Sviluppo di un codice per il calcolo delle frequenze naturali di cavità acustiche e strutture per applicazioni aeronautiche

Lo scopo di questo lavoro è lo sviluppo, mediante il linguaggio di programmazione Python, di un applicativo per il calcolo e la visualizzazione di frequenze naturali per strutture e cavità. L’applicativo consiste di un’interfaccia grafica e di una libreria nella quale si trovano le diverse tipologie di strutture e cavità presenti in letteratura. I vari sistemi possono essere vincolati da diverse condizioni al contorno e sono inoltre costituiti da materiali isotropi, nel caso di strutture, e fluidi, nel caso di cavità. La prima parte del lavoro comprende la codifica delle soluzioni analitiche per l’analisi modale. La seconda fase è, invece, incentrata sulla validazione del codice, utilizzando un software commerciale per la comparazione di frequenze naturali e forme dei modi.

Semplificazione della geometria per l'analisi modale FEM di un carter motociclistico

Creazione di un modello semplificato per l’analisi modale FEM di un carter motociclistico. La scelta degli elementi da considerare nel modello è stata fatta in funzione della loro importanza in termini di variazione di massa del basamento completo, elemento fondamentale che ha influenzato anche la scelta delle semplificazioni da apportare ai vari elementi.

Progetto preliminare e prove di vibrazione di un Cubesat

Il presente lavoro di tesi si pone l’obiettivo di studiare come un Cubesat 1U reagisce se sollecitato con vibrazioni di una certa banda di frequenze, corrispondenti a quelle generate durante il lancio del vettore VEGA, e cercare di sviluppare un modello virtuale che in futuro permetta di simulare in maniera più realistica il comportamento delle successive strutture che saranno progettate. Il campo dei nanosatelliti è in rapida espansione negli ultimi anni, bassi costi di produzione e lancio abbinati a tempi rapidi di sviluppo e progettazione li rendono un ottimo strumento per aziende di piccole dimensioni e università per aquisire esperienza nel campo delle tecnologie spaziali e permettere la formazione degli studenti. Grazie a questi fattori il corso di Ingegneria Aerospaziale di Forlì ha intrapreso la progettazione di un Cubesat che una volta ultimato potrà essere lanciato in orbita grazie al contributo dell’ESA, che si presta a fornire lanci gratuiti alle università europee. Questo progetto porta avanti il lavoro compiuto durante la fase di tirocinio in cui abbiamo cercato di progettare una struttura semplice e realizzabile completamente nei laboratori dell’università, che permettesse anche successivamente a studenti e dottorandi di cimentarsi nello studio e nella progettazione di un nanosatellite. Il mio compito in particolare consiste nell’esecuzione di una serie di prove sperimentali con uno shaker presente nei laboratori della Scuola e, raccogliendo, analizzando e interpretando la risposta della struttura, si cercherà di modificare il modello CAD realizzato finora (lavoro compiuto in un'altra tesi di laurea) in modo che rispecchi più fedelmente il comportamento di quello reale e fornire quindi una base ai futuri lavori in questo ambito. La struttura, ispirata a quelle già presenti sul mercato, è stata progettata utilizzando Solidworks un software CAD, successivamente è stata fatta un analisi tramite un altro software FEM, realizzato e poi testato mediante uno shaker presso i laboratori del corso di studi in ingegneria aerospaziale di Forlì. Per poter fare ciò si è anche realizzata quella che è stata usata come interfaccia per connettere il Cubesat allo shaker, infatti data la sua proprietà di esercitare spostamenti solo lungo l’asse verticale si è reso necessario trovare un modo per sollecitare il nanosatellite lungo tutti e tre gli assi per poter evidenziare i modi flessionali della struttura. I dati ottenuti riguardano le accelerazioni rilevate in vari punti del Cubesat e del supporto da parte di accelerometri piezometrici che sono stati analizzati per risalire al tipo di comportamento con cui ha risposto la struttura a vibrazioni di varia frequenza e intensità.

Modellazioni FEM dinamiche per analisi di avarie dovute a vibrazioni su componenti di motociclo

Il lavoro svolto, in collaborazione con “Ducati Motor Holding”, si propone l’analisi, mediante l’applicazione di un software FEM (HyperWorks 9.0), delle strutture rappresentate dall’assieme paracoppa-parasassi e dal silenziatore. Il primo obiettivo consiste nell’ottenimento di un modello agli elementi finiti della struttura. Le simulazioni di calcolo consistono in analisi di tipo dinamico per determinare i modi di vibrare delle strutture. Sulla base di ulteriori simulazioni sulla risposta al transitorio del sistema si è studiato il loro comportamento nelle condizioni di funzionamento. La finalità del lavoro risiede dunque nella determinazione delle criticità strutturali che i componenti hanno manifestato durante prove sperimentali verificandole attraverso calcolo numerico e applicazione delle potenzialità del software applicato, per l’analisi degli aspetti sopra esposti.

Analisi statica equivalente per strutture dotate di smorzatori viscosi

L’installazione di smorzatori viscosi sulle strutture permette di dissipare l’energia che il sisma trasmette, senza provocare danni o rotture degli elementi strutturali principali. Questi dispositivi sono stati l'oggetto di numerosi lavori di ricerca dal 1980 fino ad oggi e l'efficacia nel mitigare gli effetti dell’azione sismica su strutture edilizie è stata ampiamente dimostrata. La maggior parte delle teorie scientifiche per la progettazione e l'ottimizzazione degli smorzatori si basano sofisticati algoritmi, portando talvolta a complessi procedure. L'applicazione di tali algoritmi richiede spesso competenze computazionali e di tempo eccessive. Il fine della tesi è quello di proporre un metodo pratico, cioè diretto e immediato per aiutare gli ingegneri per effettuare analisi sismiche su strutture intelaiate dotate di smorzatori viscosi e di dimensionare tali dispositivi. Tale metodo è stato l’oggetto del lavoro di ricerca scientifica trattato nell’articolo: “Equivalent Static Analyses of framed structures with added viscous dampers” di Palermo et al., 2015. Si riesce così ad estendere così il concetto di analisi statica equivalente anche per strutture dotate di smorzatori viscosi, definendo in maniera intuitiva sia le configurazioni di idealizzazione della strutture durante il sisma sia l’ idealizzazione dell’effetto del sisma sulla struttura. In questi anni di lavoro di ricerca, sono stati proposti vari metodi per il dimensionamento degli smorzatori viscosi. Tra questi, il prof. Ing. Silvestri (Silvestri et al., 2010) ha proposto un approccio progettuale diretto, chiamato "five step procedure” che mira a guidare l'ingegnere professionista, dalla scelta del target di prestazioni alle identificazioni della caratteristiche meccaniche di smorzatori viscosi trovabili in commercio. La procedura originale (Silvestri et al., 2010, Silvestri et al., 2011, Palermo et al., 2013), anche se per lo più basata su espressioni analitiche, richiede ancora lo sviluppo di analisi numeriche Time-History di modelli FEM, al fine di valutare le forze massime negli smorzatori aggiunti. Verrà spiegato e proposto un metodo semplificato (“Direct five step procedure for the dimensioning of added viscous dampers” Palermo et al., 2015) che consente ottenere direttamente, tramite una semplice formula, le forze massime degli smorzatori (spesso un parametro chiave della valutazione del costo degli smorzatori), senza eseguire simulazioni numeriche. Infine, si è applicato il metodo semplificato proposto di analisi statica equivalente per strutture equipaggiate di smorzatori viscosi ad un edificio reale.

Strumenti per la valutazione dello stato conservativo e per la manutenzione programmata dei ponti della Provincia di Bologna

La tesi tratta di strumenti finalizzati alla valutazione dello stato conservativo e di supporto all'attività di manutenzione dei ponti, dai più generali Bridge Management Systems ai Sistemi di Valutazione Numerica della Condizione strutturale. Viene proposto uno strumento originale con cui classificare i ponti attraverso un Indice di Valutazione Complessiva e grazie ad esso stabilire le priorità d'intervento. Si tara lo strumento sul caso pratico di alcuni ponti della Provincia di Bologna. Su un ponte in particolare viene realizzato un approfondimento specifico sulla determinazione approssimata dei periodi propri delle strutture da ponte. Si effettua un confronto dei risultati di alcune modellazioni semplificate in riferimento a modellazioni dettagliate e risultati sperimentali.

Modellazione numerica del comportamento di una struttura in muratura

In questi ultimi anni il tema della sicurezza sismica degli edifici storici in muratura ha assunto particolare rilievo in quanto a partire soprattutto dall’ordinanza 3274 del 2003, emanata in seguito al sisma che colpì il Molise nel 2002, la normativa ha imposto un monitoraggio ed una classificazione degli edifici storici sotto tutela per quanto riguarda la vulnerabilità sismica (nel 2008, quest’anno, scade il termine per attuare quest’opera di classificazione). Si è posto per questo in modo più urgente il problema dello studio del comportamento degli edifici storici (non solo quelli che costituiscono monumento, ma anche e soprattutto quelli minori) e della loro sicurezza. Le Linee Guida di applicazione dell’Ordinanza 3274 nascono con l’intento di fornire strumenti e metodologie semplici ed efficaci per affrontare questo studio nei tempi previsti. Il problema si pone in modo particolare per le chiese, presenti in grande quantità sul territorio italiano e di cui costituiscono gran parte del patrimonio culturale; questi edifici, composti di solito da grandi elementi murari, non presentano comportamento scatolare, mancando orizzontamenti, elementi di collegamento efficace e muri di spina interni e sono particolarmente vulnerabili ad azioni sismiche; presentano inoltre un comportamento strutturale a sollecitazioni orizzontali che non può essere colto con un approccio globale basato, ad esempio, su un’analisi modale lineare: non ci sono modi di vibrare che coinvolgano una sufficiente parte di massa della struttura; si hanno valori dei coefficienti di partecipazione dei varii modi di vibrare minori del 10% (in generale molto più bassi). Per questo motivo l’esperienza e l’osservazione di casi reali suggeriscono un approccio di studio degli edifici storici sacri in muratura attraverso l’analisi della sicurezza sismica dei cosiddetti “macroelementi” in cui si può suddividere un edificio murario, i quali sono elementi che presentano un comportamento strutturale autonomo. Questo lavoro si inserisce in uno studio più ampio iniziato con una tesi di laurea dal titolo “Analisi Limite di Strutture in Muratura. Teoria e Applicazione all'Arco Trionfale” (M. Temprati), che ha studiato il comportamento dell’arco trionfale della chiesa collegiata di Santa Maria del Borgo a San Nicandro Garganico (FG). Suddividere un edificio in muratura in più elementi è il metodo proposto nelle Linee Guida, di cui si parla nel primo capitolo del presente lavoro: la vulnerabilità delle strutture può essere studiata tramite il moltiplicatore di collasso quale parametro in grado di esprimere il livello di sicurezza sismica. Nel secondo capitolo si illustra il calcolo degli indici di vulnerabilità e delle accelerazioni di danno per la chiesa di Santa Maria del Borgo, attraverso la compilazione delle schede dette “di II livello”, secondo quanto indicato nelle Linee Guida. Nel terzo capitolo viene riportato il calcolo del moltiplicatore di collasso a ribaltamento della facciata della chiesa. Su questo elemento si è incentrata l’attenzione nel presente lavoro. A causa della complessità dello schema strutturale della facciata connessa ad altri elementi dell’edificio, si è fatto uso del codice di calcolo agli elementi finiti ABAQUS. Della modellazione del materiale e del settaggio dei parametri del software si è discusso nel quarto capitolo. Nel quinto capitolo si illustra l’analisi condotta tramite ABAQUS sullo stesso schema della facciata utilizzato per il calcolo manuale nel capitolo tre: l’utilizzo combinato dell’analisi cinematica e del metodo agli elementi finiti permette per esempi semplici di convalidare i risultati ottenibili con un’analisi non-lineare agli elementi finiti e di estenderne la validità a schemi più completi e più complessi. Nel sesto capitolo infatti si riportano i risultati delle analisi condotte con ABAQUS su schemi strutturali in cui si considerano anche gli elementi connessi alla facciata. Si riesce in questo modo ad individuare con chiarezza il meccanismo di collasso di più facile attivazione per la facciata e a trarre importanti informazioni sul comportamento strutturale delle varie parti, anche in vista di un intervento di ristrutturazione e miglioramento sismico.

Individuazione del danno su ponti in muratura mediante misure dinamiche

La diagnostica strutturale è un campo in continuo sviluppo e attualmente sono numerosi gli studi tendenti alla definizione di tecniche e metodi in grado di fornire parametri che possano identificare, in modo sempre più accurato, lo stato di sicurezza di una struttura. Stato di sicurezza è un termine globale che si riferisce alla capacità portante di una struttura e alla sua resistenza alle sollecitazioni esterne, siano esse statiche o dinamiche. Per tanto, un qualsiasi danneggiamento strutturale potrebbe in varia misura influenzare tale stato. Per quanto riguarda i ponti stradali, negli ultimi anni l’attenzione è stata focalizzata allo studio di metodi di individuazione del danno a partire dai risultati ottenuti dal monitoraggio delle vibrazioni mediante accelerometri. Questo è stato possibile grazie agli avanzamenti raggiunti nell’identificazione modale e nei sensori per il monitoraggio strutturale. Questo lavoro si pone come obiettivo quello di proporre una nuova metodologia di analisi dei dati ottenuti da indagini sperimentali che possono essere svolte in sito. La definizione di tale metodologia è affidata a simulazioni numeriche volte a rappresentare stati di danneggiamento avanzati su elementi strutturali. In una prima fase verranno analizzati elementi semplificati rappresentativi di strutture esistenti, come ad esempio travi da ponte in calcestruzzo armato. In una seconda fase, il metodo verrà testato su modelli più complessi che tengano conto della tridimensionalità del problema, oltre alle variazioni sezionali e di materiali degli elementi che lo compongono.

Ricostruzione degli sforzi in elementi finiti di piastra

Nell’ambito dell’analisi computazionale delle strutture il metodo degli elementi finiti è probabilmente uno dei metodi numerici più efficaci ed impiegati. La semplicità dell’idea di base del metodo e la relativa facilità con cui può essere implementato in codici di calcolo hanno reso possibile l’applicazione di questa tecnica computazionale in diversi settori, non solo dell’ingegneria strutturale, ma in generale della matematica applicata. Ma, nonostante il livello raggiunto dalle tecnologie ad elementi finiti sia già abbastanza elevato, per alcune applicazioni tipiche dell’ingegneria strutturale (problemi bidimensionali, analisi di lastre inflesse) le prestazioni fornite dagli elementi usualmente utilizzati, ovvero gli elementi di tipo compatibile, sono in effetti poco soddisfacenti. Vengono in aiuto perciò gli elementi finiti basati su formulazioni miste che da un lato presentano una più complessa formulazione, ma dall’altro consentono di prevenire alcuni problemi ricorrenti quali per esempio il fenomeno dello shear locking. Indipendentemente dai tipi di elementi finiti utilizzati, le quantità di interesse nell’ambito dell’ingegneria non sono gli spostamenti ma gli sforzi o più in generale le quantità derivate dagli spostamenti. Mentre i primi sono molto accurati, i secondi risultano discontinui e di qualità scadente. A valle di un calcolo FEM, negli ultimi anni, hanno preso piede procedure di post-processing in grado, partendo dalla soluzione agli elementi finiti, di ricostruire lo sforzo all’interno di patch di elementi rendendo quest’ultimo più accurato. Tali procedure prendono il nome di Procedure di Ricostruzione (Recovery Based Approaches). Le procedure di ricostruzione qui utilizzate risultano essere la REP (Recovery by Equilibrium in Patches) e la RCP (Recovery by Compatibility in Patches). L’obbiettivo che ci si prefigge in questo lavoro è quello di applicare le procedure di ricostruzione ad un esempio di piastra, discretizzato con vari tipi di elementi finiti, mettendone in luce i vantaggi in termini di migliore accurattezza e di maggiore convergenza.

Isolamento alla base di un edificio residenziale

L’isolamento alla base è una tecnica grazie alla quale una struttura è protetta dagli effetti di danneggiamento dei terremoti grazie all’istallazione alla base della struttura di elementi flessibili che aumentano il periodo fondamentale della struttura fino ad un valore sufficientemente lontano dal periodo dominante del sisma atteso, oppure grazie ad elementi scorrevoli che entrano in funzione quando i carichi laterali superano un livello predefinito. In questo modo, le deformazioni indotte da un sisma si ritroveranno principalmente al livello di questi elementi flessibili o scorrevoli e la struttura si muoverà essenzialmente come un corpo rigido.