Tesi di Dottorato
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Item Analisi del comportamento non-lineare dei materiali compositi con microstruttura periodica(2009) Sgambittera, Girolamo; Olivito, Renato Sante; Bruno, Domenico; Greco, FabrizioIn 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.Item Sistemi di rinforzo FRCM:analisi sperimentale del comportamento strutturale, valutazione della durabilità e sviluppo di matrici innovative(2019-05-21) Iorfida, Antonio; Critelli, Salvatore; Candamano, Sebastiano; De Fazio, PieroL’impiego di compositi fibrorinforzati per il rinforzo e l’adeguamento sismico di strutture esistenti risulta una tecnologia sempre più utilizzata. Recentemente, ai sistemi di rinforzo in FRP (Fiber Reinforced Polymers), si sono affiancati sistemi basati sull’impiego di matrici di tipo inorganico, generalmente a base minerale, cementizia o di calce, identificati come FRCM (Fabric Reinforced Cementitious Matrix). I motivi che hanno favorito il rapido diffondersi dei sistemi a matrice inorganica, rispetto agli FRP, sono: una maggiore resistenza alle alte temperature, possibilità di applicazione su superfici umide, la permeabilità al vapore, reversibilità e compatibilità con il supporto. Essi inoltre consentono il rispetto dei criteri di conservazione richiesti nelle applicazioni per il patrimonio culturale. In questo contesto inoltre, la possibilità di utilizzare matrici alternative a quelle disponibili risulta di notevole interesse. A dispetto però della loro ampia diffusione, esistono a tutt’oggi informazioni non esaustive sulle problematiche di interfaccia su substrato in muratura, loro caratterizzazione meccanica, durabilità e applicazioni per il confinamento di colonne murarie. Il presente lavoro è pertanto finalizzato a fornire un ulteriore contributo per la caratterizzazione dei compositi FRCM. In particolare le attività sono state finalizzate a: 1) valutare il comportamento meccanico di sistemi di rinforzo in fibra di basalto a bassa (B2-FRCM) e ad alta densità (B4-FRCM) mediante prove a trazione e di aderenza a taglio di tipo diretto; 2) valutare il degrado delle prestazioni meccaniche di sistemi di rinforzo in fibra di basalto (B-FRCM) di cui al punto 1), in fibra di carbonio (C-FRCM) e in fibra di acciaio (S-FRCM) per effetto di trattamenti termici ad alta temperatura; 3) valutare l’efficacia del confinamento di colonne in muratura mediante sistemi di rinforzo B4-FRCM, S-FRCM e PBO-FRCM; 4) progettare una matrice inorganica innovativa appartenente alla famiglia dei leganti ad attivazione alcalina e valutarne l’impiego in sistemi fibrorinforzati. Il comportamento a trazione del sistema di rinforzo in fibra di basalto (B4-FRCM) è di tipo trilineare con una significativa estensione della fase di fessurazione, in conseguenza della sua particolare tessitura. Ciò comporta, una traslazione nell’attivazione delle proprietà meccaniche del rinforzo. Le prove di aderenza a taglio diretto, eseguite su supporto in muratura, sono caratterizzate per il composito B2-FRCM dalla rottura dei fasci all’estremo caricato, con percentuale di sfruttamento delle proprietà meccaniche del rinforzo pari al 93%. Per il composito B4-FRCM la rottura risulta, invece, caratterizzata dalla progressiva delaminazione all’interfaccia rinforzo-matrice con percentuali di sfruttamento pari al 75% e con lunghezza efficace di aderenza pari a circa 200 mm. Per tale composito, infine, è stato possibile individuare il legame di aderenza, calibrato e validato sulle evidenze sperimentali, con l’obiettivo di poter fornire un utile contributo alla conduzione di simulazioni numeriche. L’analisi del degrado dovuto all’esposizione ad alte temperature è stato condotto mediante prove di aderenza a taglio diretto su supporto in muratura a seguito di trattamenti termici condotti a 100 °C, 300 °C e 500 °C. Si è proceduto analizzando la risposta carico-scorrimento e valutando in particolare la variazione delle tensioni di picco e le modalità di rottura. Test effettuati a temperatura ambiente sono stati utilizzati come riferimento. Il composito C-FRCM ha mostrato valori di tensione di picco, per ogni temperatura investigata, più elevati rispetto agli altri sistemi di rinforzo, seguito dal composito B2-FRCM mentre per il composito con rete ad alta densità (B4-FRCM) sono stati misurati valori della tensione più bassi fino alla temperatura di 300 °C. A seguito del trattamento a 500 °C entrambi i sistemi in basalto mostrano valori confrontabili delle tensioni di picco. Il composito S-FRCM ha mostrato, altresì, significative variazioni della tensione di picco a seguito dei trattamenti a 300 °C e a 500 °C. I valori della tensione di picco a 500 °C per i compositi B2-FRCM, B4-FRCM, C-FRCM e S-FRCM sono rispettivamente pari a 270 MPa, 240 MPa, 514 MPa e 180 MPa corrispondenti a un decadimento del 74%, 65%, 61% e 76%. I compositi C-FRCM e B4-FRCM fino alla temperatura di esposizione di 300 °C esibiscono scorrimenti globali elevati e paragonabili, ma dovuti a differenti modalità di rottura, per comportamento telescopico il primo e delaminazione e conseguente distacco all’interfaccia rinforzo-matrice per il secondo. A 500 °C il composito C-FRCM continua a presentare il medesimo comportamento, mentre il composito B4-FRCM mostra una rottura caratterizzata dal cedimento dei fasci di fibra con importante riduzione dello scorrimento globale. Il composito B2-FRCM mostra una rottura caratterizzata dal cedimento dei fasci per tutte le temperature testate e conseguentemente limitati scorrimenti. Per il composito S-FRCM, è stata riscontrata una variazione della modalità di crisi: distacco del rinforzo e dello strato di matrice esterno osservato a 20 °C e 100 °C e rottura all’interfaccia con il supporto e conseguente distacco del composito a 300 °C e 500 °C. Tale variazione incide significativamente sullo scorrimento globale di tale composito. L’efficacia del confinamento di colonne in muratura è stata valutata in termini di: influenza di diverse tipologie di rinforzi, variazioni di resistenza al variare del numero degli strati di rinforzo (1, 2 e 3 layer), influenza della disposizione degli strati in sovrapposizione, effetto di carichi eccentrici, modalità di rottura e duttilità. Dai risultati sperimentali ottenuti è emerso in generale un aumento della resistenza all’aumentare del grado di confinamento e disposizione continua dell’overlap. Tali incrementi risultano essere pari al 47%, 93% e 184% per i sistemi di rinforzo in acciaio (S-FRCM) e al 99%, 155% e 186% per i sistemi di rinforzo in fibra di PBO (PBO-FRCM). Le colonne confinate con sistema di rinforzo in basalto (B4-FRCM) hanno evidenziato un incremento di resistenza pari al 45% e al 30%, rispettivamente per 1 e 2 layer. La modalità di rottura del sistema in acciaio (S-FRCM) è caratterizzata dal distacco del rinforzo in corrispondenza degli strati in sovrapposizione. Le modalità di crisi riscontrate, per sistemi di rinforzo PBO-FRCM, avvengono, invece, per cedimento dei fasci di fibra con 1 layer di rinforzo e per apertura significativa della lesione localizzata in corrispondenza dello spigolo interessato dall’overlap per le configurazioni multilayer. La modalità di rottura, nel caso del sistema B4-FRCM avviene per cedimento dei fasci di fibra in corrispondenza degli spigoli in presenza di 1 layer e per distacco dello strato in sovrapposizione in presenza di 2 layer di rinforzo. Il distacco impedisce di sviluppare una maggiore pressione di confinamento. Poiché il confinamento con sistema S-FRCM è realizzato mediante accostamento di più fasce lungo l’altezza della colonna, è stato valutato l’effetto della disposizione alternata degli overlap su facce opposte con 1 layer di rinforzo anche in presenza di 25 mm e 50 mm di eccentricità di carico. Ciò ha determinato un incremento pari al 108% per carico centrato e incrementi pari a 28% e 25% per carichi eccentrici. La rigidezza risulta significativamente aumentata per il confinamento in acciaio con 2 e 3 layer di rinforzo e per 1 layer con disposizione alternata degli strati di sovrapposizione. Tale incremento risulta trascurabile per 1 layer con overlap continuo in acciaio e le colonne confinate con fibra di basalto e PBO. Dai risultati ottenuti si evince, inoltre, un incremento della capacità deformativa assiale e laterale maggiore per i sistemi confinati con rinforzo in fibra di basalto e PBO a parità di layer di rinforzo. La definizione della matrice ad attivazione alcalina ha previsto l’uso di sottoprodotti e scarti industriali quali loppa d’altoforno, fly ash e cenere da biomassa, e di origine naturale quali il metacaolino. L’utilizzo di sistemi ternari loppa, fly ash e cenere da biomassa ha permesso di ottenere buone caratteristiche allo stato fresco e meccaniche anche in presenza di soluzioni attivatrici a moderato contenuto di alcali, silicato e additivi. Sono stati ottenuti valori della resistenza a flessione e a compressione pari a 5.48 MPa e 32.4 MPa. I risultati delle prove a trazione e di aderenza a taglio diretto per la valutazione di un composito fibrorinforzato in basalto hanno evidenziato un comportamento confrontabile con quello esibito utilizzando la matrice commercialeItem Finite Element models for the dynamic analysis of composite and sandwich structures(2015-12-16) Treviso, Alessandra; Mundo, Domenico; Tournou, MichelThe use of lightweight multi-layered materials is dramatically changing the design process and criteria in many engineering fields. The transportation industry, for example, is facing major challenges in order to replace traditional materials while keeping at least the same level of passengers’ comfort and safety. In particular, the Noise, Vibration and Harshness (NVH) performances are affected by the novel combination of high stiffness and low density. If the aeronautic industry still heavily relies on testing to assess designs’ validity, such an approach cannot be applied to the automotive industry for the development costs would be too high. It is therefore necessary to identify CAE tools capable of giving realistic, reliable and cost-effective predictions of multi-layered structures’ behaviour under dynamic loadings. An often overlooked problem is that of damping which is generally higher in composite and sandwich structure but rarely it is also efficiently exploited, so that in most cases the classic approach of applying NVH treatments is followed. However, this procedure has a detrimental effect on the attained weight saving and on the global dynamic performance of lightweight structures, therefore leading to unsatisfactory results. Moreover, the variability of mechanical properties due to the low repeatability of some manufacturing processes can also have an impact on the global behaviour of the as-manufactured component. An early integration of damping prediction and an estimate of possible stiffness variations due to the manufacturing can actually lead to better designs in less time. In this thesis these challenges are tackled from the Computer Aided Engineering (CAE) point of view, thanks to the introduction of a novel finite element for the prediction of the damped response of generic multi-layered structures and the proposition of a CAMCAE approach to introduce manufacturing simulations at an early stage in the design and analysis process. In the first chapters, different analytical and numerical approaches for the modelling of multi-layered structures are presented and used for the development of a 1D finite element. The results of the mono-dimensional analysis show that zigzag theories are a cost-effective and accurate alternative to solid finite element models, motivating the development of a 2D element for the analysis of plates and shells. With respect to previous investigations on zigzag theories, the current study focus on their use for modal parameters prediction, i.e. eigenfrequencies, mode shapes and damping. It will be shown that compared to classic models, the zigzag elements are able to predict the dynamic response, damped and undamped, of beam, plates and shells with the same accuracy of 3D models but at a much lower computational cost. In the last chapter, the available homogenisation methods for the analysis of long fibres composites are reviewed and compared to more refined models based on manufacturing simulation algorithms. Results show that changes in manufacturing parameters lead to substantially different results. The goal is to show that CAM/FE coupling is possible already at an early design stage and that manufacturing simulations can be used as a mean to further optimise the performance of composite structures. As a final stage, an example of coupling between zigzag theories and manufacturing simulations is presented. Despite some limitations, the proposed methods increase the accuracy of the analysis and gives a better understanding of lightweight multi-layered structures. Further research could focus on the use of the developed zigzag elements for fatigue analysis and delamination modelling as well as detailed modelling of drop-off regions in the framework of CAM tools improvementsItem 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 Boundary element analysis of composite materials(2014-10-31) Vetere, Ferdinando; Bartolino, Roberto; Zinno, RaffaeleNowdays the numerical simulation of mechanical and structural problems in engineering is the method of analysis and design more widespread. Compared to the use of analytical solutions, the numerical simulation is characterized by a great exibility, due to the possibility to analyze complex geometries and models. The possibility of nding exact solutions are limited to one-dimensional problems or problems with multiple variables with special symmetries. In the context of the problems of linear elasticity, the situation of isotropic material simpli es the analysis in closed form for the presence of only two elastic coef- cients in the constitutive equations. Recently, the interest for the analysis of problems with non-isotropic constitutive equations has been renewed by the availability of new materials suitable for the production of structural elements. In particular, the technical interest in the case of materials with orthotropic constitutive equations. This work is about the analytical solution of the plane problem for orthotropic materials using a model based on the discretization of the boundary. In order to de ne the context of the model developed, there is a brief introduction about the method of boundary elements and some considerations on the use of orthotropic materials in structural elements.Item 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 Efficacia dei materiali compositi fibrorinforzati nel rinforzo strutturale di colonne in cemento armato(2006) Di Nardo, Angela; Spadea, Giuseppe; Olivito, Renato Sante