La prima linea di ricerca riguarda lo studio della risposta
elastostatica alla frattura di un mezzo omogeneo ed ortotropo con
un crack inclinato, in regime di carico biassiale all'infinito.
Vengono determinati lo stato tensionale e il campo di spostamenti
in prossimità dell'apice del crack. Si estendono al caso ortotropi
i criteri per lo studio dell'incipiente propagazione determinando
anche i domini di frattura.
La seconda linea di ricerca ha come obiettivo principale lo
studio dell'influenza di uno o più crack sul carico critico di
un'asta, considerando differenti condizioni di vincolo e posizioni
dei crack. Si assume che la presenza di un crack determini un
cambiamento della matrice delle rigidezze dell'elemento
strutturale
La terza linea di ricerca riguarda l'applicazione dei materiali
compositi (FRP) su strutture murarie. La ricerca ha lo scopo di
chiarire il ruolo dei giunti di malta e l'influenza dello stato di
compressione nella muratura nei fenomeni di
debonding.
La quarta linea di ricerca riguarda l'analisi di strutture
a telaio con elementi fessurati, in cui la profondità della fessura
e la sua posizione sono modellate come parametri aleatori. Per esse
viene effettuata l'analisi di affidabilità.
La quinta linea di ricerca riguarda l'analisi numerica di
strutture tipo piastra che presentano più di una posizione di
equilibrio stabile. Tali strutture, anche dette ‘morphing
structures', ammettono cambiamenti di forma radicali pur rimanendo
in campo elastico. Le applicazioni spaziano dai dispositivi
elettronici di tipo ‘deployable' (roll-up screens) a strutture in
grado di cambiare la loro forma per ragioni di efficienza
aerodinamica.
La sesta linea di ricerca riguarda la modellazione numerica di
strutture in muratura nell'ambito del Progetto Europeo SMooHS
(Smart Monitoring of Historic Structures -7th Framework Programme,
Project Reference 212939).
La settima linea di ricerca riguarda la diagnostica non
distruttiva delle strutture in muratura e calcestruzzo
armato.
L'ottava linea di ricerca riguarda l'applicazione delle nanotecnologie in ambito medico ed ingegneristico.
La linea di ricerca “Propagazione in modo misto di fessure in
lastre ortotrop”si inserisce nell'ambito della Meccanica delle
Frattura e della Fatica applicata ai materiali ortotropi. Tema
principale è lo studio della risposta elastostatica alla frattura
di un mezzo omogeneo ed ortotropo con un crack inclinato, in regime
di carico biassiale all'infinito. L'analisi del campo tensionale e
del campo di spostamenti viene effettuata considerando anche il
termine non singolare in prossimità dell'apice del crack,
osservando che per il caso generale di crack non allineato con le
direzioni di simmetria elastica, il termine non singolare è
presente in tutte le componenti dei suddetti campi. I criteri per
lo studio dell'incipiente propagazione del crack presenti in
letteratura, e formulati per il caso isotropo, si sono rivelati
inadeguati per l'applicazione al caso ortotropo, atteso il diverso
comportamento meccanico del materiale in base alla direzione
considerata. Di conseguenza si rende necessaria una riformulazione
dei suddetti criteri per poterli applicare al caso ortotropo. Di
particolare interesse è l'estensione ai materiali ortotropi del
criterio della massima tensione circonferenziale e la teoria della
densità di energia elastica. L'angolo di incipiente propagazione
viene studiato per un ampio intervallo di materiali ortotropi, e
con diverse condizioni di carico all'infinito, ponendo in evidenza
l'influenza del carico biassiale e dell'ortotropia sulla
diramazione. Sulla base dei criteri formulati per i materiali
ortotropi, si possono ricavare i domini di frattura in funzione del
rapporto tra la componente del carico ortogonale al crack e quella
collineare, individuando quale criterio a favore di sicurezza
quello della densità di energia elastica.
Il problema della stabilità dell'equilibrio di aste compresse è
ben noto fin dai tempi di Eulero che per primo si interessò di
questo fenomeno. Il carico critico viene ricavato per aste perfette
con diverse condizioni di vincolo ed anche in presenza di carichi
trasversali. L'influenza di imperfezioni (quali l'eccentricità del
carico) viene pure considerata, osservando che non si può più
parlare di un vero e proprio carico critico bensì è necessario
approfondire l'argomento studiandolo in regime di grandi
spostamenti. La presente ricerca prende in considerazione lo studio
dell'instabilità per aste fessurate. Si assume che la presenza di
una fessura all'intradosso o all'estradosso determini un
cambiamento nella matrice di rigidezza dell'elemento strutturale.
L'aumento di cedibilità viene modellata, localmente, introducendo
nell'asta – in corrispondenza della fessura – una molla rotazionale
priva di massa, la cui cedevolezza è legata all'energia di frattura
correlata con la formazione della fessura stessa. L'influenza di
uno o più crack sul carico critico viene studiata per aste con
differenti condizioni di vincolo e sezioni trasversali,
considerando anche diverse posizioni del crack all'interno della
trave. La valutazione della cedevolezza della molla rotazionale è
legata all'espressione degli Stress Intensity Factor, i quali
vengono determinati mediante a metodi approssimati, in particolare
seguendo l'approccio proposto da Nobile (2000). Un ulteriore
sviluppo della presente linea di ricerca riguarda lo studio
dell'instabilità flesso-torsionale di travi soggette a compressione
o inflesse.
L'impiego di materiali compositi fribrosi a matrice polimerica è
ormai divenuta pratica comune e consolidata nell'ambito del
rinforzo di strutture in c.a. L'efficacia del rinforzo è legata
alla possibilità di trasferimento del carico dal substrato al
composito. Una delle principali cause di inefficacia di tale
sistema di rinforzo è lo scollamento (debonding) o delaminazione
del composito dal calcestruzzo che avviene mediante la propagazione
in Modo-II di un crack all'interfaccia tra il composito e il
calcestruzzo. Per quanto riguarda l'applicazione della suddetta
tecnologia per il rinforzo di strutture murarie, la ricerca si è
sviluppata solo di recente e ancora vi sono diversi punti da
chiarire. Innanzitutto non è chiaro il ruolo dei giunti di malta.
Infatti la lunghezza di ancoraggio critica definita come la
lunghezza minima necessaria per ottenere il massimo carico
trasferibile all'interfaccia sembra essere leggermente superiore
all'altezza del mattone in laterizio. Ciò comporta che il
trasferimento del carico dal substrato al composito sia influenzato
dalla presenza dei giunti di malta. Un secondo aspetto da chiarire
è lo stato di compressione cui è sottoposta la muratura. Nel caso
di travi in c.a. da rinforzare, il lembo in cui applicare il
composito è generalmente quello teso ed inoltre opportuni
accorgimenti possono permettere di applicare il composito
scaricando preventivamente l'elemento strutturale. Nel caso di
elementi murari, invece, la presenza di uno stato di compressione
antecedente l'applicazione del composito deve essere tenuta in
debito conto.
L'approccio utilizzato per la caratterizzazione probabilistica
della risposta di strutture lineari elastiche a parametri incerti
può essere generalizzato alle strutture fessurate. La matrice di
deformabilità dell'elemento fessurato viene ottenuta come somma
della matrice di deformabilità dell'elemento considerato integro e
di una matrice di deformabilità dovuta alla presenza della fessura.
A causa delle inevitabili incertezze insite nella valutazione della
posizione e della profondità di una fessura, tali grandezze
sono definite in senso probabilistico modellandole come parametri
aleatori.
L'effetto delle incertezze dovute alla presenza della fessura viene
ricondotto a quello di distorsioni equivalenti che dipendono dalla
distribuzione delle tensioni. Nel caso di strutture staticamente
determinate viene ottenuta una soluzione analitica esplicita per la
risposta, mentre per strutture iperstatiche la risposta del sistema
è espressa attraverso un'espansione in serie. I risultati numerici
sono molto soddisfacenti e mostrano che è necessario considerare
soltanto pochi termini nella serie della risposta per ottenere
risultati accurati. Il metodo si mostra semplice e robusto anche
nel caso di ampia variabilità dei parametri aleatori (posizione e
profondità). Inoltre, l'approccio è efficiente anche nel caso di
strutture con più elementi fessurati, laddove i metodi di
risoluzione standard non riescono a rappresentare in modo accurato
la risposta strutturale. L'approccio è stato esteso al caso di
strutture lineari elastiche discretizzate per elementi finiti, con
particolare attenzione alle strutture tipo telaio. Molti dei
risultati ottenuti sono raccolti in atti di congressi
internazionali e riviste internazionali. Successivamente, il metodo
stocastico così messo a punto, è stato utilizzato per valutare
l'affidabilità delle strutture considerate. Infatti, i progettisti
sono spesso interessati al calcolo di quantili di variabili
aleatorie che possono caratterizzare la risposta strutturale (ad
esempio, lo spostamento). Questo obiettivo può essere perseguito
valutando i quantili direttamente sul campione prodotto
dall'analisi stocastica. Tuttavia, per una più completa indagine
statistica, tecniche di ‘smoothing' permettono di ottenere funzioni
densità di probabilità (PDF) più accurate. Dal momento che nei
problemi strutturali correnti non sono generalmente disponibili
informazioni sulla forma attesa della PDF, le distribuzioni a tre
parametri (ad esempio, la Weibull) risultano molto utili per la
loro versatilità. E' stato condotto un confronto critico tra i
risultati ottenuti attraverso diverse procedure di elaborazione di
dati statistici con lo scopo di valutare l'efficacia e la
versatilità dell'approccio stocastico sviluppato. L'estensione
dello studio al caso di strutture tridimensionali fessurate è stato
affrontato preliminarmente e necessita di ulteriori sviluppi.
La quinta linea di ricerca è sviluppata in
collaborazione con i Proff. S.D. Guest e K.A. Seffen
dell'Università di Cambridge e riguarda la modellazione numerica di
strutture a guscio multi-stabili. Tali strutture, anche dette
‘morphing structures', ammettono cambiamenti di forma radicali pur
rimanendo in campo elastico. Le applicazioni spaziano dai
dispositivi elettronici di tipo ‘deployable' (roll-up screens) a
strutture in grado di cambiare la loro forma per ragioni di
efficienza aerodinamica. In questo ambito, sono state
partcicolarmente sviluppate due tematiche principali. La
prima riguarda lo studio dell'effetto delle pretensioni sul
comportamento bistabile di strutture a guscio di tipo
‘tape-spring'. La seconda riguarda lo studio del
comportamento di piastre corrugate soggette a flessione. Per
‘tape-spring' si intende una porzione di guscio a direttrice
rettilinea e sezione trasversale ad arco di circonferenza. Tali
strutture non sono generalmente bistabili, ovvero non presentano
due stati di equilibrio stabile, ma lo possono diventare se
soggette a pretensioni. Tali pretensioni vengono fornite deformando
plasticamente il ‘tape-spring'. Ad esempio, una tecnica utilizzata
prevede di arrotolare il ‘tape spring' attorno ad una bobina
cilindrica per poi riportarlo in configurazione rettilinea.
Nell'ambito della modellazione numerica, tali pretensioni
possono essere simulate applicando un gradiente di temperatura
lineare lungo lo spessore. Attraverso un'indagine parametrica,
svolta per diversi valori di gradiente termico, è
possibile constatare che esiste un certo intervallo di
temperature, quindi di pretensioni, per cui il ‘tape-spring' è in
equilibrio con un momento esterno nullo in tre posizioni diverse.
Lo studio ha mostrato come una delle posizioni stabili corrisponde
ad una configurazione quasi rettilinea del ‘tape-spring',
caratterizzata da piccola curvatura, mentre l'altra è
caratterizzata da una curvatura elevata, per cui il ‘tape-spring' è
arrotolato. Analizzando l'energia di deformazione elastica, si nota
come in tali configurazioni l'energia presenta due minimi locali.
In altre parole, in funzione dello stato di pretensione, il
‘tape-spring' si arrotola ovvero tende ad aprirsi completamente per
raggiungere la configurazione di minima energia. Per quanto
riguarda la modellazione numerica di piastre corrugate soggette a
flessione, il gruppo di ricerca del Prof. Guest ha messo a punto un
modello analitico per descriverne il comportamento. Tale modello è
basato su alcune ipotesi semplificative: trascura gli effetti di
bordo e le condizioni di vincolo, inoltre ipotizza che durante la
flessione della piastra le corrugazioni rimangano archi di
circonferenza. Il fine della modellazione numerica, condotto
utilizzando il software ABAQUS, è stato quello di valutare
l'influenza delle ipotesi assunte dal modello analitico. I
risultati preliminari di questo studio hanno messo in evidenza i
limiti della formulazione analitica nel cogliere alcuni aspetti del
comportamento flessionale. La successiva fase di ricerca
consisterà nel modellare, attraverso il codice di calcolo,
l'effetto delle pretensioni su tali piastre. In questo caso, a
causa della geometria della piastra, l'utilizzo di un gradiente di
temperatura distribuito uniformemente non riesce a rappresentare in
modo adeguato l'effetto di uno stato di prestress indotto dal
procedimento meccanico. Infatti, tale gradiente ha un effetto
bi-direzionale che nel caso del ‘tape-spring' non influenza il
risultato in modo significativo, essendo la larghezza piccola in
confronto alla lunghezza. Per cui sarà necessario sviluppare
una differente procedura numerica per modellare correttamente le
pretensioni.
La linea di ricerca "Modellazione numerica di strutture in
muratura" riguarda l'analisi numerica di edifici storici in
muratura a supporto del monitoraggio di eventuali criticità tramite
sensori intelligenti wireless. Tale indirizzo di ricerca si
inserisce nell'ambito del Progetto Europeo SMooHS (Smart Monitoring
of Historic Structures -7th Framework Programme, Project Reference
212939).
La linea di ricerca riguardante la diagnostica non distruttiva
delle strutture in muratura e cemento armato ha come fine la
identificazione della resistenza di tali strutture, dedotta da
prove non distruttive attraverso l'impiego di reti neurali.
Nella ricerca riguardante le nanotecnologie, vengono analizzate le proprietà meccaniche di alcune nanoparticelle allo scopo di valutarne l'utilità in ambito medico ed ingegneristico. L'applicazione della meccanica della frattura si dimostra utile per determinare la resistenza a flessione di nanobeams.
