Dissertations / Theses on the topic 'Simulazione agli elementi finiti'

La tesi documenta il lavoro di studio e applicazione svolto nel percorso di tirocinio, un percorso di formazione sull' utilizzo di software CAD/CAE e nella loro applicazione per analisi di tipo statico-lineare, modale e soprattutto analisi non lineare. Il capitolo 1 introduce l' ideologia di Open Source sulla quale si basato tutti i software utilizzati nella tesi, i quali vengono descritti nel capitolo 2. Nel capitolo 3 si affronta il discorso di analisi agli elementi finiti, il metodo di calcolo che utilizzano i software introdotti. Il capitolo 4 e il capitolo 5 si occupano di descrivere le analisi statiche lineari e modale svolte con il software Salome-Meca, mentre i capitoli 6 e 7 riportano la teoria del calcolo non-lineare e applicazioni con il software SimScale.

L’obiettivo del lavoro di tesi è la realizzazione di una simulazione avanzata agli elementi finiti su un isolatore passante in tecnologia R.I.P. (Resin Impregnated Paper) per verificare se la variazione dei parametri resistivi del materiale con la temperatura e con il campo elettrico abbia un effetto significativo sui parametri termici dei componenti in esercizio. Per isolatore passante si intende un dispositivo atto ad isolare un conduttore percorso da corrente dal mezzo attraverso il quale passa (trasformatore). La tesi è stata sviluppata in più fasi: nella prima parte, sperimentale, ha avuto luogo la caratterizzazione elettrica del materiale isolante formato da strati di carta impregnata in resina epossidica. Nella seconda parte, i dati sviluppati a seguito delle misurazioni, sono stati inseriti in una simulazione elettro-magneto-termica. Le misure sperimentali hanno coinvolto due ambiti: conducibilità e scariche parziali, mentre la simulazione è stata effettuata con il software Infolytica. Inizialmente sono state calcolate le perdite ohmiche dovute al passaggio di corrente nel conduttore, successivamente è stato calcolato il profilo di temperatura lungo l’intero dispositivo utilizzando come termine di sorgente termica il risultato della prima simulazione. Infine è stato determinato il profilo termico accoppiando simultaneamente i tre simulatori MagNet, Thermnet ed ElecNet appartenenti al pacchetto Infolytica. I risultati ottenuti sono stati validati mediante confronto con prove sperimentali, e sono risultati soddisfacenti.

Un aspetto che riveste notevole importanza nelle fluidodinamica computazione è la simulazione di fluidi con corpi solidi in movimento per sistemi caratterizzati da geometrie complesse e interfacce variabili nel tempo. Un interessante approccio a tali problemi è quello di adottare una formulazione Immersed Boundary che fornisce una rappresentazione mista che combina gli aspetti dei metodi euleriani e lagrangiani. La caratteristica distintiva di tale tecnica è quella di simulare la presenza di ostacoli solidi nel dominio fluido senza utilizzare una griglia conforme, ma impiegando strategie differenti, quali l'introduzione di termini correttivi o l'imposizione di opportune condizioni al contorno. Per simulare oggetti solidi in movimento all'interno di un fluido si è sviluppato un algoritmo per la proiezione di campi tra domini differenti, consentendo l'accoppiamento di griglie computazionali distinte. Tale approccio è addottato nel presente lavoro con l'ausilio della piattaforma computazionale Salome e del codice FEMus ad elementi finiti in cui vengono sfruttate le varie librerie per generare le grigle e risolvere l'equazione di Navier-Stokes. L'interpolazione di opportuni campi definiti su tali strutture permette la simulazione indiretta dell'interfaccia tra fluido e solido riproducendo gli effetti dell'ostacolo sul moto. Il modello Immersed Boundary e l'algoritmo di interpolazione proposti vengono validati effettuando il confronto dei risultati ottenuti con quelli forniti da simulazioni numeriche basate su metodi a griglia conforme confermando le notevoli potenzialità di tali tecniche.

L’obiettivo di questo elaborato è studiare la relazione che lega il campo magnetico alla corrente misurata in un sensore di corrente integrato basato sull’effetto Hall con lo scopo di poter realizzare una migliore progettazione del sensore stesso. Il circuito integrato oggetto di studio è in grado di effettuare misure di corrente a banda larga grazie all’innovativo design circuitale con cui è realizzata l’elettronica che governa la misura. Esso si basa su di un sensore a effetto Hall per misurare il campo magnetico generato dalla corrente che scorre su di una “strip” integrata, consentendo in questo modo un tasso di integrabilità elevato e la possibilità di effettuare la misura senza perdite. Di conseguenza, lo scopo di questo elaborato è l’analisi del campo magnetico generato da una strip metallica di dimensioni micrometriche e la sua relazione con i vari parametri di progetto. Per effettuare questo studio si è fatto ricorso ad un’analisi al calcolatore mediante software di simulazione fisica basato sul metodo degli elementi finiti, che consente la risoluzione di problemi fisici alle derivate parziali difficilmente trattabili per via analitica.

Durante la fase di progettazione di un sistema fisico è ormai consuetudine costruire un modello matematico per simularne il comportamento. Il passo successivo è l’ottimizzazione del sistema stesso con lo scopo di poterlo controllare, modificando i parametri che vi compaiono, affinché agisca come desiderato. Spesso questo tipo di problemi viene affrontato con un approccio di tipo try and fail. Questo metodo risulta però essere molto dispendioso sia da un punto di vista dei calcoli che delle tempistiche. È piuttosto utile in questi casi passare allo studio del problema inverso. Si parte cioè dall’obiettivo, e si ricavano i valori dei parametri di progetto adeguati per ottenere i risultati desiderati attraverso la minimizzazione di un funzionale di costo, nel quale vengono imposte le condizioni di ottimo. In questa tesi si affrontano problemi inversi di interazione fluido-struttura (FSI) utilizzando la teoria del controllo ottimo. Un problema FSI è un sistema fisico in cui un fluido e un solido interagiscono tra loro, il moto del fluido comporta una deformazione del solido ed essa incide a sua volta sul moto del fluido. Il problema di ottimo è risolto con il metodo dell’equazione aggiunta ed è proposto un controllo ottimo per il problema stazionario, in cui l’obiettivo è ottenere un valore di deformazione del solido desiderato, tramite un controllo sulla pressione del fluido in ingresso. Il sistema di ottimo viene ricavato utilizzando il teorema dei moltiplicatori di Lagrange per la minimizzazione del funzionale, e si risolve iterativamente attraverso il metodo di discesa del gradiente. Si utilizza inoltre un approccio multiscala per modellare il solido, semplificato a un’entità di una dimensione inferiore rispetto al dominio del fluido, diventando così una condizione al contorno per il moto del fluido. La risoluzione del problema viene effettuata attraverso il metodo agli elementi finiti e il problema di controllo ottimo trovato viene implementato nel codice FEMuS.

Il lavoro svolto in questa tesi riguarda le simulazioni agli elementi finiti di problemi d'interazione fluido-struttura FSI. In particolare si sono implementati due tipi di modelli matematici, ovvero quello monoscala, in cui solido e fluido possiedono la stessa dimensione spaziale, e quello multiscala, in cui l'oggetto solido viene modellato con una dimensione spaziale inferiore. Quest'ultimo approccio permette di ottenere una considerevole riduzione dei tempi di calcolo ed una maggiore stabilità numerica dell'algoritmo. Infine i risultati ottenuti dalle simulazioni numeriche eseguite con entrambi i modelli mostrano una buona accuratezza del nuovo metodo.

Ad oggi, l’esame del torace con tomografia computerizzata (TC) è considerato lo strumento diagnostico migliore per estrarre, in vivo, indicatori dell’estensione e della distribuzione dell’enfisema, che appare come aree polmonari a bassa attenuazione. L’enfisema è definito come un allargamento degli spazi aerei distali al bronchiolo terminale conseguente alla distruzione dei setti alveolari dovuto all'esposizione a sostanze irritanti per le vie aeree come, ad esempio, il fumo di sigaretta. In questo lavoro di tesi si propone un modello 3D agli elementi finiti del parenchima polmonare al fine di simulare l’origine e la progressione dell’enfisema con diversi gradi di gravità e di simulare immagini di cluster a bassa attenuazione ottenibili da imaging TC. Al fine di raggiungere tali scopi sono stati utilizzati due parametri, N e Smax, utili a descrivere rispettivamente il numero e la dimensione dei siti di infiammazione iniziale, in diverse combinazioni. La simulazione agli elementi finiti è stato iterata con lo scopo di esaminare il processo di fusione delle aree di distruzione parenchimale in funzione degli stress presenti sui setti di separazione. Lo sviluppo futuro di tale modello richiederà un adeguamento della geometria per una miglior rappresentazione del polmone ed una ottimizzazione della gestione della complessità computazionale.

Negli ultimi anni nel mondo dell’industria automobilistica e aeronautica sta prendendo sempre più piede l’utilizzo di strutture assorbitrici realizzate in materiali compositi; questi materiali, infatti, oltre a possedere proprietà paragonabili a quelle dei metalli, coniugate ad un’importante riduzione della massa, possono essere modellati in modo da assorbire una notevole quantità di energia cinetica in caso di impatto. Viste le notevoli variabili presenti in fase di progettazione e i diversi metodi di rottura con cui questi materiali possono collassare, risulta fondamentale l’utilizzo di simulazioni che riescano a prevedere con precisione il loro comportamento. In questo progetto di tesi viene proposta un’analisi bibliografica degli articoli che affrontano questo studio con il software ad elementi finiti PAM-CRASH, analizzandone la metodologia e gli accorgimenti utilizzati. In tal modo è stato possibile esaminare i differenti modelli di danno adoperati nel corso degli anni, individuandone i punti di forza e le mancanze, stilando delle linee guida per il loro utilizzo pratico.

L’obbiettivo di questo lavoro di tesi è analizzare le performance a crashworthiness di provini sinusoidali autoportanti, realizzati in tessuto plain weave (fibra di carbonio, intrecciata in trama e ordito, e matrice polimerica). La tesi si articolerà essenzialmente in due parti. La prima riguarda una campagna sperimentale (presso il laboratorio strutture MasterLab della Seconda Scuola di Ingegneria dell’Università di Bologna, con sede a Forlì) effettuata su provini di dimensioni specifiche, secondo normativa ASTM, per l’identificazione delle caratteristiche meccaniche del composito, con successiva prova di schiacciamento di due tipologie di provini ondulati autoportanti, aventi stratifiche differenti, i cui risultati saranno utilizzati come valori di riferimento per la convalida dei modelli numerici. La seconda parte comprende le simulazioni numeriche, elaborate secondo il modello di danno di Johnson, Pickett, Rozycki, per la lamina costituita da tessuto, ed il modello di Pickett per l’interfaccia di delaminazione.

2006/2007
L’obiettivo di questo lavoro è stato lo sviluppo di una metodologia per l’identificazione delle caratteristiche meccaniche dei materiali costituenti le pavimentazioni stradali basate sull’utilizzo della tecnica SVM (Support Vector Machine) di recente sviluppo. Tale procedura che fa parte delle cosiddette tecniche di apprendimento è stata adottata per la complessità numerica del problema indagato che consiste nell’analisi dinamica di pavimentazioni stradali sottoposte ad un carico impulsivo. Vista la natura dinamica del problema infatti le tradizionali tecniche di backcalculation che prevedono un procedimento iterativo che interviene sui parametri del problema fino ad ottenere, attraverso delle simulazioni, i medesimi risultati misurati, rendono il procedimento molto dispendioso in termini di tempo. La procedura messa a punto in questa tesi invece elimina tale problema utilizzando degli algoritmi di apprendimento che prevedono una prima fase di addestramento nella quale sono state eseguite migliaia di simulazioni in campo dinamico variando i vari parametri del problema. Successivamente, quando la “macchina” risulta addestrata il problema viene risolto in maniera diretta eliminando tutti i procedimenti iterativi che altrimenti dovrebbero essere eseguiti per ogni test e che con questa tecnica vengono “effettuati” una sola volta durante la fase di apprendimento. Tale procedimento è stato in grado di dare buoni risultati in campo dinamico ottenendo errori percentuali modesti in tutto il range di valori considerati potendo quindi considerare tale approccio una valida alternativa ai metodi iterativi. Gli argomenti sono stati trattati in modo rigoroso dando spazio ad approfondimenti teorici sia dal punto di vista delle meccanica della pavimentazione che dal punto di vista delle tecniche di identificazione mettendo inoltre in luce alcuni aspetti migliorativi alle tecniche utilizzate.
XX Ciclo
1977

Il presente lavoro di tesi descrive il processo di potenziamento del banco prova Alma Test-Bed per la validazione dei sistemi di controllo d’assetto di nanosatelliti 3U tramite piattaforma rotante su cuscinetto ad aria. L’obiettivo è integrare un simulatore di Sole e migliorare la simulazione della microgravità della piattaforma rotante. La prima parte del lavoro svolto consiste nella progettazione funzionale e dettagliata della struttura atta a rendere il satellite insensibile all’accelerazione gravitazionale locale, permettendogli di assumere un range di configurazioni d’assetto ottimale per poterne testare il comportamento in orbita. Dato che le condizioni di microgravità possono essere riprodotte solamente tramite un controllo estremamente accurato del baricentro della piattaforma di supporto del satellite, la progettazione è stata affrontata da molteplici punti di vista, sia tramite modelli analitici, che con analisi agli elementi finiti. I risultati delle simulazioni fatte sul sistema progettato permettono infine di stimare delle coppie di disturbo che rientrano nei limiti delle specifiche di progetto. Le deformazioni in gioco, la componentistica utilizzata e i disturbi generati risultano in linea con lo stato dell’arte della tecnologia e con i risultati pubblicati in letteratura. La seconda parte del lavoro è incentrata sull’integrazione di un simulatore di Sole custom-made. Vengono analizzate le caratteristiche peculiari dei simulatori di Sole per classificare quello in uso e descritte le leggi di ottica sfruttate per collimare il fascio di luce generato. Attraverso un’estesa campagna sperimentale, è stato possibile valutare la bontà dei risultati ipotizzati e tarare ed ottimizzare il sottosistema fino ad ottenere un ottimo livello di collimazione (inferiore al grado) in un’ampia area illuminata. I risultati sperimentali indicano un risultato molto migliore delle specifiche di progetto, garantendo un ampio margine sulle stesse.

Una delle cause di fallimento oggigiorno più comuni degli impianti di protesi d’anca è l’usura, ovvero il progressivo danneggiamento delle superfici a contatto con conseguente perdita di materiale, modifica delle superfici geometriche, reazioni infiammatorie ed osteolisi. Il metodo oggi utilizzato per valutare questo fenomeno è rappresentato dalle prove di usura mediante simulatore articolare, che risultano però essere molto lunghe, costose e non abbastanza flessibili per tenere conto della variabilità del ciclo di cammino e di carico che esiste tra differenti pazienti o del possibile posizionamento diverso dell’impianto stesso. Un’alternativa valida alle prove sperimentali è invece l’utilizzo di metodi computazionali basati sullo sviluppo di modelli ad elementi finiti (FEM). Grazie a questi si possono infatti simulare diverse condizioni di carico e spostamento a cui le componenti della protesi possono essere soggette e predire il fenomeno dell’usura con un notevole risparmio in termini di tempo e costo. Questo lavoro di tesi si pone proprio come obiettivo l’approfondimento dei metodi FEM per la modellazione del fenomeno dell’usura. Un primo modello FEM è stato inizialmente sviluppato mediante il software ANSYS Workbench per simulare un test d’usura di tipo Pin On Disc. I risultati in termini di volume, profondità d’usura e pressioni di contatto sono stati poi messi a confronto con i risultati sperimentali disponibili in letteratura. Importanti osservazioni sono state fatte sulle limitazioni della routine d’usura implementata in ANSYS e sull’effetto di alcune delle principali semplificazioni comunemente fatte durante la modellazione. La seconda parte del lavoro è stata invece dedicata allo sviluppo di un primo modello d’usura di protesi d’anca che potrà essere perfezionato e utilizzato per futuri studi nei quali sarà possibile definire condizioni di carico e spostamento provenienti da simulatore o da modelli soggetto specifici di dinamica muscoloscheletrica.

Scopo della presente tesi è lo studio del comportamento del metodo numerico degli elementi finiti discontinui applicato a problemi di fluidodinamica multicomponente. Dato l’incremento delle prestazioni dei moderni calcolatori, le simulazioni numeriche sono diventate uno strumento potente e, ormai, irrinunciabile nello studio e nella progettazione di problemi di valore ingegneristico; tra questi una grande sfida è rappresentata dalla combustione, in cui due sono gli ingredienti essenziali: simulare come le diverse specie chimiche si mescolino tra loro e successivamente come quest’ultime possano bruciare. In questo lavoro si è posta l’attenzione sul primo aspetto, cercando di affrontarlo numericamente con una tecnica innovativa, rappresentata dall’utilizzo di elementi finiti, in cui la soluzione nel dominio di calcolo venga approssimata da funzioni a tratti, continue all’interno del singolo elemento spaziale, in generale di carattere polinomiale, ma in cui non sia richiesta la continuità globale; di conseguenza la soluzione risulta discontinua all’interfaccia tra gli elementi. La mancanza di costrizione sulla continuità globale della soluzione garantisce una grande flessibilità, e, di fatto, la principale ragione per cui il metodo venga studiato con grande interesse e per cui lo si stia cercando di estendere ad un numero maggiore di applicazioni. La seguente ricerca ha permesso di porre le basi per confermarne la validità anche in situazioni in cui diverse specie chimiche possano miscelarsi tra loro, sia in griglie strutturate che in quelle non strutturate, per geometrie bidimensionali sia piane che assialsimmetriche. In più il metodo, caratterizzato da formule di discretizzazione spaziali molto compatte, è stato valorizzato, soprattutto, con uno schema di avanzamento temporale di tipo implicito, in cui notevoli sono stati i vantaggi computazionali. In questo testo sono presenti utili basi e riferimenti per successive attività di ricerca nel settore, eventualmente mirabili, in particolar modo, all’estensione del metodo numerico a situazioni di fluidodinamica reattiva.

In questo elaborato si è effettuato una caratterizzazione meccanica completa (tramite prove di stato e meccaniche) dei materiali rocciosi, che costituiscono il versante in cui è scavato uno dei monumenti più importanti della Georgia: la città rupestre di Vardzia. La roccia tenera e la fratturazione sistematica dell'ammasso creano i presupposti per l'attivazione di movimenti franosi, che possono compromettere l'integrità fisica dei migliaia di turisti che vengono a visitare il monumento ogni anno e l'integrità strutturale ed architettonica del sito, fondamentale per la sua selezione nella lista UNESCO dei patrimoni dell'umanità. Per questo, tramite anche un'analisi numerica agli elementi finiti, si studia la stabilità allo scivolamento di uno dei possibili cunei rocciosi che interessano il sito.

1999/2000
La corretta valutazione della risposta delle strutture soggette ad azioni dinamiche quali terremoti oppure il vento risulta di fondamentale interesse nell'ingegneria civile. In generale, l'evoluzione di un fenomeno di dinamica strutturale può essere descritta, in modo rigoroso, attraverso la soluzione di equazioni alle derivate parziali su un dominio spazio-temporale, con condizioni al contorno ed iniziali. Risolvere queste equazioni in forma chiusa è, spesso, impossibile, per cui si ricorre alla loro discretizzazione. In genere, tale operazione è effettuata separatamente sulle variabili spaziali e sul tempo. Nell'approccio più diffuso si esegue la discretizzazione spaziale mediante un metodo agli elementi finiti, ottenendo un sistema (semidiscreto) di equazioni differenziali ordinarie nella variabile temporale. T aie operazione è possibile solo se le caratteristiche meccaniche della struttura in esame e la loro variazione a seguito del processo deformativo sono conosciute. Salvo casi estremamente semplici e di scarso interesse applicativo, il sistema semidiscreto non può essere risolto per via analitica, da cui la necessità del ricorso di algoritmi di integrazione numerica. Questo vale già per problemi con comportamento elastico lineare; se sono presenti non linearità di qualunque genere, l'integrazione numerica diviene l'unico metodo utilizzabile, pur risultando, in confronto, molto complessa e laboriosa. Fino ad oggi hanno avuto successo algoritmi step-by-step se/f-starting, basati su procedimenti alle differenze finite, che dal punto di vista computazionale non incrementano l'onere di un problema statico. Negli ultimi anni sono stati sviluppati anche altri procedimenti con qualità superiori rispetto a quest'ultimi, basati su procedimenti variazionali analoghi a quelli usati in statica, pur presentando una complessità di implementazione e soprattutto un'onerosità computazionale che non rendono attraente il loro inserimento nei normali codici di calcolo strutturale. l vari algoritmi proposti possono essere in generale suddivisi in metodi espliciti e metodi impliciti. Gli schemi impliciti necessitano dell'inversione di una matrice complessa per procedere nell'integrazione necessitando di un notevole sforzo computazionale; possono essere tuttavia incondizionatamente stabili e quindi utilizzati con passi d'integrazione elevati. Gli algoritmi espliciti tipicamente non richiedono l'inversione di matrici nella procedura di soluzione con la conseguenza di richiedere uno sforzo computazionale e di memorizzazione minore se comparati agli schemi impliciti. D'altra parte gli algoritmi espliciti sono necessariamente condizionatamente stabili, richiedendo una limitazione sul passo di integrazione che spesso può essere restrittiva. Per questa ragione sono utilizzati in problemi dove l'accuratezza necessaria nell'integrazione richiede un passo di integrazione ridotto, come in problemi di propagazione di onde. In generale, le proprietà fondamentali degli algoritmi possono essere analizzate in modo rigoroso soltanto in problemi lineari. Alcuni algoritmi incondizionatamente stabili in regime lineare, presentano comportamenti patologici se applicati a sistemi non lineari conservativi. Ciò è dovuto principalmente all'impossibilità di integrare esattamente il termine non lineare. La non linearità, nel caso dei metodi impliciti, introduce un secondo problema, puramente computazionale: ad ogni passo di discretizzazione temporale deve essere risolto un sistema non lineare di equazioni; questo richiede l'adozione di un algoritmo di risoluzione iterativo, costituito usualmente dal metodo di Newton-Raphson. Come è noto, la soluzione determinata da tale algoritmo è legata alla scelta del valore iniziale mediante il quale si inizia il processo iterativo. Questa caratteristica spiega le difficoltà di convergenza o la convergenza verso soluzioni spurie che talvolta si manifestano anche nei più semplici problemi modello non lineari. Una delle difficoltà principali che si riscontrano nello studio delle strutture è la modellazione della loro risposta meccanica, che, anche in casi apparentemente banali, può richiedere un'analisi estremamente raffinata. Una valida alternativa è il ricorso alla tecnica ibrida numerico-sperimentale denominata metodo di prova pseudodinamico (PSD), condotta per mezzo di attuatori elettroidraulici. Le forze di inerzia di una struttura e le forze viscose vengono simulate numericamente mentre la forza di reazione viene misurata sperimentalmente. Il metodo può essere inquadrato come una particolare procedura agli elementi finiti nella quale le forze di reazione anziché essere valutate per mezzo di una routine di calcolo vengono misurate sperimentalmente. Le prove PSD permettono di esaminare strutture di medie dimensioni. Il problema principale che si deve affrontare è la necessità di considerare il comportamento della struttura condensato in pochi punti nei quali vengono posizionati gli attuatori. Se la struttura è caratterizzata dall'avere effettivamente le proprie masse concentrate in alcuni punti specifici, almeno agli effetti di una particolare sollecitazione, allora i risultati ottenuti possono ritenersi rappresentativi della risposta reale. Data la sua natura numerica, il test è intrinsecamente collegato ad un integratore temporale, che a seconda del tipo di analisi può essere sia di tipo esplicito o implicito. La natura ibrida del test rende possibile la prova in laboratorio di una parte di una struttura, generalmente il punto critico, simulando numericamente il comportamento della parte rimanente (tecnica della sottostrutturazione). Il test PSD, nella sua implementazione convenzionale, è realizzato mediante una successione di spostamenti della struttura costituiti da rampe e periodi di attesa in cui la struttura è ferma. Recentemente è stata proposto di realizzare il test senza mai fermare gli attuatori, integrando le equazioni del moto della struttura direttamente al passo di campionamento del programma di controllo degli attuatori (test PSD continuo). La nuova tecnica permette l'esecuzione di test molto accurati; introduce tuttavia potenziali difficoltà in presenza di sottostrutture analitiche complesse che possono essere eliminate mediante l'utilizzo di schemi partizionati. Il lavoro svolto nella tesi presenta analisi relative ad algoritmi di integrazione temporale, con riferimento sia alla loro applicazione a procedure puramente numeriche quali il metodo agli elementi finiti, sia al metodo PSD. In particolare, viene presentato lo stato dell'arte degli algoritmi dissipativi sia dì tipo esplicito che implicito e vengono proposte nuove famiglie di integratori. Il lavoro è svolto in due parti. La prima parte è stata dedicata all'analisi degli integratori applicati a problemi numerici. Lo studio è stato concentrato su due algoritmi dissipativi modello di due categorie di schemi di filosofia diversa; in particolare, per gli schemi alle differenze finite è stato scelto il metodo a-generalizzato, mentre per la classe di algoritmi variazionali è stato scelto il metodo time discontinuous Galerkin. Accanto ad una revisione delle proprietà in regime lineare degli schemi suddetti, l'attenzione è stata principalmente dedicata ad analisi teoriche legate al regime elastico non lineare; sono state eseguite sia indagini qualitative generali, sia analisi relative a problemi modello ad uno e due gradi di libertà dei quali è conosciuta la soluzione, quali l'oscillatore di Duffing e il moto di un pendolo. Gli algoritmi sono stati analizzati sia nella loro versione implicita originale, sia in versione esplicita. In particolare, è stata sviluppata una nuova categoria di metodi espliciti a dissipazione controllata, dotata di un buon limite di stabilità ed un'accuratezza del terzo ordine. La seconda parte è stata dedicata all'applicazione degli schemi al metodo di prova PSD. In dettaglio, si sono eseguite analisi sia nel campo del metodo di prova PSD convenzionale, sia nell'ambito della più recente tecnica denominata pseudodinamica continua, nella quale la risoluzione dell'equazione del moto è eseguita all'interno del ciclo di controllo degli attuatori, evitando degli arresti indesiderati nel movimento della struttura. Per quanto riguarda la pseudodinamica convenzionale, gli schemi alle differenze finite studiati nella prima parte sono stati analizzati dal punto di vista della propagazione degli errori, proponendo varie forme di implementazione. È stato inoltre proposto l'utilizzo di metodi secant Newton per identificare la matrice di rigidezza della struttura in esame al fine di migliorare le caratteristiche di accuratezza degli algoritmi. Per validare le analisi condotte, gli schemi sono stati poi implementati e sottoposti a prova in laboratorio su una struttura modello in acciaio a due gradi di libertà. Il metodo PSD continuo è stato studiato con particolare riferimento al problema della sottostrutturazione, mediante la quale si può sottoporre a prova in laboratorio solo una parte della struttura in esame, mentre la rimanente può essere simulata numericamente. La velocità della prova introduce infatti difficoltà che, in presenza di strutture analitiche complesse, rendono auspicabile l'utilizzo di schemi diversi sulla parte testata in laboratorio e la parte analitica. Di conseguenza sono state condotte analisi su nuovi schemi di integrazione partizionati, investigando possibili modifiche e miglioramenti. Successivamente gli schemi sono stati implementati e sperimentati in laboratorio su una struttura campione a quattro gradi di libertà, due dei quali sperimentali.
XIII Ciclo
1972
Versione digitalizzata della tesi di dottorato cartacea.

For more than 150 years, metal forming and forging processes have been the core of the heavy industries manufacturing, both for yearly production as well as for a number of workers, employees, and engineers involved in this sector. Although forgings have been manufactured by smiths for many millennia, only in the last 60 years the importance of understanding the material behavior and its interaction with the process parameters and the manufacturing conditions have started to be deeply investigated by scholars. During the metal forging process, the material may be subjected to small or large deformations which affect both its shape as well as the mechanical properties of the final product. For this reason, in order to pursue the ever-growing trend of enhancing the performances of both products and processes, the research focus should be oriented on understanding the influence of the manufacturing approach, namely in terms of process conditions and parameters, on the characteristic of the final product. This bottom-to-top approach allows a deeper understanding of the interactions between material and process, opening the way to a more efficient production strategy, not only based on experience but which also relies on mechanical and physical basis. To this aim, analytical models taking into account the fundamental of both mechanics and heat transfer during the process, conveniently linked to the process parameters, are a powerful and convenient way to analyze the impact of design strategies and parameters choices on important process output during the process, such as geometry evolution, temperature and forces. The research work presented in this thesis is related to the development of analytical models for the ring rolling, a metal forging process utilized for the manufacturing of small, medium, large and super-large seamless rings, utilized in various applications for, but not only, aerospace, naval and eolic industries. The developed analytical models deal with the following key-tasks in the design phase of the ring rolling process, namely: i) calculation of the feasible ranges for the most important process parameters, ii) estimation of the evolution of the geometry of the ring throughout the process, iii) calculation of the 3D strain tensor in the ring during the process, vi) lumped steady-state temperature model for estimation of the temperature drop of the ring due convection, conduction and radiation heat transfer during the process, v) calculation of the contact geometry between tools and rings in the two deformation gaps, namely the mandrel-main roll and the axial rolls deformation gap and vi) estimation of the process forces, for both the deformation gaps, by utilizing a slip-line based force model. The results of the developed models have been compared, where available, with previous literature ones, showing the improvement in terms of accuracy of the results, especially in terms of calculation for ranges in which to choose the process parameters, for the estimation of the geometry evolution of the ring and for the calculation of the process forces. The results of the developed models have been also compared with laboratory experiments performed on a test ring rolling machine and light alloys, such as the Pb75-Sn25 soft alloy, and with numerical simulations, implemented in the commercial software Simufact.Forming. The accuracy of the developed models have been calculated, where possible, comparing the results of the analytical estimations with both experimental and numerical results and were not possible, such as in case of the strain tensor estimation, only with the results of the numerical simulations. The main results of the combined utilization of the developed numerical models are related to the estimation of the evolution of the geometry of the ring throughout the process, which can be estimated, in terms of the outer diameter of the ring, with an accuracy higher or equal to 97%. In addition to that, by utilizing together all the developed models, the flow stress of the material can be analytically estimated based on a chosen flow stress model, leading to an accuracy higher or equal to 93%. In the present thesis work, the mathematical background, required for the full understanding of the developed algorithm, the full mathematical derivations of the analytical models, the results of both laboratory experiments and numerical simulations as well as, where applicable, the comparison with previous literature models are presented, allowing a full understanding of both the fundamentals and the implementation of the developed approaches. The proposed collection of algorithm allows a deep understanding of the influence of process parameters, boundary conditions and dimensions on the main influencing manufacturing output, such as geometrical expansion, temperature drop, and forces. In the design phase of the ring rolling process, as well as of all the manufacturing processes, several different combinations of process parameters must be tested in order to determine, among them, the initial preform from which to start the production, the machine to utilize for the production as well as the process parameters to utilize. By means of the developed algorithms, several different combinations of process parameters can be tested in a relatively short amount of time, thanks to the closed-form typology of the equations of the proposed models. Afterward, on the few geometry-process parameters combinations those have shown to lead to a successful manufacturing of the ring, fulfilling the process constraints, mainly related to the capability of the available ring rolling mill in terms of maximum forming force, numerical simulation can be run, allowing a full understanding of the designed process. The proposed approach allows sparing precious time during the design stage, allowing to concentrate the attention only of few design options and, for this reason, it may be of interest of both scholars and industrial engineers dealing with the set-up and control of the radial-axial ring rolling process of flat rings.
Per oltre 150 anni, i processi di formatura e forgiatura dei metalli sono stati il cuore della produzione di industrie pesanti, sia per la produzione annuale sia per un numero di lavoratori, dipendenti e ingegneri coinvolti in questo settore. Sebbene la formatura di metalli sia stata utilizzata dai fabbri per molti millenni, solo negli ultimi 60 anni l'importanza della comprensione del comportamento materiale e della sua interazione con i parametri di processo e le condizioni di fabbricazione hanno iniziato a essere studiate approfonditamente dagli studiosi. Durante il processo di stampaggio del metallo, il materiale può essere soggetto a deformazioni piccole o grandi che influiscono sia sulla sua forma che sulle proprietà meccaniche del prodotto finale. Per questo motivo, al fine di seguire la tendenza sempre crescente di migliorare le prestazioni di prodotti e processi, l'obiettivo della ricerca dovrebbe essere orientato alla comprensione dell'influenza dell'approccio di produzione, vale a dire in termini di condizioni e parametri di processo, sulle caratteristiche del prodotto finale. Questo approccio bottom-to-top consente una più profonda comprensione delle interazioni tra materiale e processo, aprendo la strada a una strategia di produzione più efficiente, non solo basata sull'esperienza, ma anche su basi meccaniche e fisiche. A tal fine, i modelli analitici che tengono conto dei principi fondamentali della meccanica e della termodinamica del processo, collegati ai parametri di processo, sono un potente e conveniente approccio per analizzare l'impatto delle strategie di progettazione e delle scelte dei parametri di processo sul prodotto finito (come, ad esempio, l'evoluzione della geometria, la temperatura e le forze, etc.). Il lavoro di ricerca presentato in questa tesi è relativo allo sviluppo di modelli analitici per la laminazione degli anelli, un processo di forgiatura utilizzato per la produzione di anelli piccoli, medi, grandi, utilizzati in varie applicazioni, come ad esempio il campo aerospaziale, navale, eolico, etc. I modelli analitici sviluppati riguardano i seguenti aspetti chiave nella fase di progettazione del processo di laminazione ad anello, ovvero: i) calcolo degli range ammissibili per i parametri di processo più importanti, ii) stima dell'evoluzione della geometria dell'anello durante il processo, iii) calcolo del tensore di deformazione 3D nell'anello durante il processo, vi) modello di temperatura a parametri concentrati per la stima della caduta di temperatura dell'anello dovuta per convezione, conduzione e trasferimento di calore di radiazione durante il processo, v) calcolo della geometria di contatto tra rulli e anello nei due gap di deformazione, e vi) stima delle forze di processo, per entrambi i gap di deformazione, utilizzando un modello di forza basato sulla teoria delle slip line. I risultati dei modelli sviluppati sono stati confrontati, ove disponibili, con quelli della letteratura precedente, mostrando il miglioramento in termini di accuratezza, soprattutto per quanto riguarda la stima della geometria evoluzione dell'anello e per il calcolo delle forze di processo. I risultati dei modelli sviluppati sono stati anche confrontati con gli esperimenti di laboratorio eseguiti su un laminatoio di piccole dimensioni su anelli realizzati con lega Pb75-Sn25 e con simulazioni agli elementi finiti implementate nel software commerciale Simufact.Forming. L'accuratezza dei modelli sviluppati è stata calcolata, ove possibile, confrontando i risultati delle stime analitiche con i risultati sia sperimentali che numerici e non erano possibili, come nel caso della stima del tensore delle deformazioni, solo con i risultati delle simulazioni numeriche. I principali risultati dell'utilizzo combinato dei modelli numerici sviluppati sono legati alla stima dell'evoluzione della geometria dell'anello durante tutto il processo, che può essere stimata, in termini di diametro esterno dell'anello, con un'accuratezza superiore o pari al 97%. Inoltre, utilizzando insieme tutti i modelli sviluppati, la tensione di flusso del materiale può essere stimata analiticamente sulla base del modello di flow stress scelto, con una precisione superiore o uguale al 93%. Nel presente lavoro di tesi, il background matematico, richiesto per la piena comprensione degli algoritmi, i procedimenti analitico-matematici per tutti modelli sviluppati, i risultati degli esperimenti di laboratorio e delle simulazioni numeriche nonché, dove possibile, il confronto con i modelli di letteratura, sono presentati in dettaglio, consentendo una piena comprensione di entrambi i fondamenti e l'attuazione degli approcci sviluppati. L’insieme degli algoritmi proposti consente una approfondita comprensione dell'influenza dei parametri di processo, delle condizioni al contorno e delle dimensioni iniziali e finali dell’anello su importanti variabili di processo come, ad esempio, l'espansione geometrica, la caduta di temperatura e le forze. Nella fase di progettazione del processo di laminazione degli anelli, nonché di tutti i processi di fabbricazione, diverse combinazioni di parametri di processo devono essere testate per determinare la preforma iniziale, i parametri di processo ottimali da utilizzare durante la produzione, nonché la pressa o macchinario da utilizzare. Attraverso gli algoritmi sviluppati, diverse combinazioni di parametri di processo possono essere testate in un tempo relativamente breve, grazie alla tipologia modelli proposti (closed-form equations). Successivamente, le simulazioni agli elementi finiti possono essere eseguite solo su una piccola parte delle combinazioni di parametri di processo e configurazioni geometriche della preforma che hanno permesso di ottenere buoni risultati nella fase preliminare di test con i soli modelli analitici. L'approccio proposto consente di risparmiare tempo prezioso durante la fase di progettazione, consentendo di concentrare l'attenzione solo su poche opzioni di progettazione e, per questo motivo, può essere di interesse sia degli studiosi che degli ingegneri industriali che si occupano della messa a punto e del controllo del radiale. anello-anello di laminazione di anelli piani.

Questo elaborato si prefigge l’obiettivo di generare un modello computerizzato per la rappresentazione di un pallet composto da ottantaquattro fardelli di bottiglie d’acqua da 1,5 litri. Il danneggiamento irreversibile delle merci trasportate implica sia una perdita economica che un inutile spreco di risorse energetiche e ambientali; l’interesse condiviso dalle aziende, nel proteggere le merci, ha portato alla volontà di indagare su tutti i fattori che concorrono alla protezione delle merci stesse. Al fine di sviluppare un modello FEM per analizzare tali fenomeni, verranno analizzati i risultati dell’esperienza di tirocinio presso Aetna Group, le prove sperimentali svolte al Technology Lab e i dati provenienti da collaborazioni con l’Università di Bologna. L’insieme pallet verrà implementato tramite il software ANSYS® AIM Student: partendo dalla caratterizzazione del corpo fardello, si ricaveranno i coefficienti d’attrito statico tra le superfici di contatto e saranno valutate le forze di compattazione generate dal film estensibile.

La finalità di tesi è riuscire a creare un modello agli elementi finiti che permetta di indagare il più accuratamente possibile la risposta di palo battuto in un terreno drenato sottoposto a trazione.

L’Arco d’Augusto di Rimini rappresenta da sempre il monumento simbolo della città; ha visto ogni periodo storico, dei quali riporta tuttora i segni in modo visibile. L’alto valore storico, culturale ed artistico che l’Arco porta con se merita di essere valorizzato, conservato e studiato. E’ stato realizzato un rilievo fotogrammetrico del monumento romano e una successiva analisi strutturale mediante la tecnica F.E.M. Il rilievo è stato eseguito con la moderna tecnica digitale non convenzionale, la quale ha permesso di comprendere quanto essa sia in grado di soddisfare le varie esigenze di rilievo nell’ambito dei Beni Culturali. Nel primo capitolo si affrontano le tematiche relative al rilievo dei Beni Culturali, si concentra poi l’attenzione sul settore della fotogrammetria digitale. Il secondo capitolo è dedicato interamente alla storia dell’Arco d’Augusto, riportando tutti i rilievi dell’Arco realizzati dal Medioevo ad oggi. Il terzo capitolo riporta la serie di restauri che l’Arco riminese ha subito nel corso dei secoli, fra cui i due grandi interventi di restauro: il primo eseguito nel 1947 dall’Ing. Rinaldi G., il secondo nel 1996-98 per opera dell’Arch. Foschi P.L. Nel quarto capitolo si parla di come la tecnica fotogrammetrica si presti molto bene all’analisi e al controllo delle deformazioni strutturali. Il capitolo cinque è dedicato al rilievo topo-fotogrammetrico dell’oggetto, affrontato in tutte le sue fasi: ricognizione preliminare,progettazione ed esecuzione delle prese. Il sesto capitolo affronta l’elaborazione dei dati mediante il software PhotoModeler Pro 5. Nel settimo capitolo si confronta il presente rilievo con l’ortofoto realizzata nel 1982 dall’Arch. Angelini R. Il capitolo otto riporta alcune informazioni al riguardo della geomorfologia della zona limitrofa all’Arco. Nell’ultimo capitolo si descrive l’impiego del software agli elementi finiti Straus7 per creare ed elaborare il modello numerico dell’Arco.

Il lavoro proposto consiste nella progettazione di una doppia pedana dinamometrica per lo studio del cammino a regime. Il progetto si pone, inoltre, l’obiettivo di progettare la pedana senza l’ausilio di celle di carico commerciali. Gli aspetti analizzati sono sia riguardanti i materiali sia la fisica necessaria per l’acquisizione di segnali di deformazione. Per quanto riguarda i materiali si è deciso di utilizzare per il TOP un pannello sandwich honeycomb in alluminio e per i POST cilindri cavi anch’essi in alluminio. Per l’acquisizione si è optato per estensimetri resistivi. Una volta ottenuto, dalla teoria, gli elementi base del progetto si è passati ad uno studio agli elementi finiti, tramite l’utilizzo di COMSOL Multiphysics, passando prima per l’omogeneizzazione del core alveolare. Si è fatta un’analisi modale per la determinazione della frequenza di risonanza ed una statica per risolvere il problema elastico. Infine si è ottenuta la matrice di calibrazione del sistema la quale dà risultati ragionevolmente positivi.

Il metodo agli elementi finiti è stato utilizzato per valutare la distribuzione dei carichi e delle deformazioni in numerose componenti del corpo umano. L'applicazione di questo metodo ha avuto particolare successo nelle articolazioni con geometria semplice e condizioni di carico ben definite, mentre ha avuto un impatto minore sulla conoscenza della biomeccanica delle articolazioni multi-osso come il polso. Lo scopo di questo lavoro è quello di valutare gli aspetti clinici e biomeccanici dell’articolazione distale radio-ulnare, attraverso l’utilizzo di metodi di modellazione e di analisi agli elementi finiti. Sono stati progettati due modelli 3D a partire da immagini CT, in formato DICOM. Le immagini appartenevano ad un paziente con articolazione sana e ad un paziente con articolazione patologica, in particolare si trattava di una dislocazione ulnare traumatica. Le componenti principali dei modelli presi in considerazione sono stati: radio, ulna, cartilagine, legamento interosso, palmare e distale. Per la realizzazione del radio e dell’ulna sono stati utilizzati i metodi di segmentazione “Thresholding” e “RegionGrowing” sulle immagini e grazie ad operatori morfologici, è stato possibile distinguere l’osso corticale dall’osso spongioso. Successivamente è stata creata la cartilagine presente tra le due ossa, attraverso operazioni di tipo booleano. Invece, i legamenti sono stati realizzati prendendo i punti-nodo del radio e dell’ulna e formando le superfici tra di essi. Per ciascuna di queste componenti, sono state assegnate le corrispondenti proprietà dei materiali. Per migliorare la qualità dei modelli, sono state necessarie operazioni di “Smoothing” e “Autoremesh”. In seguito, è stata eseguita un’analisi agli elementi finiti attraverso l’uso di vincoli e forze, così da simulare il comportamento delle articolazioni. In particolare, sono stati simulati lo stress e la deformazione. Infine, grazie ai risultati ottenuti dalle simulazioni, è stato possibile verificare l’eventuale rischio di frattura in differenti punti anatomici del radio e dell’ulna nell’articolazione sana e patologica.

Allo stato dell’arte i processi di manifattura additiva, date la complessità dei fenomeni fisici coinvolti e la numerosità dei parametri di processo impostabili, sono ancora caratterizzati da considerevole incertezza, tanto da vedere ancora applicato il metodo “try and error” per l’ottenimento della qualità finale desiderata. Nei processi di produzione tradizionali, tuttavia, tale metodologia è stata spostata dall’ambiente reale a quello virtuale grazie all’impiego di software per la simulazione agli elementi finiti, il cui utilizzo non ha solamente ridotto notevolmente i sia i costi che i tempi di progettazione, ma ne ha anche reso possibile l’ottimizzazione, dando vita al “Design for Manufacturing”. Recentemente la tecnica di simulazione ha mosso i primi passi nel mondo della fabbricazione additiva: scopo principale di questo elaborato è quello di indagarne le attuali potenzialità, mettendone in luce punti di forza e lacune. Oggetti di studio di questo elaborato sono stati la previsione e la compensazione delle deformazioni di un componente stampato con tecnologia SLM (Selective Laser Melting). L’analisi dello stato tenso-deformativo del pezzo da produrre è stata realizzata con un software commerciale, Simufact Additive, specializzato nella simulazione dei processi di Additive Manufacturing a letto di polvere, con il quale è stato possibile impostare tre tipologie di simulazione: meccanica, termica e termomeccanica. Per ciascuna di queste sono stati analizzati diversi ambiti, fra cui i più significativi sono risultati essere quello delle tensioni residue e quello delle distorsioni superficiali. Con particolare riferimento a quest’ultimo, i risultati ottenuti dalle simulazioni appaiono molto incoraggianti. Si può concludere che, sebbene ancora lontani dai risultati raggiunti nelle lavorazioni tradizionali, la simulazione dei processi Additive si stia muovendo rapidamente per colmare il gap, e risulti già applicabile in ambito industriale.

Attraverso il programma agli elementi finiti Abaqus, è stato modellato un sistema composto da massetto-adesivo-piastrelle al fine di determinare le prestazioni e la durabilità di una piastrellatura sottoposta a definiti livelli di sollecitazione. In particolare è stata eseguita un’analisi parametrica per comprendere se il meccanismo di collasso, caratterizzato dal distacco delle piastrelle dal massetto, dipenda dai parametri geometrici del sistema e dalle proprietà meccaniche. Il modello è stato calibrato ed ottimizzato per rispondere alle esigenze del CCB (Centro Ceramico Bologna, area disciplinare della scienza e tecnologia dei materiali), che tramite una convenzione con il dipartimento DICAM - Scienze delle costruzioni, richiede, per garantire la durabilità dell’installazione, l’interpretazione dei seguenti punti: - Influenza di un aumento del formato delle piastrelle; - Influenza di una riduzione dello spessore della fuga; - Influenza delle caratteristiche meccaniche dei materiali costituenti i diversi elementi; per esempio aumento della deformabilità dello strato di supporto oppure altro tipo di massetto, sigillante o adesivo. La richiesta dello studio del comportamento meccanico di rivestimenti ceramici deriva dal fatto che sul mercato si stanno sviluppando delle piastrelle ceramiche molto sottili e di dimensioni sempre più grandi (come ad esempio la tecnologia System-laminam), di cui non si conosce a pieno il comportamento meccanico. Il CCB cerca di definire una norma nuova e specifica per questo tipo di lastre, in cui sono indicati metodi di misura adatti e requisiti di accettabilità appropriati per lastre ceramiche sottili.

Le fratture fragili del collo del femore rappresentano un grave problema sociosanitario, in via di aggravamento a causa dell’aumento dell’età media e dell’aspettativa di vita. Il verificarsi di tale evento dipende da più fattori: la frequenza con la quale si verificano cadute, la gravità delle stesse e lo stato di salute del paziente, in particolare la resistenza meccanica delle sue ossa e il suo grado di controllo neuro-motorio. Negli ultimi anni gli strumenti di analisi e stima della resistenza meccanica del femore basati su modelli agli elementi finiti hanno raggiunto un tale livello di maturità da prospettarne l’utilizzo nel contesto di “in silico trials”, ovvero la simulazione virtuale di sperimentazioni cliniche e precliniche. In questo studio si è sviluppato un modello stocastico in grado di simulare la sperimentazione clinica di nuovi trattamenti per l’osteoporosi. Questo comprende più sotto modelli in grado di simulare il processo di invecchiamento, determinare stocasticamente le cadute che si verificano in una certa popolazione in un determinato orizzonte temporale e l’entità delle forze che agiscono sul grande trocantere. In particolare, le cadute sono state generate a partire da una distribuzione di Poisson e le forze sono state stimate attraverso un modello stocastico multiscala. La tesi si è concentrata su aspetti metodologici e procedurali, nell’ottica di sviluppare un modello che permettesse agevolmente la variazione dei parametri associati alla caduta, dotato di buone robustezza ed applicabilità. È stato verificato come la discretizzazione nel dominio del tempo del rimodellamento osseo non influisca significativamente nella determinazione delle fratture; inoltre, il modello si è dimostrato capace di fornire risultati stabili in modo computazionalmente efficiente. La validazione dei risultati del modello, invece, ha dato risultati non soddisfacenti, per cui sarà necessario procedere in futuro a un’attenta calibrazione dei parametri del modello.

L' argomento principale della tesi è il calcolo del valore della trasmittanza termica lineare di un ponte termico balcone-solaio isolato termicamente da un giunto termico. Dopo una prima definizione di ponte termico, segue un’analisi dei vari metodi utilizzati per smorzare gli effetti provocati. Per ricavare questo valore sono state analizzate e seguite le linee guida definite nelle normative di riferimento. E' stato utilizzato il software TRISCO, strumento digitale utilizzato per l’analisi termica dei componenti edilizi, con il quale verranno analizzati otto modelli di balcone a sbalzo differenziati nella stratigrafia della parete, balcone e la presenza o meno del giunto termico. Si concluderà con un confronto tra i risultati ottenuti dall’ analisi dei vari modelli proposti ed una verifica termoigrometrica sullo spigolo parete-solaio evidenziando l’efficacia ed i benefici derivanti dall’utilizzo di un giunto termico proponendo il metodo migliore di isolamento termico da adottare su edifici esistenti e di nuova costruzione.

I materiali compositi come polimeri rinforzato con fibra di carboniosono spesso utilizzati in molti campi industriali, specialmente dove una progettazione volta alla riduzione del pesoè la prerogativa per estrarre performance da conmponenti strutturali, alcuni esempi sono campo automotive, aerospaziale, o equipaggiamenti sportivi. Riguardo i materiali compositi, una delle loro caratteristica più rilevante è l'anisotropia. Se da un lato questa caratteristica viene intelligentemente utilizzata per ottenere un rapporto performance/peso ragguardevole, dall'altro non bisogna sottovalutare la complessa valutazione del loro stato tensionale. Il presente contributo si occupa della valutazione della componente normale dell'interlaminar stress nei laminati curvi in materiale composito soggetti a forze esterne. anche se queste componenti dello stato tensionale sono di solito più piccole rispetto alle loro controparti nel piano, la limitata resistenza adesiva delle interfacce tra le lamine è causa di delaminazioni, specialmente in laminati curvi, ciò comporta una riduzione della rigideza e della resistenza delle componenti strutturali, ed anche un aumento della probabilità di rottura o il bisogno di una sostizione prematura del componente. Al giorno d'oggi, durante la fase di progettazione, si fa spesso ricorso a modelli agli elementi finiti per valutare il comportamento a rigidezza e resistenza delle componenti in composito. i modelli shell agli elementi finiti sono spesso utilizzati su componenti in composito a causa della loro efficienza computazionale e flessibilità di modellazione con in aggiunta una discreta accuratezza in termini di risultati riguardanti gli spostamenti e la stima degli stress nel piano. Ma la formulazione shell agli elementi finiti trascura ilcontributo dell'interlaminar Normal Stress (ILNS) all energia interna e alla caratterizzazione dello stato tensionale. Una buona stima di come si presenta lo stato tensionale interlaminare di un componente in composito si può ottenere con modelli solidi FE o con modelli misti 2D/3D, on con l'utilizzo di elementi o superfici coesivi. Tuttaviaun modello sviluppato per l'utilizzo nel post-processing e implementato con elementi shell lineari potrebbe rappresentare una buona opportunità di mantenere la complessità di un modello FE a livelli ragionevoli. Il modello sotto esame per ricavare l' ILNS richiede informazioni riguardanti le curvature del componente che possono essere ottenute da un modello shell agli elementi finiti. Questo modello è applicato ad un test di flessione a quattro punti che viene tipicamente usato per valutazioni rigrado l'ILNS su provini in composito. i risultati sperimentali sono messi a confronto con il modello per la valutazione dell'ILNS e un modello solido agli elementi finiti. Inoltreè stata studiata l'applicabilità del modello su casi più complessi come un'ala anteriore di Formula Uno. Un primo test consiste in un caricamento statico dell'ala ed infine è stato valutato un caso di carico dinamico con l'ausilio di un'analisi Modal Transient.
Composite materials as carbon fiber reinforced polymer are often used in many industrial fields, specially where lightweight design is the prerogative to extract performance from structural components, some examples are automotive, aerospace, or sports equipment structures. Anisotropy is the main feature of composites materials, on one side this property is cleverly used to obtain a remarkable performance/weight ratio on, but on the other side there's a complex stress state to evaluate. The present contribution deals with the evaluation of the normal component of interlaminar stress in curved composite laminates subject to remote loads. Although those stress components are usually smaller than their in-plane counterparts, the comparably limited adhesion strength of the interlaminar interfaces causes the experience of delaminations, specially in curved laminates, resulting in reduced stiffness and strength of the structural component, and even a higher probability of failure or need for premature component substitution. A Finite Element (FE) model is nowadays usually required during the design phase in order to evaluate composite components behavior by a stress and stiffness point of view. Shell finite elements models are often used for composite components due to their computational efficiency and modeling flexibility mixed with discrete accuracy in terms of displacements results and in-plane stresses estimation. Nevertheless, the customary shell finite element formulation neglects the contribution of the Interlarminar Normal Stress (ILNS) component to internal energy and to the stress state characterization. A good estimation of what is the interlaminar stress state of a composite component could be obtained with solid FE models, or mixed 2D/3D FE models, or cohesive elements and surfaces. But a model developed for post-processing and implemented with linear shell element types may represent a good opportunity to maintain the FE model complexity at reasonable levels. The model for the evaluation of ILTS under investigation requires information about curvatures that can be obtained by a simple shell FE model, and it is applied on a four point bending test case which is usually adopted for ILNS evaluation of composite components. The experimental results and the model results are compared and a solid FE model is added to the comparison. Furthermore, the applicability of the model on a more complex matrix is investigated, using as a case study a Formula One front wing. A test case consisting in a static loading is evaluated and also a dynamic load case involving a modal transient analysis.

Lo scopo principale di questa tesi è lo studio delle sollecitazioni meccaniche in una scocca in materiale composito per un veicolo solare, in particolare, si è proceduto alla realizzazione del modello CAD della struttura resistente tenendo conto delle dimensioni reali del veicolo. Attraverso l'utilizzo di Ansys sono state svolte preliminarmente tre simulazioni, tramite l'analisi agli elementi finiti, con materiale isotropo allo scopo di verificare il corretto funzionamento del modello CAD realizzato. L'aspetto più importante della tesi è stato l'utilizzo del ACP di Ansys, tool dedicato all'analisi di componenti in materiale composito, per effettuare l'analisi FEM della struttura resistente del Cruiser considerando le situazioni più critiche dal punto di vista strutturale, ossia, l'impatto superiore e laterale. Il lavoro di tesi si conclude con l'analisi dei risultati ottenuti da cui si evince che la condizione più critica per la struttura è l'impatto superiore, in cui le tensioni massime a trazione ed a compressione sono maggiori rispetto al caso dell'impatto laterale.

Il tema della tesi è lo studio della torre campanaria della chiesa di San Michele Arcangelo, sita in Novi di Modena. Tale struttura ha subito notevoli danni nel corso degli eventi sismici del 2012 che hanno coinvolto l’Emilia–Romagna, danni tali da rendere inagibile il campanile e la chiesa stessa. Il tema, affrontato come esercitazione all’interno del laboratorio progettuale e, contestualmente, come tesi di laurea, è stato sviluppato a partire dalle consuete operazione di ricerca storica e rilievo, quest’ultimo reso difficoltoso dall’inaccessibilità della torre campanaria, a causa del crollo dei solai intermedi. Una volta raggiunta una sufficiente conoscenza del manufatto, è stato possibile iniziare l’analisi del quadro fessurativo ed il confronto con i sei modelli di danno, tipici delle torri campanarie isolate, i quali fanno riferimento, esplicitamente, ai cinematismi. Terminata l’analisi, si è passati alla realizzazione ed al raffinamento di un modello agli elementi finiti, che permettesse di riprodurre il più fedelmente possibile il comportamento reale della torre campanaria. La possibilità di impiegare un modello agli elementi finiti, nell’ambito di un’analisi modale, è riconosciuta dal DPCM 66 / 2011, al paragrafo 5.2.3, con le dovute accortezze del caso, trattandosi sempre di un modello virtuale che, pur fedele che sia, non potrà mai riprodurre le peculiarità e l’eterogeneità materica dell’elemento reale. Una volta definito il modello, è stato possibile dedicarsi al fine ultimo della tesi, ovvero il confronto tra i risultati ottenuti mediante l’analisi dei modelli di danno e l’analisi agli elementi finiti. Infine, ma non meno importante, l’aspetto progettuale: seguendo le indicazioni del prof. Ing. Angelo Di Tommaso, si è scelto di realizzare una struttura reticolare all’interno del fusto del campanile, in modo da fornire resistenza alle azioni taglianti, caratteristica al momento assente, trattandosi di una struttura interamente in muratura.

Obiettivo principale di questa tesi è stato effettuare scelte di tipo ingegneristico nell’ambito della progettazione di un carrello di nuova concezione per il miglioramento e realizzazione di una macchina avvolgitrice industriale automatica performante per linee di produzione anch’esse automatizzate. Lo studio è stato concluso definendo in maniera essenziale ed esaustiva mediante realizzazione di un modello tridimensionale utilizzando il programma di disegno tecnico al calcolatore "SolidWorks", l’aspetto della macchina avvolgitrice comprendente il carrello svolgibobina movimentato da un veicolo commerciale di derivazione sportiva dalle dimensioni ridotte radiocontrollato a distanza e da una struttura circolare su cui quest’ultimo è libero di ruotare avvolgendo il pallet. Le velocità raggiunte da tale carrello (~ 64 giri/min) sono da considerarsi ampiamente al di sopra di quelle raggiungibili con modelli di avvolgitrici di equiparabili dimensioni e caratteristiche. Essendo le dimensioni del dispositivo svolgibobina, anch'esso commerciale (dato di progetto), leggermente inferiori e ben centrate rispetto a quelle del kart impiegato come carrello per il suo trasporto, ne consegue un elemento unico dotato di un’eccellente stabilità in fase rotativa.

L’obiettivo del presente studio è realizzare modelli numerici che siano di supporto per l’analisi dei fenomeni termici e strutturali relativi alla progettazione e alla realizzazione delle saldature: tale attività si suddivide a sua volta nello studio del numero e della velocità delle passate, delle potenze termiche messe in gioco, della corretta rappresentazione del comportamento del materiale, della scelta e posizionamento dei vincoli, della valutazione delle distorsioni e tensioni finali della giunzione ecc. Questa attività di studio si è avvalsa del codice agli elementi finiti ANSYS Release 11 rivelatosi idoneo a rappresentare la saldatura TIG e laser. I risultati delle elaborazioni numeriche sono stati confrontati con i dati sperimentali registrati nei laboratori ENEA. Tali prove sperimentali di saldatura testa a testa tra due piastre in INCONEL 625 sono quelle previste nell’ambito della progettazione del tokamak IGNITOR, una macchina per lo studio della fusione nucleare. In via preliminare sono state effettuate alcune considerazioni di carattere generale relative agli aspetti fisici del fenomeno, alla sua classificazione ed alla normativa corrispondente.
The aim of the current study is to carry out numerical models that can support the analysis of thermal and structural phenomenon related to the design and realization of welding: this activity is divided in turn in the study of the number and the speed of passes, the thermal powers involved, the correct representation of the material behaviour, the choice of the restraints’ placement, the evaluation of the final strains and stresses in the joint and so on. This study activity has made use of Ansys Release 11 finite element code that has been revealed suitable to represent TIG and laser welding. The results of numerical calculations have been compared with the experimental data recorded in the ENEA laboratories. These butt-welding experimental tests between two plates of INCONEL 625 are the ones planned in the field of the design of IGNITOR tokamak, a machine for the nuclear fusion study. In a preliminary way some general considerations have been developed relative to the physical aspects of the phenomenon, its classification and the corresponding rules.

Nella tesi si è descritto un set-up innovativo per le prove di laboratorio di taglio-compressione e se ne è fatta una simulazione mediante il metodo agli elementi finiti al fine di effettuare analisi non lineari. Il modello utilizzato è stato calibrato usando come riferimento prove di laboratorio già effettuate al fine di verificarne la validità. Si è poi analizzato il comportamento del set-up di prova al variare dei principali parametri meccanici e geometrici: modulo elastico, resistenza a compressione e lunghezza di base del pannello oggetto della prova. Si sono inoltre effettuate analisi al variare della tensione di precarico iniziale e del processo di carico con cui vengono applicati i carichi verticali nel corso delle prove. Mediante questa tesi vengono fornite metodologie per l'organizzazione delle prove di taglio-compressione e risultati utili a comprendere le dinamiche di prova.

Viene analizzata l’accuratezza di tre diversi modelli di sonda geotermica, che possono essere utilizzati per simulare l’evoluzione nel tempo della temperatura media del fluido entro la sonda: il modello Finite Cylindrical Source (FCS), quello Finite Line Source (FLS), e un recente modello proposto dal ricercatore Louis Lamarche (Lamarche, L., International Journal of Heat and Mass Transfer, 91, 2015, 800–807). Dapprima viene analizzata l’accuratezza del modello di Lamarche, nel breve termine, periodo più critico, confrontando l’evoluzione nel tempo della temperatura media del fluido che si ottiene con questo modello con quella ottenuta utilizzando la geometria reale. L’analisi è effettuata con simulazioni 2D agli elementi finiti, con carico termico costante nel tempo, per una durata di 100 ore. I risultati mostrano una eccellente accuratezza del modello, in tutti i casi considerati. Quindi viene analizzata l’accuratezza dei modelli FCS e FLS per la simulazione di una sonda geotermica lunga 100 m operante a carico termico costante per 10000 ore. Lo studio è eseguito con simulazioni 2D assialsimmetriche agli elementi finiti. I risultati mostrano scostamenti considerevoli dal modello di Lamarche nelle prime ore di funzionamento. Infine, si verifica se gli errori rilevanti trovati nel breve termine con i modelli FCS e FLS perdurano per tutto il periodo considerato nella simulazione, nei casi di simulazioni orarie con carico termico variabile a scalini. I risultati mostrano che, se il carico termico presenta oscillazioni orarie rilevanti, gli errori di simulazione restano rilevanti per tutto il periodo. Poiché le simulazioni con il modello di Lamarche richiedono circa lo stesso tempo di calcolo di quello impiegato con i modelli più semplici, si suggerisce di utilizzare tale modello nelle simulazioni orarie di sonde geotermiche.

I collegamenti bullonati sono sicuramente tra le tipologie di collegamento più diffuse. Il progetto sviluppato nasce dal confronto con una realtà aziendale presso cui negli anni si sono susseguiti diversi progettisti, i quali hanno nel tempo implementato diversi metodi di calcolo per la verifica delle giunzioni bullonate presenti sui loro prodotti. Ciò ha comportato ad una progettazione dei componenti molto differenziata tra i diversi casi, fortemente legata alla memoria storica delle aziende che nel tempo ha acquisito alla quale si applica un metodo basato sulla verifica. L’obiettivo che ci si è proposti di raggiungere è di unificare il metodo di calcolo utilizzato per la progettazione delle giunzioni bullonate con riferimento alle norme che costituiscono lo stato dell’arte in materia. Lo strumento sviluppato per raggiungere tale obiettivo è un software di calcolo che automatizzi il processo di progettazione di una giunzione bullonata a partire dalla conoscenza sommaria della geometria del giunto e delle azioni agenti sullo stesso e permetta di ottimizzare agevolmente la giunzione agendo su parametri di progettazione unificati. L’algoritmo di calcolo utilizzato è derivato da quello in uso presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Bologna e prosegue nel rispetto della norma VDI 2230. Il calcolo viene poi verificato secondo le norme VDI 2230, EN 13001 e secondo Eurocodice 3. Il software sviluppato è quindi validato sia attraverso approccio analitico, sia attraverso analisi agli elementi finiti attraverso una campagna di test.

La sostituzione totale d’anca è uno degli interventi chirurgici con le più alte percentuali di successo. Esistono due varianti di protesi d’anca che differiscono in base al metodo di ancoraggio all’osso: cementate (fissaggio tramite cemento osseo) e non cementate (fissaggio tramite forzamento). Ad oggi, i chirurghi non hanno indicazioni quantitative di supporto per la scelta fra le due tipologie di impianto, decidendo solo in base alla loro esperienza. Due delle problematiche che interessano le protesi non cementate sono la possibilità di frattura intra-operatoria durante l’inserimento forzato e il riassorbimento osseo nel periodo di tempo successivo all’intervento. A partire da rilevazioni densitometriche effettuate su immagini da TC di pazienti sottoposti a protesi d’anca non cementata, sono stati sviluppati due metodi: 1) per la valutazione del rischio di frattura intra-operatorio tramite analisi agli elementi finiti; 2) per la valutazione della variazione di densità minerale ossea (tridimensionalmente attorno alla protesi) dopo un anno dall’operazione. Un campione di 5 pazienti è stato selezionato per testare le procedure. Ciascuno dei pazienti è stato scansionato tramite TC in tre momenti differenti: una acquisita prima dell’operazione (pre-op), le altre due acquisite 24 ore (post 24h) e 1 anno dopo l’operazione (post 1y). I risultati ottenuti hanno confermato la fattibilità di entrambi i metodi, riuscendo inoltre a distinguere e a quantificare delle differenze fra i vari pazienti. La fattibilità di entrambe le metodologie suggerisce la loro possibilità di impiego in ambito clinico: 1) conoscere la stima del rischio di frattura intra-operatorio può servire come strumento di guida per il chirurgo nella scelta dell’impianto protesico ottimale; 2) conoscere la variazione di densità minerale ossea dopo un anno dall’operazione può essere utilizzato come strumento di monitoraggio post-operatorio del paziente.

Questa tesi descrive vari metodi sviluppati per la previsione della marea a Venezia. Alcuni di essi sono funzionanti all'Istituzione Centro Previsioni e Segnalazioni Maree (ICPSM) del comune di Venezia e all'Istituto Superiore per la Protezione e la Ricerca Ambientale (ISPRA) di Roma, mentre altri non sono ancora in fase operativa, ma solo di sviluppo. In particolare la tesi descrive l'applicazione di un modello agli elementi finiti al Mar Mediterraneo, ad alta risoluzione nel Mar Adriatico e all'interno della laguna veneta. Il modello è stato validato e si sono compiuti alcuni lavori per migliorare la qualità delle forzanti. Si sono poi sviluppati dei metodi di assimilazione locale di dati, detti di post-processing, in grado di migliorare le previsioni giornaliere del livello marino sfruttando le osservazioni effettuate il giorno precedente. Uno di questi metodi è basato sull'utilizzo di una rete neurale, mentre un altro su di un filtro di Kalman unidimensionale. Infine si è testato l'utilizzo di campi di vento di ensemble per forzare il modello e si è sviluppato e validato il codice aggiunto del modello idrodinamico. Il codice prodotto permetterà la creazione di un sistema di assimilazione dati basato sulla tecnica del 4D-Var. I risultati evidenziano come l'accuratezza iniziale del modello sia migliorata, grazie all'applicazione delle procedure di post-processing, per tutti gli anticipi di previsione. In particolare per il primo giorno di previsione si ha un'accuratezza doppia rispetto a quella iniziale, e paragonabile ai modelli statistici in uso al Centro ICPSM. Inoltre il sistema mantiene una buona capacità predittiva fino a 5 giorni di distanza. La deviazione standard degli scarti, del modello operativo al Centro ICPSM, ha un valore medio di circa 4.7 cm per il primo giorno di previsione e arriva ad un massimo di circa 9 cm al quinto giorno.
This thesis describes the application of a finite elements model to the Mediterranean Sea and the Venice lagoon to predict the sea level in Venice. Moreover, several local data assimilation methods have been developed. These methods use sea level observations to improve the local forecast. In a non-operational context, ensemble wind forecast fields have been used to force the model, and the adjoint code of the model has been created and validated. This will allow the creation of a 4D-Var system. Results show improvements due to the data assimilation procedures. In the first forecast day the accuracy is double with respect to the model without data assimilation. The system is able to maintain good forecast skills up to 5 days in advance. The standard deviation of the differences has a value of 4.7 cm for the first forecast day and reaches a maximum value of 9 cm for the fifth day.

The goal of this thesis was the study of the cement-bone interface in the tibial component of a cemented total knee prosthesis. One of the things you can see in specimens after in vivo service is that resorption of bone occurs in the interdigitated region between bone and cement. A stress shielding effect was investigated as a cause to explain bone resorption. Stress shielding occurs when bone is loaded less than physiological and therefore it starts remodeling according to the new loading conditions. µCT images were used to obtain 3D models of the bone and cement structure and a Finite Element Analysis was used to simulate different kind of loads. Resorption was also simulated by performing erosion operations in the interdigitated bone region. Finally, 4 models were simulated: bone (trabecular), bone with cement, and two models of bone with cement after progressive erosions of the bone. Compression, tension and shear test were simulated for each model in displacement-control until 2% of strain. The results show how the principal strain and Von Mises stress decrease after adding the cement on the structure and after the erosion operations. These results show that a stress shielding effect does occur and rises after resorption starts.

In questo lavoro di tesi si è implementato un modello anisotropo per la turbolenza nel codice di calcolo agli elementi finiti FEMuS, in modo da sopperire alle mancanze derivanti dall'assunzione di Boussinesq per quanto riguarda il tensore degli sforzi di Reynolds e del flusso termico turbolento. Entrambe queste grandezze sono state implementate attraverso modelli algebrici espliciti e il codice così sviluppato è stato utilizzato per simulare il moto turbolento oltre un gradino con parete riscaldata per una corrente di sodio liquido. La bontà dei risultati è stata validata attraverso il confronto con diverse simulazioni DNS e sperimentali per la medesima configurazione.

Il seguente elaborato propone un'analisi e un'ottimizzazione del carrello di atterraggio del velivolo Cessna 337-Skymaster. L'ottimizzazione è stata fatta cercando materiali da costruzione diversi con l'obiettivo principale di ridurre il peso di tutto il carrello e andando, poi, ad analizzare tramite un'analisi statica il loro comportamento sotto il carico massimo. Il materiale di partenza del carrello di atterraggio è l'acciaio AISI 4130, mentre per l'ottimizzazione è stata scelta la lega di titanio Ti-6Al-4V e un materiale composito in fibra di carbonio a matrice epossidica. Dato che non si disponeva di disegni tecnici del carrello di atterraggio, sono state impiegate tecniche di reverse engineering per acquisire la geometria e le caratteristiche del pezzo in esame, utilizzando un laser scanner e i software dedicati.

L’oggetto della tesi è lo studio dell’effetto dell'interazione terreno-struttura e della risposta di sito sul comportamento dinamico di viadotti continui a più campate, sviluppato sia sperimentalmente tramite misure di vibrazioni ambientali sia numericamente, tramite modelli raffinati agli elementi finiti. A tal fine, sono state eseguite prove di vibrazione ambientale su un ponte multi-campata, fondato su pali in un deposito eluviale-colluviale, caratterizzato dinamicamente da indagini geofisiche. Le proprietà modali sperimentali sono state valutate mediante l'analisi modale operativa sui dati misurati e il ruolo dell'interazione terreno-struttura nell'interpretazione dei test è stato riscontrato mediante modelli agli elementi finiti caratterizzati da diversa accuratezza nella modellazione delle fondazioni e dell’interazione con il terreno. Le impedenze tra fondazioni e terreno sono state definite a partire dalla condizione locale del sito in corrispondenza di ciascuna pila. Il confronto tra i risultati sperimentali ottenuti dalle prove sul terreno e sull’impalcato consente di identificare sia il periodo predominante del sito che i periodi fondamentali della struttura. Inoltre, il confronto tra i risultati ottenuti dai diversi modelli numerici con la risposta dinamica del viadotto, consente l'identificazione del contributo di diversi aspetti di interazione tra terreno e struttura come l’interazione tra le pile, il problema della dissipazione per radiazione, l'ingombro della zattera e la variabilità della stratigrafia del suolo lungo la direzione longitudinale del viadotto. Sono state eseguite alcune prove in corrispondenza di una pila del viadotto per identificare il contributo allo spostamento modale trasversale dovuto alla deformazione elastica delle pile e alla rotazione della fondazione. In aggiunta, vengono presentati altri due casi studio di viadotti con caratteristiche diverse al precedente, allo scopo di ampliare lo studio dell’interazione terreno-struttura.
The scope of this thesis is to identify the significance of soil-structure interaction (SSI) and site response on the dynamic behaviour of continuous multi-span reinforced concrete viaducts, based on ambient vibration tests (AVTs) and numerical simulations with finite element models. For this purpose, a long bridge located in Central Italy, founded on piles in eluvial-colluvial soil deposit was instrumented and AVTs together with geophysical investigations were performed. Experimental modal properties were evaluated by means of operational modal analysis on recorded data and the role of SSI in the interpretation of the tests was detected by means of finite element models characterised by different accuracy in addressing the interaction problem. In the SSI models the local site condition in correspondence with each bridge piers were considered in the definition of soil-foundations impedances. Comparison between the experimental results obtained from AVTs on the free-field and on the viaduct deck, permits the identification of both predominant period of the site and the fundamental periods of the structure. In addition, comparisons between results obtained from the different numerical models with the measured dynamic response of the viaduct, in terms of fundamental frequencies and mode shapes, allow the identification of the contribution of different SSI aspects such as the pile-soil-pile interaction, the radiation problem, the pile cap embedment as well as the variability of the soil stratigraphy along the longitudinal direction of the viaduct. About the transverse behaviour, some tests were performed in correspondence with one pier, measuring accelerations of the foundation cap and the pier bent, to identify the contribution to the transverse modal displacement due to the elastic deflection of the pier and the foundation rocking. In addition, other two viaducts, with different characteristics respect to the previous one, were presented, for extending the study of SSI.

2013/2014
Nella presente tesi si sono analizzate le principali problematiche relative alla modellazione non lineare delle strutture composte intelaiate in zona sismica. Nella prima parte si sono esaminati in dettaglio i criteri attualmente adottati nella progettazione classica delle strutture intelaiate composte acciaio-calcestruzzo, facendo principalmente riferimento alle indicazioni sismiche fornite dall’Eurocodice 8. Successivamente si è affrontato il tema della progettazione del giunto composto, a questo proposito si è definito un iter progettuale con una procedura semplificata passo-passo utilizzando un software sviluppato in Excel. Tale software è stato sviluppato con lo scopo principale di facilitare la progettazione dei giunti saldati e flangiati indicando i passi e le verifiche da eseguire fino all’ottenimento della risposta in termini di momento-rotazione. La procedura di progettazione è stata poi validata sulla base di un test sperimentale per entrambi i giunti. Nel terzo capitolo è stata affrontata la tematica relativa alla modellazione non lineare della struttura con riferimento ad un telaio multipiano oggetto di studio di ricerca presso l’università del Sannio. Le non linearità del telaio si sono modellate prima attraverso l’uso di cerniere rigido-plastiche e in un secondo momento attraverso molle elasto-plastiche unite alla trave ed alla colonna con dei tratti rigidi. Sono stati forniti tutti i dettagli per una corretta modellazione e uso con il software agli elementi finiti Sap2000 al fine di condurre una analisi statica non lineare di “Pushover”. Per meglio comprendere i reali meccanismi che si vengono a realizzare in prossimità delle zone nodali, si è considerata la modellazione solida 3D agli elementi finiti facendo riferimento al software Abaqus/CAE. Anche in questo caso è stata presentata una procedura di modellazione passo-passo, atta a rendere semplice anche questo tipo di analisi. La modellazione 3D è stata applicata sia alla tipologia di giunto saldato che a quello flangiato. In particolare, si sono analizzati a fondo i modelli di materiale impiegati, studiando la derivazione dei parametri che ne governano il loro comportamento. Si sono inoltre introdotte diverse tecniche di modellazione delle interazioni tra gli elementi che compongono il giunto. Sulla base dei risultati dei test sperimentali condotti presso l’Università Federico II di Napoli, è stato validato il modello agli elementi finiti solidi proposto. L'analisi della risposta numerica ottenuta, sotto un carico monotono si è dimostrata coerente con l’inviluppo della risposta ciclica sperimentale, sia per le risposte locali che per quelle globali. Questo tipo di modellazione si è inoltre dimostrata in grado di predire adeguatamente anche i fenomeni di instabilità locale che avvengono nelle fasi finali di comportamento del giunto. In conclusione, si può affermare che la tesi qui sviluppata può costituire un primo punto di partenza per la progettazione sismica delle strutture composte acciaio-calcestruzzo, argomento particolarmente complesso e articolato. Inoltre, il fatto che il modello numerico agli elementi finiti di tipo solido sviluppato si sia dimostrato particolarmente affidabile per lo studio di questo tipo di strutture, può fare propendere per un suo ampio utilizzo nello sviluppo preliminare di nuovi prototipi di giunti composti.
XXVII Ciclo
1969

Negli ultimi anni è stato dimostrato che la tecnica di rinforzo Near Surface Mounted (NSM) rappresenta una valida alternativa ai metodi di rinforzo convenzionali, come le fasciature esterne (metodo Externally Bonded). Potenzialità, vantaggi ed applicazioni sono stati studiati negli ultimi 20 anni cercando di ottimizzare il sistema ed i parametri che lo influenzano. È interessante approfondire il tema sia dal punto di vista statico, evidenziando la non validità dell’ipotesi di conservazione delle sezioni piane, che si manifesta a causa dello scorrimento tra FRP e resina, che per semplicità non viene mai preso in considerazione dai modelli analitici proposti in letteratura, che dal punto di vista dinamico, che consente di analizzare l’andamento delle frequenze proprie di vibrazione, per monitorare l’efficacia del rinforzo e come agisce il grado di danneggiamento. Durante questo lavoro di ricerca sono state effettuate prove statiche e dinamiche su campioni di travi in cemento armato rinforzati con barre in CFRP e GFRP mediante tecnica NSM. Lo scopo del progetto è proprio quello di analizzare gli effetti delle differenti tipologie di rinforzo applicate. Le prove statiche a flessione sono consistite nell’applicazione di cicli di carico e scarico, questi test hanno consentito di definire il comportamento dei campioni di trave anche in presenza di fessurazione del calcestruzzo e di individuare diversi livelli di danno. Dopo ogni step di carico sono state effettuate le prove dinamiche in vibrazione libera che hanno consentito di osservare come agisce il rinforzo. Sono stati osservati anche i modi di rottura delle travi. Le risposte del campione non rinforzato sono quindi state confrontate con quelle dei campioni rinforzati, il comportamento è stato analizzato anche attraverso dei modelli teorici. Infine, è stato sviluppato un modello agli elementi finiti dei campioni di trave in modo da validare i risultati ottenuti sperimentalmente.
The Near-Surface Mounted (NSM) strengthening technique has proven, in recent years, as a valid alternative to the conventional strengthening methods, like the externally bonded (EB) technique. In the last two decades its potential and its advantages, as well as its applications, has been studied, trying to optimize the construction system and the parameters that influence it. However, it is interesting to deepen the topic both in static, highlighting the non-conservation of the flat section, due to the bond-slip effect between FRP rod and resin, which, for simplification has never been taken into consideration by analytical models proposed in literature, both in dynamic key, which allows, by studying the trend of proper frequencies of vibration, to understand the effectiveness of the reinforcement and how different types of damage affect it. Therefore, in this research work, static and dynamic tests were performed on RC beams strengthened with NSM CFRP and GFRP rods, which still need to be investigated. The aim of the research is to analyze the effects of different types of strengthening. Bending tests with cycles of loading until failure are carried out, these tests allowed to define the behavior of beam specimens, even in presence of damage, and to generate different damage degrees, due to cracking of concrete. At each step of load, dynamic analysis, by free vibration test, allows monitoring the effectiveness of the reinforcement at different damage degrees. Failure modes of beam models are also analyzed. A comparison between the responses of the unreinforced and reinforced models is presented; the behavior of beam specimens was also analyzed by theoretical models. In the end, a finite element analysis of beam models has been developed, in order to validate the results obtained by the experimental research.

We investigate the dynamics of scalar and vector fields on closed surfaces through the use of numerical algorithms adapted from the literature or freshly developed. The aim of this study is the creation and numerical integration of models for phase separation, pattern formation and emergence of orientational order on biological membranes, as well as the dynamical evolution of the shape of vesicles. We find mechanisms that explain curvature-induced arrest of phase separation, localisation of patterns within certain regions of the membrane; we explore the parameter space of an elastic model of bicomponent vesicles and finally we set up a numerical model to study the time evolution of a nematic fluid on spherical geometry consistent with the expected behaviour of the field.
In questa tesi studiamo le dinamiche di campi scalari e vettoriali su superfici chiuse tramite algoritmi numerici adattati dalla letteratura o sviluppati in mdo originale. Lo scopo di questo studio è la creazione e integrazione numerica di modelli per la separazione di fase, formazione di pattern ed emergenza di ordine orientazionale su membrane biologiche, e l'evoluzione dinamica della forma di vescicole. Abbiamo definito meccanismi per spiegare l'arresto della separazione di fase indotto dalla curvatura, la localizzazione di pattern in determinate regioni della membrana; abbiamo esplorato lo spazio dei parametri di un modello elastico per vescicole bicomponenti e infine abbiamo costruito un modello numerico per studiare l'evoluzione temporale di un fluido nematico su geometria sferica consistente con il comportamento atteso del campo.