Advanced structural analyses of cable supported bridges

Doctoral Material and Structural Engineering, Ciclo XXVII, a.a. 2011-2014I ponti di grande luce sono strutture complesse che presentano un utilizzo ottimale dei materiali strutturali, caratteristiche estetiche e costruttive efficienti e bassi costi di manutenzione. A causa delle loro grandi dimensioni e delle diverse caratteristiche degli elementi strutturali, che sono essenzialmente la trave di irrigidimento, i piloni e il sistema dei cavi, i ponti di grande luce presentano diversi problemi che devono essere analizzati. Uno riguarda la definizione della configurazione iniziale della struttura. I ponti di grande luce, infatti, specialmente per lunghezze elevate, presentano un gran numero di cavi, che determinano strutture altamente iperstatiche. Come risultato, le forze di pretensione e le dimensioni delle sezioni trasversali dei cavi possono essere considerati come variabili di progetto che devono essere determinati. Un altro riguarda la valutazione della vulnerabilità strutturale nei riguardi di condizioni di carico estreme come il transito di carichi mobili o gli effetti prodotti da meccanismi di danneggiamento del sistema dei cavi, come la corrosione, che riducono fortemente l'integrità strutturale. Tali fenomeni producono significativi effetti di amplificazione dinamica in termini variabili tensionali e di spostamento. Tuttavia, gli effetti prodotti dall'azione dei carichi mobili o da meccanismi di danno non sono indipendenti. L’effetto della corrosione rende la struttura più sensibile all'azione di carichi mobili. D'altra parte, le vibrazioni indotte dal transito dei veicoli possono causare il deterioramento dei cavi per fatica o abrasione. Per queste ragioni, i problemi dei carichi mobili e dei meccanismi di danno dovrebbero essere studiati congiuntamente. L'ultimo è relativo agli effetti delle nonlinearità geometriche e dei materiali sul comportamento strutturale dei ponti. Le nonlinearità geometriche e dei materiali, infatti, influenzano la risposta dei ponti di grande luce e, di conseguenza, anche la massima capacità portante. Le nonlinearità dei materiali derivano dal legame sforzo-deformazione dei materiali, mentre le nonlinearità geometriche sono dovute all’effetto “sag” dei cavi, ai grandi spostamenti e ai fenomeni di interazione sforzo assiale-momento flettente che insorgono nella trave di irrigidimento e nei piloni (effetto beam-column). Obiettivo della presente tesi di dottorato è quello di sviluppare modelli strutturali avanzati per l’analisi delle problematiche dei ponti di grande luce precedentemente descritte. A tal fine, è si è fatto ricorso alla metodologia degli elementi finiti per riprodurre il comportamento strutturale dei principali ponti di grande luce. In particolare, è stata adottata una formulazione di tipo nonlineare geometrico, che ben si presta a riprodurre gli effetti delle vibrazioni locali dei cavi e i grandi spostamenti a cui sono soggetti la trave d’irrigidimento e i piloni. Per quanto riguarda la definizione della configurazione geometrica iniziale, viene elaborata una metodologia di progettazione per l’ottimizzazione delle forze di pretensione e per il dimensionamento delle sezioni trasversali dei cavi. La metodologia è data dalla combinazione del modello strutturale agli elementi finiti descritto in precedenza con una procedura di ottimizzazione iterativa. Tale procedura iterativa è utilizzata per ottimizzare la distribuzione delle forze di pretensione e le dimensioni delle sezioni trasversali al fine di minimizzare la quantità di acciaio e massimizzare le performance strutturali sotto l’azione di carichi di natura accidentale. In tale ambito, sono stati elaborati dei risultati per validare la metodologia proposta per mezzo di confronti con formulazioni presenti in letteratura. Inoltre, sono stati sviluppati risultati parametrici con riferimento a ponti di conformazione più complessa per verificare le regole di dimensionamento e per confrontare i ponti a configurazione mista sospesa strallata con le convenzionali configurazioni sospese e strallate. Inoltre, dettagliati risultati sono proposti con riferimento al caso dei ponti misti auto-ancorati sospesi strallati. Al fine di analizzare il comportamento strutturale di ponti di grande luce in presenza di meccanismi di danneggiamento del sistema dei cavi, sotto l’azione di carichi viaggianti, al modello agli elementi finiti sono aggiunte ulteriori formulazioni. In particolare, sono presi in considerazione gli effetti di accoppiamento flesso-torsionale della struttura da ponte e quelli associati ai contributi di carico e di massa derivanti dal sistema mobile. Inoltre, gli effetti di fenomeni di danneggiamento di elementi del sistema dei cavi, prodotti da preesistenti fenomeni di corrosione o rotture improvvise, vengono analizzati per mezzo di leggi esplicite in funzione del tempo, sviluppate nell’ambito della teoria della meccanica del danneggiamento. Inizialmente, le analisi hanno focalizzato l'attenzione sul comportamento dinamico di ponti strallati in presenza di rottura improvvisa di elementi costituenti il sistema dei cavi. In tale contesto sono proposti dei risultati ricavati da analisi sensitive delle variabili dei ponti di grande luce. In particolare, l’influenza dalle caratteristiche dei carichi mobili, delle tipologia dei piloni e dello scenario di danneggiamento sono studiati per mezzo di confronti tra configurazioni del ponte danneggiate e non danneggiate. Successivamente, viene analizzato il comportamento dei ponti misti strallati sospesi. E’ sviluppato uno studio parametrico sulla base di quattro scenari di danneggiamento che prevedono il danneggiamento degli stralli, dei pendini e del cavo principale. In particolare, al fine di evidenziare i vantaggi presentati dalla configurazione mista, vengono proposi dei risultati sotto forma di confronto con sistemi puri strallati e sospesi. I risultati sono espressi in termini di fattori di amplificazione dinamica delle tipiche variabili cinematiche e tensionali di progetto. Il problema della influenza sulla capacità massima di carico delle nonlinearità geometriche e del materiale è presentato con riferimento allo schema di sospensione strallato-sospeso auto-ancorato. Il comportamento non lineare del materiale della trave di irrigidimento e dei piloni è rappresentato da una raffinata formulazione agli elementi finiti che combina la teoria alla base del modulo tangente con un modello di cerniera plastica, mentre per i cavi viene adottata la teoria della plasticità per deformazioni finite. Nel quadro della non linearità geometrica, dal momento che il modello strutturale di base agli elementi finiti riproduce i grandi spostamenti e l’effetto "sag" dei cavi, che viene riprodotto per mezzo di un approccio multi truss element, sono agiunti ulteriori contributi per riprodurre l’effetto di interazione sforzo normalemomento flettente presente nelle pile e nella trave di irrigidimento. L'analisi si basa su un’analisi nonlineare al passo. Poiché il comportamento strutturale del ponte è fortemente influenzato dalle distribuzioni delle forze di pretensione del sistema dei cavi, come primo step viene determinata la configurazione geometrica iniziale del ponte sotto l'azione di carichi permanenti. I risultati sono finalizzati ad analizzare l'influenza sulla massima capacità di carico del comportamento nonlineare del materiale nonché dei parametri geometrici e strutturali.Università della Calabri

Problemi di delaminazione in ambito dinamico nei laminati multistrato in materiale composito

Dottorato di Ricerca in Ingegneria dei Materiali e delle Strutture, Ciclo XXIII, a.a. 2011Università della Calabri

<<Gli>> aspetti evolutivi della tecnologia del legno nella progettazione e realizzazione dell'edilizia residenziale

Scuola di Dottorato "Pitagora" in Scienze Ingegneristiche, Dottorato di Ricerca in Ingegnaria dei materiali e delle Strutture, Ciclo XXVIII, a.a. 2015-2016Università degli Studi della Calabria

Processi di salvaguardia e valorizzazione dell'identità mediterranea : conoscenza, recupero e riuso sostenibile dei centri storici minori della costa litoranea del Tirreno

Dottorato di Ricerca in Ingegneria dei materiali e delle strutture, Ciclo XXVIII, a.a. 2015-2016Università della Calabri

Fatigue and fracture behavior in nichel-titanium based shape memory alloys

Dottorato di Ricerca in Ingegneria dei Materiali e delle Strutture, XIX Ciclo, a.a. 2013Università della Calabri

Efficacia dei materiali compositi fibrorinforzati nel rinforzo strutturale di colonne in cemento armato

Dottorato di Ricerca in Ingegneria dei Materiali e delle Strutture, Ciclo XXII,a.a. 2006Università della Calabri

Formulazione, calibrazione e validazione di un modello di simulazione microscopica del deflusso veicolare

Dottorato di Ricerca in "Ingegneria dei Materiali e delle Strutture" Ciclo XXVI, a.a. 2007-2013Università degli Studi della Calabri

Sistemi informativi geografici per l’analisi multicriterio nell’ottimizzazione delle prestazioni di una linea di trasporto pubblico locale

Dottorato di Ricerca in "Ingegneria dei Materiali e delle Strutture" Ciclo XXVII, a.a. 20014Università della Calabriahttp://dx.doi.org/10.13126/UNICAL.IT/DOTTORATI/120

Caratterizzazione elasto-plastica mediante prove di trazione e interferometria speckle

Dottorato di Ricerca in Ingegneria dei Materiali e delle Strutture, XXIII Ciclo a.a. 2009-2010In the present work of thesis an experimental equipment for elasto-plastic characterization of engineering materials by tensile tests is presented. The stress state is imposed to the specimen by a testing machine fixed on the optical table and designed for optimizing the performance of a speckle interferometer. All three displacement components are measured by a portable speckle interferometer fed by three laser diodes of 50 mW, by which the deformations of small surfaces can be fully analyzed in details. The whole equipment is driven by control electronics designed and realized on purpose, by which it is possible to accurately modify the intensity of the illumination sources, the position of a PZT actuator necessary for applying phaseshifting procedure, and the overall displacement applied to the specimen. The experiments were carried out by a virtual instrument implemented in National Instrument LabVIEW environment, while the processing of the experimental data in Wolfram Mathematica environment. The thesis first reports some preliminary results obtained by a specimen subjected to 3D rigid body motions; the results showed a high accuracy and repeatability of the interferometer. Then, the whole experimental apparatus was employed for the elasto-plastic characterization of a high strength steel specimen. The σ-ε curve for the material was determined and the experimental data were approximated using Ramberg-Osgood and Hollomon’s constitutive models.Università della Calabri

Problemi di danneggiamento nei materiali compositi a fibra corta

Dottorato di Ricerca in Ingegneria dei Materiali e delle Strutture, XXI Ciclo, a.a. 2009Lo scopo del presente lavoro di tesi `e costituito essenzialmente da uno studio sperimentale e teorico dei fenomeni di localizzazione all’interno del materiale composito PA66: un materiale composito a matrice polimerica e fibre corte di vetro a dispersione random. La caratterizzazione del materiale `e avvenuta indagandone la risposta sperimentale sotto carico e le propriet`a meccaniche attraverso un metodo di identificazione inverso. Successivamente `e stato proposto un modello teorico in grado di simularne il comportamento sotto condizioni di carico simili a quelle sperimentali, e sono stati confrontati i risultati ottenuti nei due ambiti. I fenomeni di localizzazione nei materiali compositi sono da attribuire ai processi di degradazione generati dai cambiamenti microstrutturali. Tali cambiamenti sono responsabili di modalit`a di danneggiamento tipiche, provocate dalle degradazioni delle fibre, della matrice o dell’interfaccia tra la matrice e le fibre. Nel capitolo 1 `e stata illustrata la tecnica sperimentale utilizzata per le prove di laboratorio e la successiva analisi dei dati. Tale tecnica `e nota in letteratura come Correlazione delle Immagini Digitali e fa uso di strumenti avanzati per la ripresa, ad elevata frequenza, di immagini granulari sequenziali della superficie del campione sottoposto a prove meccaniche. La possibilit`a di integrare tali strumenti avanzati, che non richiedono il contatto con il corpo da indagare e metodologie computazionali capaci di sfruttare le potenzialit`a dei microcalcolatori attualmente disponibili, rende possibile misurare in maniera accurata tutte le grandezze cinematiche necessarie a descrivere il processo evolutivo del materiale fino al suo stato ultimo. Una sintesi dei metodi di identificazione inversi, disponibili in letteratura, `e stata discussa nel capitolo 2, all’interno del quale `e stato altres`ı descritto il metodo inverso utilizzato in questa tesi. Tale metodo `e integrabile nel contesto del metodo del GAP nelle equazioni costitutive. Nello stesso capitolo `e stata indagata la robustezza del metodo, conducendo un’analisi di ottimizzazione dei parametri di filtering. Il metodo di identificazione inverso `e stato implementato in un programma agli elementi finiti, per applicare la metodologia di identificazione ai risultati sperimentali ottenuti dalle 1 Sommario prove di laboratorio. La valutazione dei fenomeni di danneggiamento e di plasticit`a `e stata affrontata nel contesto della Meccanica del Danneggiamento Continuo, in cui il danneggiamento `e definito in funzione delle microfratture e dei vuoti presenti nel materiale. Nel capitolo 3 si riporta una descrizione del meccanismi di danneggiamento, introducendo componenti di degradazione intralaminare, ed ipotizzando una risposta isotropa del materiale. Le condizioni di formazione e di crescita delle microfratture sono state formulate attraverso un dominio di danneggiamento, la cui frontiera rappresenta la zona di separazione tra le parti elastica ed anelastica. L’evoluzione del danneggiamento `e stata descritta facendo uso di un approccio incrementale-iterativo basato sulla metodologia delle variabili interne. In particolare, al fine di stimare lo stato di danneggiamento nel materiale sono stati definiti opportuni domini di danneggiamento e leggi di evoluzione dipendenti da un numero minimo di parametri del materiale. La descrizione delle deformazioni plastiche fa uso di una formulazione associata, nella quale il dominio ed il potenziale di dissipazione sono rappresentati nel sistema di riferimento effettivo. In questo modo `e stato realizzato un accoppiamento, in senso termodinamico, tra i fenomeni di danneggiamento e di plasticit`a. All’interno del capitolo 4 `e stato descritto l’algoritmo utilizzato per l’integrazione delle equazioni relative al danneggiamento ed alla plasticit`a. Il modello costitutivo `e stato implementato per mezzo di una formulazione agli elementi finiti, per ottenere soluzioni compatibili con quelle sperimentali per geometria e condizioni di carico. I parametri introdotti nelle equazioni costitutive sono stati in parte ricavati dalle prove sperimentali ed in parte ricavati da un’analisi bibliografica. I risultati delle prove sperimentali, analizzati con la tecnica della correlazione delle immagini digitali sono stati riportati nel capitolo 5. In tale capitolo sono discussi i fenomeni di localizzazione, evidenziati dalle grandezze cinematiche misurate, ed i risultati della procedura di identificazione, tramite la quale `e stata effettuata anche una stima del danneggiamento subito dal materiale PA66 nel corso della prova monotona di carico. Nello stesso capitolo viene proposto un confronto tra i risultati sperimentali e quelli numerici, al fine di valutare l’accuratezza e l’affidabilit`a del modello teoricoUniversità degli Studi della Calabri