2011 Cassino - IGF XXI

La salvaguardia delle strutture e dei beni appartenenti al patrimonio storico artistico rivestono un ruolo fondamentale nella gestione socio-culturale di un paese, in particolare delle strutture più antiche che necessitano di maggiori attenzioni. A partire da monumenti di interesse religioso ed artistico quali chiese e basiliche, eremi ed abbazie, ad antiche infrastrutture come ponti e acquedotti o mura perimetrali, fino a concludere con strutture civili più moderne comunque di interesse architettonico. Per tutte queste, processi di degrado dovuti all’azione del tempo, quindi ad agenti naturali, e all’intervento dell’uomo, portano ad un graduale deterioramento e al danneggiamento, comportando a volte, nei casi di strutture/costruzioni, un grave rischio di collasso e quindi di perdita definitiva di beni dal valore inestimabile. Tutto questo rende inevitabili una regolare manutenzione ed interventi di riparazione. La pratica, negli anni (nei secoli) ha evidenziato come molto spesso la valutazione delle condizioni dello stato di salute di un’opera nonché la scelta degli strumenti migliori per gli interventi di riparazione siano resi ancora più difficili dalla mancanza di una documentazione che descriva le tecniche di lavorazione ed i materiali impiegati nella realizzazione dell’opera stessa. A sopperire alle lacune nella documentazione originale può intervenire un adeguato sistema di monitoraggio del manufatto in grado di verificarne le condizioni di salute strutturale anche in tempo reale e che permetta di ottimizzare le fasi di conservazione e riparazione. Restando nell’ambito delle costruzioni, la conoscenza precisa del comportamento di una struttura, in tempo reale, è di notevole importanza anche dal punto di vista della salvaguardia delle strutture circostanti, a garanzia della vita delle persone che le frequentano giornalmente (chiese, musei, ecc). Infatti la salvaguardia delle opere ed edifici di interesse storico-artistico può essere quindi vista sia come tutela del patrimonio culturale in se, sia come garanzia dell'incolumità dei fruitori degli stessi. Un adeguato sistema di monitoraggio dovrebbe lavorare nelle stesse condizioni dell’opera che sta controllando, essere soggetto allo stesso ambiente più o meno aggressivo ed agli stessi eventi atmosferici. Dovendo convivere con l’opera stessa si dovrebbe rendere praticamente invisibile, per non alterarne l’aspetto e la funzionalità. I sensori in fibra ottica, in particolare i cosiddetti sensori a reticolo di Bragg, FBG (Fiber Bragg Grating), risultano, essere in questo caso, la soluzione ideale. Le loro caratteristiche intrinseche, quali l’immunità alle interferenze elettromagnetiche, la resistenza alle aggressioni chimiche ambientali, la quasi totale assenza di perdite di segnale di trasmissione a lunga distanza e la stabilità della misura nel tempo, la moltiplicabilità (multiplexing) dei sensori su una singola catena di fibra e soprattutto le dimensioni molto ridotte, li rendono particolarmente adatti a lavorare per la salvaguardia di beni storico/artistici. Il presente lavoro vuole proporre un sistema di sensori FBG, come valido strumento di indagine non distruttiva e come strumento di ottimizzazione della manutenzione periodica e degli interveti di restauro per le più disparate applicazioni nell'ambito dei beni culturali. Nella prima parte verranno presentate le caratteristiche fondamentali dei sensori FBG e i principi di funzionamento, nella seconda verranno presentati i risultati di due applicazioni; la prima su statue di bronzo, sulle quali sono state rinvenute, in fase di restauro, delle fessurazioni, e la seconda su una cinta muraria di epoca romana sulla quale erano presenti delle crepe critiche che potevano metterne a rischio l’integrità.

Numerosi sono i materiali impiegati per la realizzazione di protesi interne ortopediche. Tra questi grande uso viene fatto del titanio e delle sue leghe in virtù delle sue caratteristiche chimico fisiche. Questi materiali sono infatti leggeri, resistenti, amagnetici, chimicamente inerti nel particolare ambiente che è il corpo umano. In questo lavoro si presenta lo studio del cedimento di una protesi spinale realizzata in titanio utilizzata come supporto nel processo di saldatura di una lesione vertebrale. Questa protesi è stata rimossa a seguito di un improvviso cedimento che ha richiesto la sua sostituzione. Con tecniche di microscopia ottica ed elettronica sono state effettuate analisi metallografiche sul materiale ed analisi frattografiche sulla superficie di frattura, inoltre sono stati effettuati test meccanici per valutare la resistenza della protesi stessa. I risultati sono stati confrontati con analoghi test eseguiti su di una protesi spinale di diversa provenienza

The aim of the present paper is to systematically investigate the accuracy of the so-called Modified Wöhler Curve Method (MWCM) in estimating fatigue lifetime of engineering components damaged by in-service variable amplitude multiaxial load histories. In more detail, the MWCM, which is a bi-parametrical critical plane approach, postulates that initiation and Stage I propagation of fatigue cracks occur on those material planes experiencing the maximum shear stress amplitude (this being assumed to be always true independently from the degree of multiaxiality of the applied loading path). Further, the fatigue damage extent is hypothesised to depend also on the maximum stress perpendicular to the critical plane, the mean normal stress being corrected through the so-called mean stress sensitivity index (i.e., a material constant capable of quantifying the sensitivity of the assessed material to the presence of superimposed static stresses). To extend the use of the above criterion to those situations involving variable amplitude loadings, the MWCM is suggested here as being applied by defining the critical plane through that direction experiencing the maximum variance of the resolved shear stress: since the resolved shear stress is a monodimensional quantity, stress cycles are directly counted by the classical Rain-Flow method. In the present investigation, the overall accuracy of the MWCM in estimating high-cycle fatigue strength was checked through several experimental results taken from the literature and generated, under variable amplitude multiaxial fatigue loading, by testing plain samples of commercial steels. Such systematic validation exercise allowed us to prove that the MWCM is highly accurate, resulting in estimates falling within the error scatter bands associated with the experimental data used to calibrate the method itself.

In the present work, Finite Fracture Mechanics (FFM) is applied to investigate the brittle fracture behaviour of rounded V-notched structures subjected to mode I loading. According to the criterion, fracture does not propagate continuously, but by finite crack extensions, whose value is determined by the contemporaneous fulfilment of a stress requirement and an energy balance. Consequently, the crack advance becomes a structural parameter. By assuming the apparent generalized stress intensity factor as the governing failure parameter, as expected within brittle structural behaviour, the expression for the apparent generalized fracture toughness as a function of the material properties as well as of the notch opening angle and the notch radius is achieved. FFM predictions are compared with those provided by other theoretical approaches based on a critical distance and with experimental data available in the Literature, showing a good agreement.

A high-cycle multiaxial fatigue criterion, based on a combined critical point method-critical plane approach, is used to estimate the multiaxial endurance limit in notched metal structural components. Accordingly, the position of the critical point and the orientation of the critical plane (plane where fatigue strength assessment has to be performed) are determined on the basis of some pseudo-isostatic lines related to the stress fields experiencing, at each material point, the maximum principal stress in the loading cycle. Some experimental results related to holed steel specimens subjected to in-phase and out-of-phase axial and torsional loading are analysed. The comparison between experimental results and theoretical values determined through the above criterion is instrumental in highlighting the notch size-effect (as the hole diameter varies) under uniaxial and biaxial far-field stress conditions as well as the effect of the loading phase.

Under extreme seismic conditions, engineering structures experience small numbers of very large displacement cycles. Reinforcing bar steel properties under very large displacement cycle loading can be studied by means of low cycle fatigue (LCF) test. In this study, we developed a low cycle fatigue testing system, which enables to study the low cycle fatigue strength of concrete reinforcing steel bars in the extreme large strain field; under such conditions the number of reversal to failure is well below one hundred cycles. A further advantage of this system is represented by the fact that the specimen is subjected to bending deformation. The obtained extremely low cycle fatigue (ELCF) strength for B450C (FeB44k) steel ribbed bars was compared with the results from smooth bars in order to assess the effect of ribs on the extremely low cycle fatigue behavior; further smooth bars were also subjected to heat treatments different from Tempcore, or surface modified by shot peening or by atmospheric corrosion.

La disponibilità del modello di zona coesiva in molti softwares commerciali di analisi ad elementi finiti permette di simulare con facilità la delaminazione di materiali compositi ovvero la decoesione di giunti incollati in condizioni di carico quasi-statiche e impulsive. Riguardo alla propagazione di difetti a fatica invece, la metodologia tipicamente disponibile in software commerciali si basa sulla VCCT (Virtual Crack Closure Technique) per il calcolo del tasso di rilascio di energia, che viene quindi utilizzato direttamente dal software stesso per il calcolo della velocità di propagazione del difetto. In questo articolo si vuole confrontare questa tecnica con il modello per la simulazione della propagazione a fatica di difetti basato sulla zona coesiva sviluppato in precedenza dagli autori e implementato nel software agli elementi finiti ABAQUS. Il confronto avverrà sia dal punto di vista della accuratezza del calcolo che della sua velocità.

Nel presente articolo è proposto un nuovo apparato sperimentale per l’esecuzione di prove di flessione su provini SEN-B. Tale apparato è caratterizzato dalla presenza di supporti inclinati in luogo dei canonici appoggi, sui quali scorrono dei perni solidamente connessi alle estremità del provino. L’adozione degli appoggi inclinati riflette l’esigenza di indurre uno stato di tensione persistente nella porzione di provino contenente il ligament, in modo tale da modificare la distribuzione di tensione nominale rendendola più simile a quella agente in una condotta interrata interessata dalla propagazione di una frattura. La manipolazione dei dati sperimentali ottenuti con il nuovo apparato è accuratamente riportata nell’articolo. I dati sperimentali proposti sono condotti in modalità quasi-statica, ma la procedura sperimentale proposta è applicabile anche a prove di flessione dinamica

Lo scopo del presente lavoro è di studiare l’influenza delle variabili microstrutturali e della tenacità a frattura sul comportamento tribologico di due rivestimenti ceramici, Al2O3-13TiO2 e Cr2O3. Tali rivestimenti sono stati depositati mediante tecnica APS (Air Plasma Spray) su dischi in acciaio da cementazione. I riporti sono stati caratterizzati mediante analisi microstrutturali, misure di rugosità, valutazione di porosità, durezza e tenacità a frattura. Le prove di usura sono state eseguite in configurazione pin-on-disk secondo normativa ASTM G99-05 e utilizzando come controparte dei pin realizzati in acciaio cementato. In particolare, sono state considerate diverse condizioni di carico applicato, velocità di rotazione e umidità relativa. Sulla base dei risultati ottenuti è stata studiata la correlazione esistente tra la tenacità a frattura dei rivestimenti e il corrispondente comportamento tribologico. Le superfici usurate sono state inoltre analizzate mediante microscopia ottica ed elettronica a scansione al fine di evidenziare la tendenza alla formazione e propagazione di microcricche, in relazione alla microstruttura e alla tenacità a frattura del materiale.

I materiali FRP sono impiegati ormai correntemente per interventi di consolidamento e rinforzo di costruzioni civili esistenti, nei quali lamine di FRP, opportunamente disposte, vengono incollate sulla superficie esterna degli elementi strutturali da rinforzare. Il successo di tali interventi può essere tuttavia compromesso da fenomeni di delaminazione e distacco che, nel caso specifico delle strutture di calcestruzzo, può manifestarsi a diversi livelli, coinvolgendo le lamine di FRP, l’adesivo e/o gli strati superficiali del calcestruzzo. Nel presente lavoro affrontiamo il problema di una trave rinforzata con una striscia di FRP incollata all’intradosso, soggetta a coppie concentrate applicate alle sue estremità. Nel modello meccanico proposto la trave e la striscia di rinforzo sono modellate secondo la teoria delle travi classica, mentre l’adesivo e gli strati adiacenti sono modellati come un’interfaccia avente una legge costitutiva di tipo tri-lineare (elastico-softening-rottura). Il modello è descritto da un sistema di equazioni differenziali, dotato di opportune condizioni al contorno, che viene risolto analiticamente, ricavando espressioni esplicite per le principali grandezze di interesse (spostamenti, caratteristiche della sollecitazione, etc.). Il modello prevede per la trave rinforzata una risposta meccanica complessiva non lineare, articolata in più fasi: da quella elastica lineare a quella danneggiata, fino ad arrivare al completo distacco del rinforzo

In this paper, the phenomenon of intergranular fracture in polycrystalline materials is investigated using a nonlinear fracture mechanics approach. The nonlocal cohesive zone model (CZM) for finite thickness interfaces recently proposed by the present authors is used to describe the phenomenon of grain boundary separation. From the modelling point of view, considering the dependency of the grain boundary thickness on the grain size observed in polycrystals, a distribution of interface thicknesses is obtained. Since the shape and the parameters of the nonlocal CZM depend on the interface thickness, a distribution of interface fracture energies is obtained as a consequence of the randomness of the material microstructure. Using these data, fracture mechanics simulations are performed and the homogenized stress-strain curves of 2D representative volume elements (RVEs) are computed. Failure is the result of a diffuse microcrack pattern leading to a main macroscopic crack after coalescence, in good agreement with the experimental observation. Finally, testing microstructures characterized by different average grain sizes, the computed peak stresses are found to be dependent on the grain size, in agreement with the trend expected according to the Hall-Petch law.

Nel presente lavoro di ricerca sono state effettuate prove di trazione statica e prove di fatica per investigare il comportamento meccanico di provini realizzati in acciaio ad elevata resistenza AH36, largamente adoperato nelle costruzioni navali. E’ stato studiato anche l’effetto di concentrazione delle tensioni dovuto alla presenza di fori passanti circolari con diametro da 5 e 10 mm. La tecnica di correlazione delle immagini digitali è stata applicata per valutare l’andamento degli spostamenti durante le prove statiche. La versatilità di tale metodo rende possibile la valutazione di alcuni fenomeni di danneggiamento ed eterogeneità locali che difficilmente potrebbero essere osservati. La tecnica DIC (Digital Image Correlation), applicata sui provini con foro passante di diverso diametro, ha permesso di analizzare l’incremento delle deformazioni in prossimità del foro. L’andamento degli spostamenti è stato confrontato con quello ottenuto da simulazioni numeriche agli elementi finiti e con l’andamento delle temperature rilevate mediante la tecnica termografica. L’analisi teorica e numerica ha permesso, inoltre, di valutare in corrispondenza del foro il Volume Critico, definito come il volume di materiale sottoposto ad almeno il 95 % del valore della massima tensione agente. Successivamente sono state condotte prove di fatica sulle diverse tipologie di provini investigate per valutare la riduzione di resistenza a fatica per la presenza dei fori passanti e correlarla con i corrispondenti valori di Volume Critico.

This study addresses further developments of the evaluation procedure for J and CTOD in common fracture specimens based upon the -method. Very detailed non-linear finite element analyses for plane-strain models provide the evolution of load with increased load-displacement to define the relationship between plastic work and crack-tip driving force ( and CTOD) from which the -values are derived. Further analyses based on the load separation method are also conducted to define alternative -values against which factors evaluated from plastic work can be compared. The analyses reveal that -factors based on load-line displacement (LLD) are sensitive to plasticity changes at locations remote from the crack-tip region. Overall, the present results provide a strong support to use -based procedures in toughness measurements for conventional SE(T) fracture specimens.

We propose a construction of fatigue laws from cohesive forces models in the case of a crack submitted to a mode I cyclic loading. Taking the cumulated opening as the memory variable and the surface energy density associated with Dugdale's model, we explicitly construct the fatigue law which gives the crack growth rate by cycle dl/dN in terms of the stress intensity factor KI. In particular, we recover a Paris law with an exponent 4, when KI is small, the coefficient C being explicitly expressed in terms of the material parameters. Furthermore, the law can be applied in the full range of values of KI and can be extended to non simple cycles.

Following the first experimental results concerning the possibility to estimate the fatigue limit by quasi-static traction test, the authors give a physical explanation about the process of the failure of a specimen. It was put in evidence the link between the complete thermo-elastic phase under traction stress and the beginning of the punctual plastic deformation in the zone of the classic stress strain curve yet distant from the yield limit of the material. The tests carried out on the AISI 304 steel by thermal analysis, confirmed the good approximation between the values of the fatigue limit estimated by fatigue test and by the quasi-static test. The results shoed the importance of the thermo-analysis of the part of the stress-strain curve (distant from the yield point) where only in macroscopic terms the behavior is perfectly elastic

In the present work, a new model of the FRP-concrete or masonry interface, which accounts for the coupling occurring between the degradation of the cohesive material and the FRP detachment, is presented; in particular, a coupled interface-body nonlocal damage model is proposed. A nonlocal damage and plasticity model is developed for the quasi-brittle material. For the interface, a model which accounts for the mode I, mode II and mixed mode of damage and for the unilateral contact and friction effects is developed. Two different ways of performing the coupling between the body damage and the interface damage are proposed and compared. Some numerical applications are carried out in order to assess the performances of the proposed model in reproducing the mechanical behavior of the masonry material strengthened with external FRP reinforcements.

NiTi shape memory alloys (SMAs) are increasingly used in many engineering and medical applications, because they combine special functional properties, such as shape memory effect and pseudo-elasticity, with good mechanical strength and biocompatibility. However, the microstructural changes associated with these functional properties are not yet completely known. In this work a NiTi pseudo-elastic alloy was investigated by means of X-ray diffraction in order to assess micro-structural transformations under mechanical uniaxial deformation. The results have been compared with those obtained after complete shape recovery

Negli ultimi anni è sempre di più diventato importante valutare l’estensione della vita di un componente, o più in generale di una macchina o impianto, in esercizio. Tale discorso risulta cruciale nel caso di componenti per il settore energia, in cui il prolungamento della vita può portare forti benefici in termini di costi, ma deve essere supportato da una accurata valutazione dei rischi derivanti da un possibile disservizio (si pensi al dibattito sull’estensione della vita degli impianti nucleari [1]). La valutazione dell’integrità strutturale segue un approccio di tipo defect tolerance, ovvero si valuta la capacità della struttura di rimanere in esercizio considerando la presenza di difetti [2,3]. Tipicamente, partendo dalla conoscenza della dimensione del difetto massimo (per esempio attraverso ispezioni periodiche con controlli non distruttivi) si valuta il carico massimo sopportabile dalla struttura, oppure conoscendo i carichi massimi agenti si valuta la dimensione del difetto critico che porta a cedimento.