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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Subject: search.filters.subject.Materiali compositi

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    Analisi del comportamento non-lineare dei materiali compositi con microstruttura periodica
    (2009) Sgambittera, Girolamo; Olivito, Renato Sante; Bruno, Domenico; Greco, Fabrizio
    In the present thesis the macroscopic non-linear behavior of composite materials with a periodic and heterogeneous microstructure is studied. There are many different kinds of phenomena that produce non-linear effects in composite materials, for example intralaminar damage, delamination and microbucking in fiber reinforced composite or micro-cracking in cellular materials. In this work attention is devoted to the mechanical modeling of nonlinear phenomena associated to the presence of micro-cracks in the context of linear elasticity and of microscopic instabilities in the framework of the finite strain theory. Applications have been developed with reference to microstructures of cellular type and with embedded inclusions. The thesis is structured according to the following chapters: -In the first chapter the fundamental concepts of the finite strains theory are recalled. The constitutive relations associated to a class of conjugate stress-strain pairs are introduced. The basic expressions of the incremental constitutive laws are shown with special reference to incrementally linear constitutive laws. Finally the stability and the uniqueness of the equilibrium solution are analyzed. -In the second chapter, after an introduction about the homogenization techniques, the micro and macro stability phenomena occurring in composite materials with a periodic microstructure are studied from a theoretical point of view in the context of the finite strains theory. The formulation starts from a variational formulation of the problem. Novel macroscopic measures of micro-structural stability are introduced corresponding to the positive definiteness of the homogenized moduli tensors relative to a class of conjugate stress-strain pairs and their effectiveness to obtain a conservative prediction of the microscopic primary instability load is pointed out. Analysis of these stability phenomena plays a fundamental role because often the collapse of composite materials with periodic microstructure is related to microstructural instabilities. In addition the microscopic stability analysis establishes the region of validity of the standard homogenization procedure based on the unit cell procedure. -In the third chapter, in the context of the small strains theory, non-linear phenomena are presented with reference to composite materials with a porous microstructure containing micro-cracks spreading from the voids. The fundamental techniques of homogenization are applied in conjunction with fracture mechanics theory and interface models. The energy release rate is evaluated through the J-integral technique. -In the fourth chapter some numerical applications carried out by means of a one-way coupled finite element code, are proposed. In the first section the numerical results will be introduced with reference to the theoretical aspects developed in the second chapter. Numerical analyses are addressed to composite materials with a periodic microstructure, namely a porous microstructure and a particle-reinforced microstructure. The adopted constitutive law is hyperelastic. Periodic boundary conditions will be used for the microstructure, and uniaxial and equibiaxial loading conditions are considered. Numerical analyses are able to show the exact region of microscopic stability, obtained by taking into account all the microstructural details, and the region of macroscopic stability, determinate by studying homogenized material properties. To elaborate macroscopic criteria able to give a conservative prediction of the microstructural stability, different measures of macroscopic instability are introduced with reference to work conjugate strain-stress measures. In the second section of this chapter a numerical analyses with reference to the micromechanical model proposed in the third chapter is developed. In this case the microstructure adopted for the composite materials is a cellular microstructure in which there is the presence of two micro-cracks advancing symmetrically from the void. The microstructure is subjected to three different boundary conditions namely respectively: linear displacements, periodic fluctuations and antiperiodic tractions and uniform tractions. The objective of this section is to verify the validity of the homogenization technique in the prediction of micro-crack evolution phenomena, for composites with locally periodic microstructure. The energy release rate obtained through the micromechanical model will be compared with a 2D composite structure composed by a regular arrangement of 5x5 unit cells. The composite structure is subjected to two different boundary conditions: the former is associated with the absence of contact between the surfaces of the micro-cracks, on the contrary in the latter case there is the presence of the contact. This type of comparison allows to investigate the accuracy of the proposed procedure in presence of macroscopic tension and strain gradients.
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    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 Nevone
    L'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 precisione
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    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,Modellazione
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    Studio sperimentale del comportamento viscoso di barre di GFRP
    (2011) Salatino, Giulia; Olivito, Renato S,
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    Problemi di delaminazione in ambito dinamico nei laminati multistrato in materiale composito
    (2011-11-29) Manna, Alessandro; Olivito, Renato Sante; Lonetti, Paolo
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    Mechanical performanceof naturalfiber-reinforced composites for the strengthening of ancient masonry
    (2013-11-25) Codispoti, Rosamaria; Oliveira, Daniel V.; Olivito, Renato S.
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    Efficacia dei materiali compositi fibrorinforzati nel rinforzo strutturale di colonne in cemento armato
    (2006) Di Nardo, Angela; Spadea, Giuseppe; Olivito, Renato Sante
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    Impiego strutturale dei calcestruzzi fibro rinforzati modellazioni teoriche e verifiche sperimentali
    (2014-06-04) Rizzuti, Lidia; Spadea, Giuseppe; Bencardino, Francesco; Bruno, Domenico
    Recently 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.
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    Risposta macroscopica di materiali compositi in presenza di fenomeni di microfrattura e contatto
    (2007) Nevone Blasi, Paolo; Bruno, Domenico; Greco, Fabrizio
    Università della Calabria