupation. During this time, Obasan and her familylived a relatively peaceful life, with the exception of a few troubling encounters with the Japanese. The last seven chapters recount the Liberation of the Philippines and the days when Obasan and her family were held captive by the Japanese. The primary sources for this thesis are the interviews I have conducted with my grandmother over the course of this year and her own handwritten memoir that she composed in the last two decades. I focus specifically on the three chapters that she wrote about the war. I have also included poems written by women and historical background on the Philippines and World War II. Spinning Song is what I call a hybrid-memoir, as it retells Obasan’s stories about the war and explores the ways in which our experiences as grandmother and granddaughter intersect. More importantly, it is my way of preserving the legacy of my grandmother and paying tribute to the woman who has shaped much of who I am today.

Exploring High-resolution Magic Angle Spinning (HR-MAS) NMR Spectroscopy for Metabonomic Analysis of Apples

Classical liquid-state high-resolution (HR) NMR spectroscopy has proved a powerful tool in the metabonomic analysis of liquid food samples like fruit juices. In this paper the application of (1)H high-resolution magic angle spinning (HR-MAS) NMR spectroscopy to apple tissue is presented probing its potential for metabonomic studies. The (1)H HR-MAS NMR spectra are discussed in terms of the chemical composition of apple tissue and compared to liquid-state NMR spectra of apple juice. Differences indicate that specific metabolic changes are induced by juice preparation. The feasibility of HR-MAS NMR-based multivariate analysis is demonstrated by a study distinguishing three different apple cultivars by principal component analysis (PCA). Preliminary results are shown from subsequent studies comparing three different cultivation methods by means of PCA and partial least squares discriminant analysis (PLS-DA) of the HR-MAS NMR data. The compounds responsible for discriminating organically grown apples are discussed. Finally, an outlook of our ongoing work is given including a longitudinal study on apples.

SOLUTE-DERIVED THERMAL STABILITY OF NANOCRYSTALLINE ALUMINUM AND PROCESSING FACTOR INFLUENCE ON THE FORMATION OF AL6MN QUASICRYSTALS IN MELT-SPINNING

Thermal stability of nanograined metals can be difficult to attain due to the large driving force for grain growth that arises from the significant boundary area constituted by the nanostructure. Kinetic approaches for stabilization of the nanostructure effective at low homologous temperatures often fail at higher homologous temperatures. Thermodynamic approaches for thermal stabilization may offer higher temperature stability. In this research, modest alloying of aluminum with solute (1 at.% Sc, Yb, or Sr) was examined as a means to thermodynamically stabilize a bulk nanostructure at elevated temperatures. After using melt-spinning and ball-milling to create an extended solid-solution and nanostructure with average grain size on the order of 30-45 nm, 1 h annealing treatments at 673 K (0.72 Tm) , 773 K (0.83 Tm) , and 873 K (0.94 Tm) were applied. The alloys remain nanocrystalline (<100 nm) as measured by Warren-Averbach Fourier analysis of x-ray diffraction peaks and direct observation of TEM dark field micrographs, with the efficacy of stabilization: Sr>Yb>Sc. Disappearance of intermetallic phases in the Sr and Yb alloys in the x-ray diffraction spectra are observed to occur coincident with the stabilization after annealing, suggesting that precipitates dissolve and the boundaries are enriched with solute. Melt-spinning has also been shown to be an effective process to produce a class of ordered, but non-periodic crystals called quasicrystals. However, many of the factors related to the creation of the quasicrystals through melt-spinning are not optimized for specific chemistries and alloy systems. In a related but separate aspect of this research, meltspinning was utilized to create metastable quasicrystalline Al6Mn in an α-Al matrix through rapid solidification of Al-8Mn (by mol) and Al-10Mn (by mol) alloys. Wheel speed of the melt-spinning wheel and orifice diameter of the tube reservoir were varied to determine their effect on the resulting volume proportions of the resultant phases using integrated areas of collected x-ray diffraction spectra. The data were then used to extrapolate parameters for the Al-10Mn alloy which consistently produced Al6Mn quasicrystal with almost complete suppression of the equilibrium Al6Mn orthorhombic phase.

Comparison between confocal scanning laser tomography, scanning laser polarimetry and optical coherence tomography on the ability to detect localised retinal nerve fibre layer defects in glaucoma patients

BACKGROUND/AIM: To compare the ability of confocal scanning laser tomography (CSLT), scanning laser polarimetry (SLP) and optical coherence tomography (OCT) in recognising localised retinal nerve fibre layer (RNFL) defects. METHODS: 51 eyes from 43 patients with glaucoma were identified by two observers as having RNFL defects visible on optic disc photographs. 51 eyes of 32 normal subjects were used as controls. Three masked observers evaluated CSLT, SLP and OCT images to determine subjectively the presence of localised RNFL defects. RESULTS: Interobserver agreement was highest with OCT, followed by SLP and CSLT (mean kappa: 0.83, 0.69 and 0.64, respectively). RNFL defects were identified in 58.8% of CSLT, 66.7% of SLP and 54.9% of OCT (p = 0.02 between SLP and OCT) by at least two observers. In the controls, 94.1% of CSLT, 84.3% of SLP and 94.1% of OCT scans, respectively, were rated as normal (p = 0.02 between CSLT and SLP, and SLP and OCT). CONCLUSION: Approximately 20-40% of localised RNFL defects identified by colour optic disc photographs are not detected by CSLT, SPL or OCT. SLP showed a higher number of false-positive results than the other techniques, but also had a higher proportion of correctly identified RNFL defects in the glaucoma population.

MODEL UPDATING AND STRUCTURAL HEALTH MONITORING OF HORIZONTAL AXIS WIND TURBINES VIA ADVANCED SPINNING FINITE ELEMENTS AND STOCHASTIC SUBSPACE IDENTIFICATION METHODS

Wind energy has been one of the most growing sectors of the nation’s renewable energy portfolio for the past decade, and the same tendency is being projected for the upcoming years given the aggressive governmental policies for the reduction of fossil fuel dependency. Great technological expectation and outstanding commercial penetration has shown the so called Horizontal Axis Wind Turbines (HAWT) technologies. Given its great acceptance, size evolution of wind turbines over time has increased exponentially. However, safety and economical concerns have emerged as a result of the newly design tendencies for massive scale wind turbine structures presenting high slenderness ratios and complex shapes, typically located in remote areas (e.g. offshore wind farms). In this regard, safety operation requires not only having first-hand information regarding actual structural dynamic conditions under aerodynamic action, but also a deep understanding of the environmental factors in which these multibody rotating structures operate. Given the cyclo-stochastic patterns of the wind loading exerting pressure on a HAWT, a probabilistic framework is appropriate to characterize the risk of failure in terms of resistance and serviceability conditions, at any given time. Furthermore, sources of uncertainty such as material imperfections, buffeting and flutter, aeroelastic damping, gyroscopic effects, turbulence, among others, have pleaded for the use of a more sophisticated mathematical framework that could properly handle all these sources of indetermination. The attainable modeling complexity that arises as a result of these characterizations demands a data-driven experimental validation methodology to calibrate and corroborate the model. For this aim, System Identification (SI) techniques offer a spectrum of well-established numerical methods appropriated for stationary, deterministic, and data-driven numerical schemes, capable of predicting actual dynamic states (eigenrealizations) of traditional time-invariant dynamic systems. As a consequence, it is proposed a modified data-driven SI metric based on the so called Subspace Realization Theory, now adapted for stochastic non-stationary and timevarying systems, as is the case of HAWT’s complex aerodynamics. Simultaneously, this investigation explores the characterization of the turbine loading and response envelopes for critical failure modes of the structural components the wind turbine is made of. In the long run, both aerodynamic framework (theoretical model) and system identification (experimental model) will be merged in a numerical engine formulated as a search algorithm for model updating, also known as Adaptive Simulated Annealing (ASA) process. This iterative engine is based on a set of function minimizations computed by a metric called Modal Assurance Criterion (MAC). In summary, the Thesis is composed of four major parts: (1) development of an analytical aerodynamic framework that predicts interacted wind-structure stochastic loads on wind turbine components; (2) development of a novel tapered-swept-corved Spinning Finite Element (SFE) that includes dampedgyroscopic effects and axial-flexural-torsional coupling; (3) a novel data-driven structural health monitoring (SHM) algorithm via stochastic subspace identification methods; and (4) a numerical search (optimization) engine based on ASA and MAC capable of updating the SFE aerodynamic model.