Dipartimento di Ingegneria Civile - Tesi di Dottorato
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Questa collezione raccoglie le Tesi di Dottorato Dipartimento di Ingegneria Civile dell'Università della Calabria.
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Item Modelling of edge debonding in beams strengthened with composite meterials(2016-01-28) Lo Feudo, Stefania; Bruno, Domenico; Olivito, Renato Sante; Greco, Fabrizio; Blasi, Paolo NevoneL'oggetto principale della presente tesi di dottorato, è costituito dallo studio dei fenomeni di scollamento d'interfaccia in sistemi di rinforzo composti da elementi strutturali rinforzati da piastre in materiale composito brorinforzato (FRP). L'argomento è inizialmente introdotto in termini generali attraverso un'attenta ricerca bibliogra ca, concentrata sulla de nizione delle principali proprietà dei materiali compositi e sulla loro modellazione. Un'innovativa formulazione multistrato è poi presentata e adattata al caso oggetto di studio, e un criterio di frattura accoppiato è esteso al caso di delaminazione in presenza di condizioni di carico di modo misto. Il sistema strutturale considerato è quindi costituito da tre componenti sici, ossia la trave, lo strato di adesivo e la piastra incollata esternamente, ciascuno dei quali è modellato attraverso uno o più strati deformabili a taglio. Il problema è considerato in primo luogo da un punto di vista analitico, attraverso la formulazione delle equazioni governanti il problema nel caso in cui ad ogni componente sico corrisponde un solo strato matematico. La formulazione multistrato è poi implementata numericamente, utilizzando degli elementi niti (FE) multivariabili monodimensionali. In particolare, per modellare le interfacce tra gli strati sici e matematici sono considerate sia delle equazioni costitutive di interfaccia forte che debole. Le tensioni interfacciali e le energie di frattura sono quindi calcolate, ottenendo un'accettabile corrispondenza con i risultati di un modello continuo FE e riducendo di molto gli oneri computazionali. L'innesco dello scollamento è poi valutato grazie all'innovativo criterio di frattura di modo misto, il quale permette di prendere in considerazione sia le tensioni interfacciali che l'energia di frattura, consentendo allo stesso tempo di studiare di erenti posizioni dello scollamento lungo lo spessore dell'adesivo. La propagazione del danno è quindi studiata utilizzando un criterio classico di frattura in modo misto. Uno studio parametrico, condotto al variare dei parametri critici dell'interfaccia quali la tenacità e la resistenza, ha in ne permesso di valutare l'in uenza di tali proprietà sul fenomeno dello scollamento. Gli studi condotti hanno evidenziato che la tecnica di modellazione proposta permette sia di modellare tali sistemi di rinforzo, sia di predire lo scollamento d'estremità. Inoltre, nonostante emerga che l'accuratezza della soluzione può essere migliorata aumentando il numero di strati matematici e adottando delle interfacce miste forti/deboli, è possibile concludere che l'utilizzo di pochi strati nella modellazione di ogni componente sico permette di predire lo scollamento con ragionevole precisioneItem Sustainable fabric-reiforced cementitious composites for the strengthening of masonry elements(2014-11-30) Cevallos Velàsquez, Oscar Alfredo; Olivito, Renato S.Item Advanced structural analyses of cable supported bridges(2014-11-26) Pascuzzo, Arturo; Renato Sante Olivito, Renato Sante; Lonetti, PaoloI ponti di grande luce sono strutture complesse che presentano un utilizzo ottimale dei materiali strutturali, caratteristiche estetiche e costruttive efficienti e bassi costi di manutenzione. A causa delle loro grandi dimensioni e delle diverse caratteristiche degli elementi strutturali, che sono essenzialmente la trave di irrigidimento, i piloni e il sistema dei cavi, i ponti di grande luce presentano diversi problemi che devono essere analizzati. Uno riguarda la definizione della configurazione iniziale della struttura. I ponti di grande luce, infatti, specialmente per lunghezze elevate, presentano un gran numero di cavi, che determinano strutture altamente iperstatiche. Come risultato, le forze di pretensione e le dimensioni delle sezioni trasversali dei cavi possono essere considerati come variabili di progetto che devono essere determinati. Un altro riguarda la valutazione della vulnerabilità strutturale nei riguardi di condizioni di carico estreme come il transito di carichi mobili o gli effetti prodotti da meccanismi di danneggiamento del sistema dei cavi, come la corrosione, che riducono fortemente l'integrità strutturale. Tali fenomeni producono significativi effetti di amplificazione dinamica in termini variabili tensionali e di spostamento. Tuttavia, gli effetti prodotti dall'azione dei carichi mobili o da meccanismi di danno non sono indipendenti. L’effetto della corrosione rende la struttura più sensibile all'azione di carichi mobili. D'altra parte, le vibrazioni indotte dal transito dei veicoli possono causare il deterioramento dei cavi per fatica o abrasione. Per queste ragioni, i problemi dei carichi mobili e dei meccanismi di danno dovrebbero essere studiati congiuntamente. L'ultimo è relativo agli effetti delle nonlinearità geometriche e dei materiali sul comportamento strutturale dei ponti. Le nonlinearità geometriche e dei materiali, infatti, influenzano la risposta dei ponti di grande luce e, di conseguenza, anche la massima capacità portante. Le nonlinearità dei materiali derivano dal legame sforzo-deformazione dei materiali, mentre le nonlinearità geometriche sono dovute all’effetto “sag” dei cavi, ai grandi spostamenti e ai fenomeni di interazione sforzo assiale-momento flettente che insorgono nella trave di irrigidimento e nei piloni (effetto beam-column). Obiettivo della presente tesi di dottorato è quello di sviluppare modelli strutturali avanzati per l’analisi delle problematiche dei ponti di grande luce precedentemente descritte. A tal fine, è si è fatto ricorso alla metodologia degli elementi finiti per riprodurre il comportamento strutturale dei principali ponti di grande luce. In particolare, è stata adottata una formulazione di tipo nonlineare geometrico, che ben si presta a riprodurre gli effetti delle vibrazioni locali dei cavi e i grandi spostamenti a cui sono soggetti la trave d’irrigidimento e i piloni. Per quanto riguarda la definizione della configurazione geometrica iniziale, viene elaborata una metodologia di progettazione per l’ottimizzazione delle forze di pretensione e per il dimensionamento delle sezioni trasversali dei cavi. La metodologia è data dalla combinazione del modello strutturale agli elementi finiti descritto in precedenza con una procedura di ottimizzazione iterativa. Tale procedura iterativa è utilizzata per ottimizzare la distribuzione delle forze di pretensione e le dimensioni delle sezioni trasversali al fine di minimizzare la quantità di acciaio e massimizzare le performance strutturali sotto l’azione di carichi di natura accidentale. In tale ambito, sono stati elaborati dei risultati per validare la metodologia proposta per mezzo di confronti con formulazioni presenti in letteratura. Inoltre, sono stati sviluppati risultati parametrici con riferimento a ponti di conformazione più complessa per verificare le regole di dimensionamento e per confrontare i ponti a configurazione mista sospesa strallata con le convenzionali configurazioni sospese e strallate. Inoltre, dettagliati risultati sono proposti con riferimento al caso dei ponti misti auto-ancorati sospesi strallati. Al fine di analizzare il comportamento strutturale di ponti di grande luce in presenza di meccanismi di danneggiamento del sistema dei cavi, sotto l’azione di carichi viaggianti, al modello agli elementi finiti sono aggiunte ulteriori formulazioni. In particolare, sono presi in considerazione gli effetti di accoppiamento flesso-torsionale della struttura da ponte e quelli associati ai contributi di carico e di massa derivanti dal sistema mobile. Inoltre, gli effetti di fenomeni di danneggiamento di elementi del sistema dei cavi, prodotti da preesistenti fenomeni di corrosione o rotture improvvise, vengono analizzati per mezzo di leggi esplicite in funzione del tempo, sviluppate nell’ambito della teoria della meccanica del danneggiamento. Inizialmente, le analisi hanno focalizzato l'attenzione sul comportamento dinamico di ponti strallati in presenza di rottura improvvisa di elementi costituenti il sistema dei cavi. In tale contesto sono proposti dei risultati ricavati da analisi sensitive delle variabili dei ponti di grande luce. In particolare, l’influenza dalle caratteristiche dei carichi mobili, delle tipologia dei piloni e dello scenario di danneggiamento sono studiati per mezzo di confronti tra configurazioni del ponte danneggiate e non danneggiate. Successivamente, viene analizzato il comportamento dei ponti misti strallati sospesi. E’ sviluppato uno studio parametrico sulla base di quattro scenari di danneggiamento che prevedono il danneggiamento degli stralli, dei pendini e del cavo principale. In particolare, al fine di evidenziare i vantaggi presentati dalla configurazione mista, vengono proposi dei risultati sotto forma di confronto con sistemi puri strallati e sospesi. I risultati sono espressi in termini di fattori di amplificazione dinamica delle tipiche variabili cinematiche e tensionali di progetto. Il problema della influenza sulla capacità massima di carico delle nonlinearità geometriche e del materiale è presentato con riferimento allo schema di sospensione strallato-sospeso auto-ancorato. Il comportamento non lineare del materiale della trave di irrigidimento e dei piloni è rappresentato da una raffinata formulazione agli elementi finiti che combina la teoria alla base del modulo tangente con un modello di cerniera plastica, mentre per i cavi viene adottata la teoria della plasticità per deformazioni finite. Nel quadro della non linearità geometrica, dal momento che il modello strutturale di base agli elementi finiti riproduce i grandi spostamenti e l’effetto "sag" dei cavi, che viene riprodotto per mezzo di un approccio multi truss element, sono agiunti ulteriori contributi per riprodurre l’effetto di interazione sforzo normalemomento flettente presente nelle pile e nella trave di irrigidimento. L'analisi si basa su un’analisi nonlineare al passo. Poiché il comportamento strutturale del ponte è fortemente influenzato dalle distribuzioni delle forze di pretensione del sistema dei cavi, come primo step viene determinata la configurazione geometrica iniziale del ponte sotto l'azione di carichi permanenti. I risultati sono finalizzati ad analizzare l'influenza sulla massima capacità di carico del comportamento nonlineare del materiale nonché dei parametri geometrici e strutturali.Item Uno studio sul comportamento statico non-lineare dei ponti di grande luce(2012-11-29) Bianchi, Elisabetta; Olivito, Renato S.; Bruno, Domenico; Blasi, Paolo NevoneItem Comportamento a taglio di elementi murari rinforzati con compositi FRCM in fibre naturali(2011) Venneri, Assunta; Olivito, Renato S.Nel presente lavoro, svolto nell’ambito del dottorato di ricerca, si è affrontato l’argomento della progettazione strutturale sostenibile attraverso lo studio di un sistema di rinforzo costituito da materiali a basso impatto ambientale. È stata analizzata, in particolare, la possibilità di sviluppo di un nuovo composito a matrice cementizia da impiegare nel campo della riabilitazione strutturale e dell’adeguamento sismico come rinforzo esterno di elementi in muratura. La fase fibrosa è rappresentata anch’essa da materiali non convenzionali ed eco-sostenibili, composti da fibre naturali di canapa e di lino nella forma di nastri e tessuti uni e bi-direzionali. Riguardo l’uso dei sistemi FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix), costituiti da leganti inorganici idraulici in sostituzione delle resine epossidiche dei più tradizionali FRP (Fiber Reinforced Polymer), numerosi sono ormai gli studi sperimentali presenti nella letteratura scientifica che li vedono accoppiati a fibre di natura sintetica (vetro, carbonio, PBO, etc.). Tali indagini hanno dimostrato buone caratteristiche di adesione alla muratura, buona resistenza alle alte temperature e, con un’opportuna scelta della fase di rinforzo, buone caratteristiche meccaniche. Meno apprezzabile è risultata invece la compatibilità con le fibre. Prove sperimentali di delaminazione eseguite su murature e/o su elementi resistenti in laterizio/pietra rinforzati, hanno evidenziato, infatti, la frequenza di una modalità di crisi per perdita di aderenza tra la matrice e l’elemento di rinforzo. Il problema dello “scollamento” delle fibre dall’adesivo (debonding) è alla stregua del fenomeno del distacco del materiale composito dalla parte superficiale del supporto murario (peeling, tipico dei sistemi con FRP), poiché entrambe le tipologie di rottura si manifestano all’interfaccia tra gli strati impedendo al materiale di rinforzo di lavorare al massimo delle proprie prestazioni a trazione. Nell’ambito delineato, la scelta di impiegare fibre lunghe naturali (NF) in sostituzione delle fibre artificiali sintetiche comunemente impiegate nel campo dei rinforzi strutturali con compositi rappresenta un’innovazione assoluta. Si tratta di materiali con modeste caratteristiche meccaniche ed elastiche ma del tutto paragonabili alle fibre di vetro di medie prestazioni. L’attività sperimentale condotta per il presente studio ha avuto lo scopo di indagare preliminarmente la compatibilità di tali fibre con una matrice cementizia specifica per sistemi di consolidamento esterno e, successivamente, di valutare l’efficacia del materiale composito ottenuto (NFRCM) quando applicato a elementi in muratura di mattoni pieni sottoposti ad azioni di taglio nel piano. Più specificamente, dopo una prima fase di caratterizzazione a trazione dei nastri, affiancata a una campagna di prove di tipo pull-out su elementi in laterizio fibrorinforzati, si è proceduto a una serie di prove di compressione diagonale su campioni di muratura privi di rinforzo e su campioni rinforzati, consentendo di rilevare l’efficacia del rinforzo in termini di capacità resistente e rigidezza al taglio. Le strisce di materiale composito sono state applicate su ambo le superfici regolarizzate dei pannelli murari secondo le disposizioni geometriche in diagonale e a reticolo a maglie quadrate. Le prove di aderenza e quelle di taglio nel piano sono state ripetute utilizzando un tessuto in fibre di vetro immerso nella stessa matrice in cui sono state impregnate le fibre naturali, allo scopo di eseguire un confronto con i materiali di rinforzo comunemente impiegati nei sistemi FRCM. Alla campagna sperimentale, infine, è stata accostata un’analisi numerica atta a fornire dei modelli capaci di descrivere il comportamento sperimentale esibito dai provini murari durante le prove di laboratorio. In particolare, i pannelli sono stati discretizzati all’interno del codice di calcolo LMGC90 e le strisce di composito modellate tenendo conto solo della modalità di rottura a trazione delle fibre nell’ipotesi di perfetta aderenza al supporto murario. Il codice risulta essere particolarmente adatto alla modellazione della muratura, basandosi su un metodo agli elementi distinti (DEM) che adotta un algoritmo di risoluzione completamente implicito (Non Smooth Dynamic Contact method). In particolare, esso è utilizzato per modellare il comportamento globale di sistemi discreti considerando il comportamento dinamico proprio di ogni componente in interazione con gli altri elementi. Le analisi numeriche risultano in buon accordo con le risultanze sperimentali, mostrando la validità di questo primo approccio di modellazione numerica per la muratura rinforzata. Parole chiave: Muratura, Rinforzo, FRCM, Fibre naturali, Compressione diagonale,ModellazioneItem Studio sperimentale del comportamento viscoso di barre di GFRP(2011) Salatino, Giulia; Olivito, Renato S,Item Problemi di delaminazione in ambito dinamico nei laminati multistrato in materiale composito(2011-11-29) Manna, Alessandro; Olivito, Renato Sante; Lonetti, PaoloItem Mechanical performanceof naturalfiber-reinforced composites for the strengthening of ancient masonry(2013-11-25) Codispoti, Rosamaria; Oliveira, Daniel V.; Olivito, Renato S.Item Numerical tools for moisture-stress and fracture analysis of timber structures(2010) Mendicino, Antonio Lorenzo; Aristodemo, Maurizio; Bilotta, Antonio; Fortino, StefaniaLa tesi presenta alcuni strumenti numerici per la valutazione delle tensioni provocate dall’umidit`a nelle strutture in legno e per la modellazione dei fenomeni di frattura nelle strutture in legno lamellare incollato. Il lavoro `e stato svolto in collegamento con lo European WoodWisdom-Net project Improved Moisture e il Cost Action E55 project. A tal proposito si ringraziano gli staff di tali programmi di ricerca. Sono state condotte analisi tensioni-umidit`a basate su un modello 3D ortotropoviscoelastico- mechanosorptive per il legno e su un modello multi-Fickian per la diffusione dell’umidit`a. Il modello complessivo `e stato implementato nel codice FEM Abaqus: in particolare il modello costitutivo del materiale solido, il flusso esterno di umidit`a e il sorption per unit`a di tempo sono stati implementati tramite l’intefaccia Abaqus delle user subroutine. I risultati in termini di umidit`a e tensioni sono stati confrontati con dati sperimentali disponibili in letteratura. I valori numerici ottenuti risultano essere sufficientemente in accordo con i dati sperimentali. Perci`o il modello potrebbe essere ulteriormente sviluppato ed esteso ai casi pi`u generali dei collegamenti per le strutture in legno in condizioni reali di umidit`a. Per i casi pi`u generali, l’uso dell’analisi multi-Fickian analysis richiederebbe l’implementazione di un modello di isteresi, suggerito in letteratura come adatto a descrivere condizioni climatiche naturali. Il metodo di analisi tensioni-umidit`a potrebbe essere inoltre ulteriormente sviluppato per l’analisi di strutture in legno soggette a frattura. Tali argomenti risultano molto importanti allo stato attuale, poich´e, in condizioni di servizio, le tensioni provocate dall’umidit`a, provocando la propagazione delle fratture, possono influenzare la durabilit`a delle strutture in legno. Nel lavoro di tesi, la simulazione della crescita delle fratture in condizioni di carico short-term `e stata fatta utilizzando una legge di danno esponenziale e gli elementi coesivi del codice FEM Abaqus. I valori ottimali dei parametri della legge di danno sono stati determinati attraverso uno studio parametrico condotto lanciando un certo numero di analisi non lineari con carichi monotoni. L’approccio computazionale proposto `e stato validato analizzando provini in legno lamellare incollato soggetti al modo I di frattura e le curve numeriche carico-spostamento sono state confrontate con dati sperimentali ottenuti nell’ambito del progetto Improved Moisture. Per i test di frattura long-term in condizioni di carichi fissi e contenuto d’acqua costante, un criterio di frattura basato su di un parametro integrale viscoelastico `e stato inoltre introdotto. L’approccio computazionale potrebbe essere esteso a casi di propagazione della frattura in presenza di umidit`a variabile.Item Impiego strutturale dei calcestruzzi fibro rinforzati modellazioni teoriche e verifiche sperimentali(2014-06-04) Rizzuti, Lidia; Spadea, Giuseppe; Bencardino, Francesco; Bruno, DomenicoRecently researches, in the field of civil engineering, have been addressed to study high performance concrete materials. In particular Fiber Reinforced Concrete (FRC) materials are very promising. With the addition of fibers into the concrete matrix, a brittle material like concrete can be modified towards a composite material with some ductility properties, able to absorb notable impact energy due to the dynamic or cyclic actions, like the seismic action, in the “during and post” cracking stage. Although, several studies were developed further research is needed to investigate some topics. The present work deals with the study of FRC materials used for structural applications with reference to the material and structural behaviour. Initially, the compressive and the tensile behaviour of the FRC material were analyzed by experimental, theoretical and numerical approaches. Specifically, an experimental investigation and a numerical analysis were carried out with the aim to identify the parameters like fiber types and contents, that are able to improve the performance of FRC material with reference to the structural behaviour. The implications on the use of fibers added into the concrete matrix on the workability at the fresh state and on the toughness at the hardened state were also considered. The aim of the experimental investigation was to analyze and compare the mechanical and the fracture properties of FRC materials by varying some main parameters like matrix compressive strength, fiber types (steel/polypropylene), fiber volume content (Vf) and the length of steel fibers (Lf). Through the numerical analysis it was possible to investigate the influence of high steel fiber content on the tensile post-peak behaviour. The numerical results obtained were compared with the experimental ones and the reliability of the numerical procedure was checked. A comparative study was carried out between experimental and theoretical stress-strain relationships available in literature, with particular reference to compressive behaviour of FRC. The aim was to evaluate the reliability of the proposed models and their range of validity. Several experimental data available in literature were analyzed and collected in a database. The above database was integrated with further experimental results obtained in the Laboratory of the Department of Structural Engineering at the University of Calabria. At the same time, the analytical uniaxial stress-strain relationship available in literature were analyzed and collected. Each theoretical model was critically analyzed and the reliability was checked through a comparison with the experimental curves of the same author and other available in literature. Subsequently, the structural behaviour was studied. With reference to the behaviour of eccentrically loaded FRC columns interaction diagrams axial load (N) – bending moment (M) of the cross section were computed to highlight the role of some main parameters on the strength. The theoretical models proposed in the Italian guideline CNR-DT 204 (2006) and other models available in literature were used in the analysis. The reliability of the theoretical models to describe the real behaviour of fiber reinforced concrete elements was checked through a comparison with some experimental data on steel fiber reinforced concrete columns subjected to eccentric loads available in literature. With reference to a rectangular FRC cross section, symmetrically reinforced, interactions diagrams, using the relationships proposed in the CNR-DT 204 (2006), were computed by varying some parameters like fiber geometrical properties and contents. The aim was to provide interaction diagrams which can be useful to design/check the strength of the concrete members reinforced with fibers and traditional steel reinforcement. Keywords: Experimental investigation; Fiber reinforced concrete; Post-peak behaviour; Eccentric loads; Stress-strain relationships.