Modellazione dell'effetto flangia nelle strutture in muratura: uno studio parametrico mediante un modello al continuo

La risposta sismica del patrimonio edilizio in muratura è molto articolata e richiede una completa comprensione del comportamento delle strutture stesse nel caso in cui siano soggette ad azione sismica, unitamente a corrette ed esaustive valutazioni numeriche. Questo elaborato è volto alla comprensione del fenomeno chiamato effetto flangia, ovvero l’interazione reciproca di pareti in muratura incidenti, mediante uno studio parametrico. Infatti, tale aspetto dipende da diversi parametri, tra i quali l’ammorsamento, lo spessore e le proporzioni tra i muri incidenti giocano un ruolo principale. Mediante un software ad elementi finiti (ABAQUS) è stato possibile implementare uno script di generazione dei modelli basato sui diversi parametri geometrici (lunghezza della parete incidente e della parete trasversale, e la loro posizione relativa) e su due diverse condizioni di vincolamento dei modelli. Inoltre, si è presa in considerazione la variabilità del carico verticale, stimandola in relazione al valore di resistenza a compressione della muratura: da un valore molto ridotto (5%), fino ad arrivare ad un valore elevato di compressione verticale (30%). L’analisi dei risultati utilizza le convenzionali curve di pushover per strutture in muratura costruite secondo i dettami della normativa tecnica italiana. Tali curve sono analizzate in funzione della percentuale di pressione che viene applicata catturando per ogni caso notevole l’effetto degli altri parametri variabili cercando quindi di descrivere la presenza dell’effetto flangia, ovvero evidenziando le variazioni della risposta strutturale (massimo taglio, duttilità, tipo di crisi etc.) quando è presente una interazione tra due pareti incidenti.

Analisi della performance sismica di un edificio esistente in C.A. mediante metodo SLaMA e valutazione delle perdite economiche attese

A metà del secolo scorso in Italia un elevato numero di edifici in cemento armato con struttura a telaio è stata realizzata, in accordo con la Normativa dell’epoca, per resistere unicamente alle azioni verticali presentando un’elevata vulnerabilità nei riguardi delle azioni sismiche. I cambiamenti apportati dalle più recenti Normative volgono l’attenzione alla problematica della vulnerabilità sismica degli edifici esistenti, rendendo l’analisi del comportamento di questi ultimi un tema di grande rilevanza ed attualità. In questo contesto, viene selezionato un edificio esistente per il quale viene valutata la capacità sismica mediante una metodologia analitica denominata SLaMA, e vengono stimate le perdite economiche sismiche utilizzando la metodologia del Sisma Bonus Italiano. L’utilizzo di metodologie di calcolo semplificate rappresenta al giorno d’oggi una robusta alternativa da utilizzare in fase di valutazione progettuale preliminare. Le operazioni eseguite per l’edificio esistente vengono poi ripetute anche per due differenti opzioni di rinforzo strutturale proposte per lo stesso. I risultati ottenuti in termini di capacità sono stati posti a confronto con quelli ricavati dalla modellazione ad elementi finiti su software di calcolo per validare il metodo semplificato, mentre i risultati derivati dal calcolo delle perdite economiche sono stati confrontati con quelli ricavati mediante una metodologia più raffinata di analisi per verificare la corrispondenza e l’accuratezza del parametro di perdita calcolato (PAM). Infine, vengono esposti i risultati ottenuti per gli edifici analizzati proponendo dei confronti fra gli stessi, in modo da individuare la scelta progettuale più conveniente sia in merito alla performance sismica dell’edificio che alla riduzione della perdita economica attesa.

Identificazione dinamica della variazione di rigidezza flessionale in una trave metallica: indagini sperimentali e analisi numeriche

Un danneggiamento in una struttura altera le sue caratteristiche dinamiche quali frequenze naturali, indici di smorzamento e forme modali associate ad ogni frequenza naturale. In particolare, nel caso di travi, una variazione di rigidezza flessionale è in generale definibile danneggiamento se corrisponde ad una riduzione della stessa; tuttavia, anche un incremento altera i parametri dinamici della struttura. Il presente elaborato investiga l’applicazione del cambiamento nelle curvature modali per identificare un incremento di rigidezza flessionale in una trave metallica semplicemente appoggiata studiata presso il laboratorio LISG dell’Università di Bologna. Utilizzando le differenze centrali, le curvature modali sono state calcolate dalle forme modali ottenute sperimentalmente. Le modalità di calcolo utilizzate per identificare le forme modali della trave sono accomunate dall’utilizzo delle funzioni di trasferimento sperimentali ricavate sia dal rapporto tra le trasformate di output ed input, sia facendo uso della densità di potenza spettrale (PSD e CPSD). A supporto delle indagini sperimentali e per validare le modalità di calcolo utilizzate è stata modellata tramite elementi finiti una trave semplicemente appoggiata che simula la configurazione iniziale e quella irrigidita localmente in un suo tratto. I risultati numerici condotti validano le modalità utilizzate per la determinazione delle forme modali, evidenziando una forte sensibilità delle curvature modali all’irrigidimento locale. Come atteso, lato sperimentale le forme modali risultano meno accurate di quelle dedotte dalle esperienze numeriche. I risultati ottenuti evidenziano limiti e potenzialità dell’algoritmo di identificazione impiegato.

Validation of microFE models of human metastatic vertebrae

La colonna vertebrale è uno dei principali siti per lo sviluppo delle metastasi ossee. Esse modificano le proprietà meccaniche della vertebra indebolendo la struttura e inducendo l’instabilità spinale. La medicina in silico e i modelli agli elementi finiti (FE) hanno trovato spazio nello studio del comportamento meccanico delle vertebre, permettendo una valutazione delle loro proprietà meccaniche anche in presenza di metastasi. In questo studio ho validato i campi di spostamento predetti da modelli microFE di vertebre umane, con e senza metastasi, rispetto agli spostamenti misurati mediante Digital Volume Correlation (DVC). Sono stati utilizzati 4 provini da donatore umano, ognuno composto da una vertebra sana e da una vertebra con metastasi litica. Per ogni vertebra è stato sviluppato un modello microFE omogeneo, lineare e isotropo basato su sequenze di immagini ad alta risoluzione ottenute con microCT (voxel size = 39 μm). Sono state imposte come condizioni al contorno gli spostamenti ottenuti con la DVC nelle fette prossimali e distali di ogni vertebra. I modelli microFE hanno mostrato buone capacità predittive degli spostamenti interni sia per le vertebre di controllo che per quelle metastatiche. Per range di spostamento superiori a 100 μm, il valore di R2 è risultato compreso tra 0.70 e 0.99 e il valore di RMSE% tra 1.01% e 21.88%. Dalle analisi dei campi di deformazione predetti dai modelli microFE sono state evidenziate regioni a maggior deformazione nelle vertebre metastatiche, in particolare in prossimità delle lesioni. Questi risultati sono in accordo con le misure sperimentali effettuate con la DVC. Si può assumere quindi che il modello microFE lineare omogeneo isotropo in campo elastico produca risultati attendibili sia per le vertebre sane sia per le vertebre metastatiche. La procedura di validazione implementata potrebbe essere utilizzata per approfondire lo studio delle proprietà meccaniche delle lesioni blastiche.

Mixed-domain simulation and hybrid wafer-level packaging of RF-MEMS devices for wireless applications

In questa tesi verranno trattati sia il problema della creazione di un ambiente di simulazione a domini fisici misti per dispositivi RF-MEMS, che la definizione di un processo di fabbricazione ad-hoc per il packaging e l’integrazione degli stessi. Riguardo al primo argomento, sarà mostrato nel dettaglio lo sviluppo di una libreria di modelli MEMS all’interno dell’ambiente di simulazione per circuiti integrati Cadence c . L’approccio scelto per la definizione del comportamento elettromeccanico dei MEMS è basato sul concetto di modellazione compatta (compact modeling). Questo significa che il comportamento fisico di ogni componente elementare della libreria è descritto per mezzo di un insieme limitato di punti (nodi) di interconnessione verso il mondo esterno. La libreria comprende componenti elementari, come travi flessibili, piatti rigidi sospesi e punti di ancoraggio, la cui opportuna interconnessione porta alla realizzazione di interi dispositivi (come interruttori e capacità variabili) da simulare in Cadence c . Tutti i modelli MEMS sono implementati per mezzo del linguaggio VerilogA c di tipo HDL (Hardware Description Language) che è supportato dal simulatore circuitale Spectre c . Sia il linguaggio VerilogA c che il simulatore Spectre c sono disponibili in ambiente Cadence c . L’ambiente di simulazione multidominio (ovvero elettromeccanico) così ottenuto permette di interfacciare i dispositivi MEMS con le librerie di componenti CMOS standard e di conseguenza la simulazione di blocchi funzionali misti RF-MEMS/CMOS. Come esempio, un VCO (Voltage Controlled Oscillator) in cui l’LC-tank è realizzato in tecnologia MEMS mentre la parte attiva con transistor MOS di libreria sarà simulato in Spectre c . Inoltre, nelle pagine successive verrà mostrata una soluzione tecnologica per la fabbricazione di un substrato protettivo (package) da applicare a dispositivi RF-MEMS basata su vie di interconnessione elettrica attraverso un wafer di Silicio. La soluzione di packaging prescelta rende possibili alcune tecniche per l’integrazione ibrida delle parti RF-MEMS e CMOS (hybrid packaging). Verranno inoltre messe in luce questioni riguardanti gli effetti parassiti (accoppiamenti capacitivi ed induttivi) introdotti dal package che influenzano le prestazioni RF dei dispositivi MEMS incapsulati. Nel dettaglio, tutti i gradi di libertà del processo tecnologico per l’ottenimento del package saranno ottimizzati per mezzo di un simulatore elettromagnetico (Ansoft HFSSTM) al fine di ridurre gli effetti parassiti introdotti dal substrato protettivo. Inoltre, risultati sperimentali raccolti da misure di strutture di test incapsulate verranno mostrati per validare, da un lato, il simulatore Ansoft HFSSTM e per dimostrate, dall’altro, la fattibilit`a della soluzione di packaging proposta. Aldilà dell’apparente debole legame tra i due argomenti sopra menzionati è possibile identificare un unico obiettivo. Da un lato questo è da ricercarsi nello sviluppo di un ambiente di simulazione unificato all’interno del quale il comportamento elettromeccanico dei dispositivi RF-MEMS possa essere studiato ed analizzato. All’interno di tale ambiente, l’influenza del package sul comportamento elettromagnetico degli RF-MEMS può essere tenuta in conto per mezzo di modelli a parametri concentrati (lumped elements) estratti da misure sperimentali e simulazioni agli Elementi Finiti (FEM) della parte di package. Infine, la possibilità offerta dall’ambiente Cadence c relativamente alla simulazione di dipositivi RF-MEMS interfacciati alla parte CMOS rende possibile l’analisi di blocchi funzionali ibridi RF-MEMS/CMOS completi.

Longitudinal bar buckling behavior

Reinforced concrete columns might fail because of buckling of the longitudinal reinforcing bar when exposed to earthquake motions. Depending on the hoop stiffness and the length-over-diameter ratio, the instability can be local (in between two subsequent hoops) or global (the buckling length comprises several hoop spacings). To get insight into the topic, an extensive literary research of 19 existing models has been carried out including different approaches and assumptions which yield different results. Finite element fiberanalysis was carried out to study the local buckling behavior with varying length-over-diameter and initial imperfection-over-diameter ratios. The comparison of the analytical results with some experimental results shows good agreement before the post buckling behavior undergoes large deformation. Furthermore, different global buckling analysis cases were run considering the influence of different parameters; for certain hoop stiffnesses and length-over-diameter ratios local buckling was encountered. A parametric study yields an adimensional critical stress in function of a stiffness ratio characterized by the reinforcement configuration. Colonne in cemento armato possono collassare per via dell’instabilità dell’armatura longitudinale se sottoposte all’azione di un sisma. In funzione della rigidezza dei ferri trasversali e del rapporto lunghezza d’inflessione-diametro, l’instabilità può essere locale (fra due staffe adiacenti) o globale (la lunghezza d’instabilità comprende alcune staffe). Per introdurre alla materia, è proposta un’esauriente ricerca bibliografica di 19 modelli esistenti che include approcci e ipotesi differenti che portano a risultati distinti. Tramite un’analisi a fibre e elementi finiti si è studiata l’instabilità locale con vari rapporti lunghezza d’inflessione-diametro e imperfezione iniziale-diametro. Il confronto dei risultati analitici con quelli sperimentali mostra una buona coincidenza fino al raggiungimento di grandi spostamenti. Inoltre, il caso d’instabilità globale è stato simulato valutando l’influenza di vari parametri; per certe configurazioni di rigidezza delle staffe e lunghezza d’inflessione-diametro si hanno ottenuto casi di instabilità locale. Uno studio parametrico ha permesso di ottenere un carico critico adimensionale in funzione del rapporto di rigidezza dato dalle caratteristiche dell’armatura.

Analisi dei coefficienti di auto induzione di dispersione nelle macchine elettriche rotanti di tipo multifase

L’obiettivo di questa tesi è l’analisi e la modellizzazione dei flussi dispersi statorici nelle macchine multifase utilizzando la teoria dei vettori di spazio multipli. L’analisi ed il calcolo del coefficiente di auto induzione di dispersione statorica nei vari spazi è cruciale nella progettazione e nel controllo delle macchine elettriche multifase in quanto, per esempio, essa limita il ripple di corrente quando la macchina non è alimentata con una tensione perfettamente sinusoidale. Il fine è pertanto di giungere alla scrittura di un’equazione che leghi il generico vettore di spazio dei flussi dispersi ai vettori di spazio delle correnti che alimentano la macchina elettrica tramite una costante che contenga i coefficienti di auto e mutua induzione di dispersione in cava degli avvolgimenti statorici.

Application of numerical methods to earthquake stability assessment of slopes

Questo documento descrive gran parte del lavoro svolto durante un periodo di studio di sei mesi all’International Centre for Geohazards (ICG) di Oslo. Seguendo la linea guida dettata nel titolo, sono stati affrontati diversi aspetti riguardanti la modellazione numerica dei pendii quali l’influenza delle condizioni al contorno e delle proporzioni del modello, la back-analysis di eventi di scivolamento e l’applicazione delle analisi di stabilità monodimensionali. La realizzazione di semplici modelli con il programma agli elementi finiti PLAXIS (Brinkgreve et al., 2008) ha consentito di analizzare le prestazioni dei modelli numerici riguardo all’influenza delle condizioni al contorno confrontandoli con un calcolo teorico del fattore di amplificazione. Questa serie di test ha consentito di stabilire alcune linee guida per la realizzazione di test con un buon livello di affidabilità. Alcuni case-history, in particolare quello di Las Colinas (El Salvador), sono stati modellati allo scopo di applicare e verificare i risultati ottenuti con i semplici modelli sopracitati. Inoltre sono state svolte analisi di sensitività alla dimensione della mesh e ai parametri di smorzamento e di elasticità. I risultati hanno evidenziato una forte dipendenza dei risultati dai parametri di smorzamento, rilevando l’importanza di una corretta valutazione di questa grandezza. In ultima battuta ci si è occupati dell’accuratezza e dell’applicabilità dei modelli monodimensionali. I risultati di alcuni modelli monodimensionali realizzati con il software Quiver (Kaynia, 2009) sono stati confrontati con quelli ottenuti da modelli bidimensionali. Dal confronto è risultato un buon grado di approssimazione accompagnato da un margine di sicurezza costante. Le analisi monodimensionali sono poi state utilizzate per la verifica di sensitività. I risultati di questo lavoro sono qui presentati e accompagnati da suggerimenti qualitativi e quantitativi per la realizzazione di modelli bidimensionali affidabili. Inoltre si descrive la possibilità di utilizzare modelli monodimensionali in caso d’incertezze sui parametri. Dai risultati osservati emerge la possibilità di ottenere un risparmio di tempo nella realizzazione di importanti indagini di sensitività.

Heave of large excavations in clay: modelling and analysis of two british case-histories

ABSTRACT Il presente lavoro vuole introdurre la problematica del rigonfiamento del terreno a seguito di grandi scavi in argilla. Il sollevamento del terreno dopo lo scavo può passare inosservato ma sono numerosi i casi in cui il rigonfiamento dura per molti anni e addirittura decenni, Shell Centre, London, Lion Yard, Cambridge, Bell Common, London, ecc. Questo rigonfiamento il più delle volte è impedito dalla presenza di fondazioni, si genera quindi una pressione distribuita che se non considerata in fase di progetto può portare alla fessurazione della fondazione stessa. L’anima del progetto è la modellazione e l’analisi del rigonfiamento di grandi scavi in argilla, confrontando poi i risultati con i dati reali disponibili in letteratura. L’idea del progetto nasce dalla difficoltà di ottenere stime e previsioni attendibili del rigonfiamento a seguito di grandi scavi in argilla sovraconsolidata. Inizialmente ho esaminato la teoria e i fattori che influenzano il grado e la velocità del rigonfiamento, quali la rigidezza, permeabilità, fessurazione, struttura del suolo, etc. In seguito ho affrontato lo studio del comportamento rigonfiante di argille sovraconsolidate a seguito di scarico tensionale (scavi), si è evidenziata l’importanza di differenziare il rigonfiamento primario e il rigonfiamento secondario dovuto al fenomeno del creep. Il tema centrale del progetto è l’analisi numerica tramite Flac di due grandi scavi in argilla, Lion Yard, Cambridge, e, Bell Common, London. Attraverso una dettagliata analisi parametrica sono riuscito a trovare i migliori parametri che modellano il comportamento reale nei due casi in esame, in questo modo è possibile arrivare a stime e previsioni attendibili del fenomeno rigonfiante del terreno a seguito di grandi scavi. Gli scavi modellati Lion Yard e Bell Common sono rispettivamente in Gault Clay e London Clay, grazie a famosi recenti articoli scientifici sono riuscito a evidenziare la principali propietà che diversificano i due terreni in esame, tali propietà sono estremamente differenti dalle normali caratteristiche considerate per la progettazione in presenza di terreno argilloso; sono così riuscito a implementare i migliori parametri per descrivere il comportamento dei due terreni nei diversi modelli. Ho inoltre studiato l’interazione terreno-struttura, la pressione esercitata dal rigonfiamento del terreno è strettamente funzione delle caratteristiche di connesione tra fondazione superficiale e muro di sostegno, tale pressione non deve essere ignorata in fase progettuale poichè può raggiungere importanti valori. Nello scavo di Lion Yard, considerando la presenza delle fondazioni profonde ho evidenziato il fatto che il rigonfiamento crea una forza distribuita di taglio tra i pali di fondazione ed il terreno, anche tale sollecitazione dovrebbe essere considerata ai fini della progettazione. La problematica non si ferma solo sull’interazione terreno-fondazioni, infatti durante gli scavi di importanti fondazioni londinesi lo scarico tensionale ha creato uno spostamento significativo positivo verso la superfice di tratti di tunnel della metropolita, questo fenomeno può creare seri problemi di sicurezza nella rete dei trasporti pubblici. Infine sono stati messi a confronto i risultati del programma Flac con quelli di metodi semplificati, ho trovato che utilizzando il metodo iterativo di O’Brien i risultati sono simili alla realtà e il tempo di calcolo è molto inferiore di quello richiesto utilizzando Flac, 2-3 giorni. In conclusione posso affermare che grazie ad una dettagliata analisi parametrica è stato possibile stimare il rigonfiamento del terreno, argilla sovraconsolidata, nei due casi analizzati.

Safety factors in sheet pile wall design: considerations by using traditional methods and FEM analysis

The purpose of the work is: define and calculate a factor of collapse related to traditional method to design sheet pile walls. Furthermore, we tried to find the parameters that most influence a finite element model representative of this problem. The text is structured in this way: from chapter 1 to 5, we analyzed a series of arguments which are usefull to understanding the problem, while the considerations mainly related to the purpose of the text are reported in the chapters from 6 to 10. In the first part of the document the following arguments are shown: what is a sheet pile wall, what are the codes to be followed for the design of these structures and what they say, how can be formulated a mathematical model of the soil, some fundamentals of finite element analysis, and finally, what are the traditional methods that support the design of sheet pile walls. In the chapter 6 we performed a parametric analysis, giving an answer to the second part of the purpose of the work. Comparing the results from a laboratory test for a cantilever sheet pile wall in a sandy soil, with those provided by a finite element model of the same problem, we concluded that:in modelling a sandy soil we should pay attention to the value of cohesion that we insert in the model (some programs, like Abaqus, don’t accept a null value for this parameter), friction angle and elastic modulus of the soil, they influence significantly the behavior of the system (structure-soil), others parameters, like the dilatancy angle or the Poisson’s ratio, they don’t seem influence it. The logical path that we followed in the second part of the text is reported here. We analyzed two different structures, the first is able to support an excavation of 4 m, while the second an excavation of 7 m. Both structures are first designed by using the traditional method, then these structures are implemented in a finite element program (Abaqus), and they are pushed to collapse by decreasing the friction angle of the soil. The factor of collapse is the ratio between tangents of the initial friction angle and of the friction angle at collapse. At the end, we performed a more detailed analysis of the first structure, observing that, the value of the factor of collapse is influenced by a wide range of parameters including: the value of the coefficients assumed in the traditional method and by the relative stiffness of the structure-soil system. In the majority of cases, we found that the value of the factor of collapse is between and 1.25 and 2. With some considerations, reported in the text, we can compare the values so far found, with the value of the safety factor proposed by the code (linked to the friction angle of the soil).

L'effetto della pressione sulle perdite in condotte con fessure longitudinali - The effect of pressure on leakage in longitudinally crecked pressurized pipes.

La crescente attenzione verso un utilizzo attento, sostenibile ed economicamente efficiente della risorsa idrica rende di primaria importanza il tema delle perdite idriche e della gestione efficiente dei sistemi idrici. La richiesta di controlli dell’uso dell’acqua è stata avanzata a livello mondiale. Il problema delle perdite idriche nei Paesi industrializzati è stato così affrontato con specifiche normative e procedure di best practice gestionale per avanzare una valutazione delle perdite idriche e una limitazione degli sprechi e degli usi impropri. In quest’ambito, la pressione gioca un ruolo fondamentale nella regolazione delle perdite reali. La regolazione delle pressioni nelle diverse ore del giorno consente, infatti, di poter agire su queste ultime perdite, che aumentano all’aumentare della pressione secondo una cosiddetta legge di potenza. La motivazione della presente tesi è originata dalla necessità di quantificare il livello di perdita idrica in un sistema acquedottistico in relazione alla pressione all’interno del sistema stesso. Per avere una stima realistica che vada al di là della legge della foronomia, si vuole valutare l’influenza della deformabilità della condotta in pressione fessurata sull’entità delle perdite idriche, con particolare attenzione alle fessurazioni di tipo longitudinale. Tale studio è condotto tramite l’introduzione di un semplice modello di trave alla Winkler grazie al quale, attraverso un’analisi elastica, si descrive il comportamento di una generica condotta fessurata longitudinalmente e si valuta la quantità d’acqua perduta. I risultati ottenuti in condizioni specifiche della condotta (tipo di materiale, caratteristiche geometriche dei tubi e delle fessure, etc.) e mediante l’inserimento di opportuni parametri nel modello, calibrati sui risultati forniti da una raffinata modellazione tridimensionale agli elementi finiti delle medesime condotte, verranno poi confrontati con i risultati di alcune campagne sperimentali. Gli obiettivi del presente lavoro sono, quindi, la descrizione e la valutazione del modello di trave introdotto, per stabilire se esso, nonostante la sua semplicità, sia effettivamente in grado di riprodurre, in maniera realistica, la situazione che si potrebbe verificare nel caso di tubo fessurato longitudinalmente e di fornire risultati attendibili per lo studio delle perdite idriche. Nella prima parte verrà approfondito il problema della perdite idriche. Nella seconda parte si illustrerà il semplice modello di trave su suolo elastico adottato per l’analisi delle condotte in pressione fessurate, dopo alcuni cenni teorici ai quali si è fatto riferimento per la realizzazione del modello stesso. Successivamente, nella terza parte, si procederà alla calibrazione del modello, tramite il confronto con i risultati forniti da un’analisi tridimensionale agli elementi finiti. Infine nella quarta parte verrà ricavata la relazione flusso-pressione con particolare attenzione all’esponente di perdita, il cui valore risulterà superiore a quello predetto dalla teoria della foronomia, e verrà verificata l’effettiva validità del modello tramite un confronto con i risultati sperimentali di cui è stata fatta menzione in precedenza.

Some issues concerning the dynamic response and damage of composite laminates subjected to low velocity impact

Abstract. This thesis presents a discussion on a few specific topics regarding the low velocity impact behaviour of laminated composites. These topics were chosen because of their significance as well as the relatively limited attention received so far by the scientific community. The first issue considered is the comparison between the effects induced by a low velocity impact and by a quasi-static indentation experimental test. An analysis of both test conditions is presented, based on the results of experiments carried out on carbon fibre laminates and on numerical computations by a finite element model. It is shown that both quasi-static and dynamic tests led to qualitatively similar failure patterns; three characteristic contact force thresholds, corresponding to the main steps of damage progression, were identified and found to be equal for impact and indentation. On the other hand, an equal energy absorption resulted in a larger delaminated area in quasi-static than in dynamic tests, while the maximum displacement of the impactor (or indentor) was higher in the case of impact, suggesting a probably more severe fibre damage than in indentation. Secondly, the effect of different specimen dimensions and boundary conditions on its impact response was examined. Experimental testing showed that the relationships of delaminated area with two significant impact parameters, the absorbed energy and the maximum contact force, did not depend on the in-plane dimensions and on the support condition of the coupons. The possibility of predicting, by means of a simplified numerical computation, the occurrence of delaminations during a specific impact event is also discussed. A study about the compressive behaviour of impact damaged laminates is also presented. Unlike most of the contributions available about this subject, the results of compression after impact tests on thin laminates are described in which the global specimen buckling was not prevented. Two different quasi-isotropic stacking sequences, as well as two specimen geometries, were considered. It is shown that in the case of rectangular coupons the lay-up can significantly affect the damage induced by impact. Different buckling shapes were observed in laminates with different stacking sequences, in agreement with the results of numerical analysis. In addition, the experiments showed that impact damage can alter the buckling mode of the laminates in certain situations, whereas it did not affect the compressive strength in every case, depending on the buckling shape. Some considerations about the significance of the test method employed are also proposed. Finally, a comprehensive study is presented regarding the influence of pre-existing in-plane loads on the impact response of laminates. Impact events in several conditions, including both tensile and compressive preloads, both uniaxial and biaxial, were analysed by means of numerical finite element simulations; the case of laminates impacted in postbuckling conditions was also considered. The study focused on how the effect of preload varies with the span-to-thickness ratio of the specimen, which was found to be a key parameter. It is shown that a tensile preload has the strongest effect on the peak stresses at low span-to-thickness ratios, leading to a reduction of the minimum impact energy required to initiate damage, whereas this effect tends to disappear as the span-to-thickness ratio increases. On the other hand, a compression preload exhibits the most detrimental effects at medium span-to-thickness ratios, at which the laminate compressive strength and the critical instability load are close to each other, while the influence of preload can be negligible for thin plates or even beneficial for very thick plates. The possibility to obtain a better explanation of the experimental results described in the literature, in view of the present findings, is highlighted. Throughout the thesis the capabilities and limitations of the finite element model, which was implemented in an in-house program, are discussed. The program did not include any damage model of the material. It is shown that, although this kind of analysis can yield accurate results as long as damage has little effect on the overall mechanical properties of a laminate, it can be helpful in explaining some phenomena and also in distinguishing between what can be modelled without taking into account the material degradation and what requires an appropriate simulation of damage. Sommario. Questa tesi presenta una discussione su alcune tematiche specifiche riguardanti il comportamento dei compositi laminati soggetti ad impatto a bassa velocità. Tali tematiche sono state scelte per la loro importanza, oltre che per l’attenzione relativamente limitata ricevuta finora dalla comunità scientifica. La prima delle problematiche considerate è il confronto fra gli effetti prodotti da una prova sperimentale di impatto a bassa velocità e da una prova di indentazione quasi statica. Viene presentata un’analisi di entrambe le condizioni di prova, basata sui risultati di esperimenti condotti su laminati in fibra di carbonio e su calcoli numerici svolti con un modello ad elementi finiti. È mostrato che sia le prove quasi statiche sia quelle dinamiche portano a un danneggiamento con caratteristiche qualitativamente simili; tre valori di soglia caratteristici della forza di contatto, corrispondenti alle fasi principali di progressione del danno, sono stati individuati e stimati uguali per impatto e indentazione. D’altro canto lo stesso assorbimento di energia ha portato ad un’area delaminata maggiore nelle prove statiche rispetto a quelle dinamiche, mentre il massimo spostamento dell’impattatore (o indentatore) è risultato maggiore nel caso dell’impatto, indicando la probabilità di un danneggiamento delle fibre più severo rispetto al caso dell’indentazione. In secondo luogo è stato esaminato l’effetto di diverse dimensioni del provino e diverse condizioni al contorno sulla sua risposta all’impatto. Le prove sperimentali hanno mostrato che le relazioni fra l’area delaminata e due parametri di impatto significativi, l’energia assorbita e la massima forza di contatto, non dipendono dalle dimensioni nel piano dei provini e dalle loro condizioni di supporto. Viene anche discussa la possibilità di prevedere, per mezzo di un calcolo numerico semplificato, il verificarsi di delaminazioni durante un determinato caso di impatto. È presentato anche uno studio sul comportamento a compressione di laminati danneggiati da impatto. Diversamente della maggior parte della letteratura disponibile su questo argomento, vengono qui descritti i risultati di prove di compressione dopo impatto su laminati sottili durante le quali l’instabilità elastica globale dei provini non è stata impedita. Sono state considerate due differenti sequenze di laminazione quasi isotrope, oltre a due geometrie per i provini. Viene mostrato come nel caso di provini rettangolari la sequenza di laminazione possa influenzare sensibilmente il danno prodotto dall’impatto. Due diversi tipi di deformate in condizioni di instabilità sono stati osservati per laminati con diversa laminazione, in accordo con i risultati dell’analisi numerica. Gli esperimenti hanno mostrato inoltre che in certe situazioni il danno da impatto può alterare la deformata che il laminato assume in seguito ad instabilità; d’altra parte tale danno non ha sempre influenzato la resistenza a compressione, a seconda della deformata. Vengono proposte anche alcune considerazioni sulla significatività del metodo di prova utilizzato. Infine viene presentato uno studio esaustivo riguardo all’influenza di carichi membranali preesistenti sulla risposta all’impatto dei laminati. Sono stati analizzati con simulazioni numeriche ad elementi finiti casi di impatto in diverse condizioni di precarico, sia di trazione sia di compressione, sia monoassiali sia biassiali; è stato preso in considerazione anche il caso di laminati impattati in condizioni di postbuckling. Lo studio si è concentrato in particolare sulla dipendenza degli effetti del precarico dal rapporto larghezza-spessore del provino, che si è rivelato un parametro fondamentale. Viene illustrato che un precarico di trazione ha l’effetto più marcato sulle massime tensioni per bassi rapporti larghezza-spessore, portando ad una riduzione della minima energia di impatto necessaria per innescare il danneggiamento, mentre questo effetto tende a scomparire all’aumentare di tale rapporto. Il precarico di compressione evidenzia invece gli effetti più deleteri a rapporti larghezza-spessore intermedi, ai quali la resistenza a compressione del laminato e il suo carico critico di instabilità sono paragonabili, mentre l’influenza del precarico può essere trascurabile per piastre sottili o addirittura benefica per piastre molto spesse. Viene evidenziata la possibilità di trovare una spiegazione più soddisfacente dei risultati sperimentali riportati in letteratura, alla luce del presente contributo. Nel corso della tesi vengono anche discussi le potenzialità ed i limiti del modello ad elementi finiti utilizzato, che è stato implementato in un programma scritto in proprio. Il programma non comprende alcuna modellazione del danneggiamento del materiale. Viene però spiegato come, nonostante questo tipo di analisi possa portare a risultati accurati soltanto finché il danno ha scarsi effetti sulle proprietà meccaniche d’insieme del laminato, esso possa essere utile per spiegare alcuni fenomeni, oltre che per distinguere fra ciò che si può riprodurre senza tenere conto del degrado del materiale e ciò che invece richiede una simulazione adeguata del danneggiamento.

Studio sul cedimento e riprogettazione di un iniettore d'acqua per degasatori industriali

Il lavoro svolto consiste nella riprogettazione di un ugello per un degastore industriale. L'intenzione è quella di apportare migliorie tali da rendere meno frequenti gli interventi di manutenzione/sostituzione del componente. Vengono passate al vaglio diverse soluzioni e la scelta finale viene portata avanti fino alla realizzazione dei disegni costruttivi. Viene altresi utilizzata una analisi agli elementi finiti per verificare che la deformazione del componente in esercizio rimanga al di sotto del limite prestabilito.

Analisi della risposta dinamica di opere di protezione dalla caduta massi nella provincia autonoma di Bolzano

Nel contesto della progettazione di interventi di difesa da frane di crollo, la tesi è rivolta allo studio del comportamento di opere di protezione dalla caduta massi, con particolare riguardo alle barriere paramassi, strutture metalliche progettate per arrestare blocchi in caduta lungo un versante. Specificamente, il comportamento altamente non lineare di queste strutture è stato osservato mediante modellazione numerica agli elementi finiti con codice di calcolo STRAUS 7 v.2.3.3. La formulazione dei modelli è stata sviluppata a partire dai dati contenuti nel Catasto delle opere di protezione (VISO), recentemente messo a punto dalla Provincia Autonoma di Bolzano, nel contesto di una più ampia procedura di analisi della pericolosità di versante in presenza di opere di protezione, finalizzata ad una appropriata gestione del rischio indotto da frane di crollo. Sono stati messi a punto una serie di modelli agli elementi finiti di alcune tra le tipologie più ricorrenti di barriere paramassi a limitata deformabilità. Questi modelli, sottoposti ad una serie di analisi dinamiche e non-lineari, intese a simulare l’impatto di blocchi aventi massa e velocità nota, hanno permesso di osservare la risposta complessiva di queste strutture in regime dinamico identificando i meccanismi di rottura a partire dall’osservazione della formazione di cerniere plastiche, monitorando contestualmente grandezze rilevanti quali gli spostamenti e le forze mobilitate in fondazione. Questi dati, opportunamente interpretati, possono fornire i parametri necessari all’implementazione di più ampie procedure di analisi del rischio indotto da movimenti frane di crollo.

Shear behavior of reinforced concrete slabs under concentrated load: an investigation through Sequentially Linear Analysis

ABSTRACT (italiano) Con crescente attenzione riguardo al problema della sicurezza di ponti e viadotti esistenti nei Paesi Bassi, lo scopo della presente tesi è quello di studiare, mediante la modellazione con Elementi Finiti ed il continuo confronto con risultati sperimentali, la risposta in esercizio di elementi che compongono infrastrutture del genere, ovvero lastre in calcestruzzo armato sollecitate da carichi concentrati. Tali elementi sono caratterizzati da un comportamento ed una crisi per taglio, la cui modellazione è, da un punto di vista computazionale, una sfida piuttosto ardua, a causa del loro comportamento fragile combinato a vari effetti tridimensionali. La tesi è incentrata sull'utilizzo della Sequentially Linear Analysis (SLA), un metodo di soluzione agli Elementi Finiti alternativo rispetto ai classici approcci incrementali e iterativi. Il vantaggio della SLA è quello di evitare i ben noti problemi di convergenza tipici delle analisi non lineari, specificando direttamente l'incremento di danno sull'elemento finito, attraverso la riduzione di rigidezze e resistenze nel particolare elemento finito, invece dell'incremento di carico o di spostamento. Il confronto tra i risultati di due prove di laboratorio su lastre in calcestruzzo armato e quelli della SLA ha dimostrato in entrambi i casi la robustezza del metodo, in termini di accuratezza dei diagrammi carico-spostamento, di distribuzione di tensioni e deformazioni e di rappresentazione del quadro fessurativo e dei meccanismi di crisi per taglio. Diverse variazioni dei più importanti parametri del modello sono state eseguite, evidenziando la forte incidenza sulle soluzioni dell'energia di frattura e del modello scelto per la riduzione del modulo elastico trasversale. Infine è stato effettuato un paragone tra la SLA ed il metodo non lineare di Newton-Raphson, il quale mostra la maggiore affidabilità della SLA nella valutazione di carichi e spostamenti ultimi insieme ad una significativa riduzione dei tempi computazionali. ABSTRACT (english) With increasing attention to the assessment of safety in existing dutch bridges and viaducts, the aim of the present thesis is to study, through the Finite Element modeling method and the continuous comparison with experimental results, the real response of elements that compose these infrastructures, i.e. reinforced concrete slabs subjected to concentrated loads. These elements are characterized by shear behavior and crisis, whose modeling is, from a computational point of view, a hard challenge, due to their brittle behavior combined with various 3D effects. The thesis is focused on the use of Sequentially Linear Analysis (SLA), an alternative solution technique to classical non linear Finite Element analyses that are based on incremental and iterative approaches. The advantage of SLA is to avoid the well-known convergence problems of non linear analyses by directly specifying a damage increment, in terms of a reduction of stiffness and strength in the particular finite element, instead of a load or displacement increment. The comparison between the results of two laboratory tests on reinforced concrete slabs and those obtained by SLA has shown in both the cases the robustness of the method, in terms of accuracy of load-displacements diagrams, of the distribution of stress and strain and of the representation of the cracking pattern and of the shear failure mechanisms. Different variations of the most important parameters have been performed, pointing out the strong incidence on the solutions of the fracture energy and of the chosen shear retention model. At last a confrontation between SLA and the non linear Newton-Raphson method has been executed, showing the better reliability of the SLA in the evaluation of the ultimate loads and displacements, together with a significant reduction of computational times.