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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 vulnerabilitĂ 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'integritĂ 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. Lâeffetto della
corrosione rende la struttura piĂš 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 nonlinearitĂ geometriche e
dei materiali, infatti, influenzano la risposta dei ponti di grande luce e, di
conseguenza, anche la massima capacitĂ portante. Le nonlinearitĂ dei materiali
derivano dal legame sforzo-deformazione dei materiali, mentre le nonlinearitĂ
geometriche sono dovute allâeffetto âsagâ 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 lâanalisi 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 dâirrigidimento e i piloni.
Per quanto riguarda la definizione della configurazione geometrica
iniziale, viene elaborata una metodologia di progettazione per lâottimizzazione 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 quantitĂ di acciaio e massimizzare le performance strutturali
sotto lâazione 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 piĂš 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
lâazione 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 nellâambito 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, lâinfluenza 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. Eâ 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 plasticitĂ per deformazioni finite. Nel quadro della non
linearitĂ geometrica, dal momento che il modello strutturale di base agli
elementi finiti riproduce i grandi spostamenti e lâeffetto "sag" dei cavi, che
viene riprodotto per mezzo di un approccio multi truss element, sono agiunti
ulteriori contributi per riprodurre lâeffetto di interazione sforzo normalemomento
flettente presente nelle pile e nella trave di irrigidimento. L'analisi si
basa su unâanalisi nonlineare al passo. PoichĂŠ 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 capacitĂ di carico del
comportamento nonlineare del materiale nonchĂŠ dei parametri geometrici e
strutturali.UniversitĂ 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. 2011UniversitĂ 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. 2015-2016UniversitĂ degli Studi della Calabria
Processi di salvaguardia e valorizzazione dell'identitĂ 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. 2015-2016UniversitĂ 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. 2013UniversitĂ 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. 2006UniversitĂ 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. 2007-2013UniversitĂ degli Studi della Calabri
Sistemi informativi geografici per lâanalisi multicriterio nellâottimizzazione delle prestazioni di una linea di trasporto pubblico locale
Dottorato di Ricerca in "Ingegneria dei Materiali e delle Strutture" Ciclo XXVII, a.a. 20014UniversitĂ 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 Ď-Îľ curve for the material was determined and the experimental data
were approximated using Ramberg-Osgood and Hollomonâs constitutive models.UniversitĂ 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 allâinterno 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 dellâinterfaccia 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, allâinterno del quale `e stato altres`Äą 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 unâanalisi 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. Lâevoluzione 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. Allâinterno del capitolo
4 `e stato descritto lâalgoritmo utilizzato per lâintegrazione 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 unâanalisi 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 lâaccuratezza e lâaffidabilit`a del modello teoricoUniversitĂ degli Studi della Calabri