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Progetti di ricerca

 

Analisi dinamica e monitoraggio

L’analisi del comportamento dinamico delle strutture è molto importante dal momento che gli eventi naturali più gravosi (terremoto e vento) sono fenomeni che inducono sollecitazioni dinamiche sulle strutture caratterizzabili solamente attraverso un adeguato progetto di monitoraggio. Dai risultati di tali indagini è possibile trarre informazioni fondamentali per l’ingegnere strutturista che, attraverso modelli matematici e tecniche di calcolo sempre più avanzati, può fornire indicazioni sulle condizioni di vita utile della struttura e sugli eventuali interventi da effettuare. Da quanto ora detto risulta evidente l’ importanza dell’analisi dinamica delle strutture in modo particolare nel campo della salvaguardia dei beni monumentali e del patrimonio architettonico e culturale di cui il territorio siciliano è particolarmente ricco. Inoltre è importante considerare il Monitoraggio strutturale con tecniche non-distruttive per cui è possibile il rilevamento della presenza di micro o macro-fratture nei solidi e monitoraggio della loro propagazione tramite utilizzo di tecniche non distruttive quali il metodo delle Emissioni Acustiche (metodo passivo) ed il metodo ad Ultrasuoni (metodo attivo).

Analisi multi-scala con applicazioni a strutture periodiche.

Sviluppo di sistemi multi-scala per l’analisi computazionale di strutture costituite da materiale eterogeneo in cui è individuabile un elemento di volume rappresentativo di tipo periodico. Le analisi multi-scala contribuiscono ad una riduzione dei tempi di calcolo strutturale tramite una separazione delle scale di interesse. Nelle analisi si distinguono una scala macroscopica (dimensioni della struttura, la quale viene considerata come un continuo omogeneo) ed una scala mesoscopica (dimensioni dei costituenti, che sono modellati individualmente).

Biomeccanica tissutale e meccanobiologia

L’attività di ricerca in questo ambito è stata rivolta alla determinazione di modelli fisico-matematici capaci di descrivere il comportamento dei tessuti biologici e degli aggregati cellulari presenti nel parenchima di organi più complessi. A tale proposito sono stati sviluppati modelli previsionali del comportamento meccanico ereditario dei tessuti di collagene, più o meno mineralizzato, e di tessuti muscolari mediante applicazioni del calcolo differenziale frazionario. Lo studio degli aggregati cellulari, che sono coinvolti nel parenchima di organi più complessi è stato condotto mediante l’utilizzo della geometria frattale per la determinazione delle caratteristiche meccaniche dell’aggregato. Sono inoltre in fase di studio modelli dinamici predittivi del comportamento ereditario di membrane lipidiche cellulari e nucleari basati su evidenze sperimentali che mostrano la presenza di marcata ereditarietà della risposta membranale ortogonalmente al piano di membrana. Nell’ambito della meccanobiologia è stato sviluppato un modello predittivo dei tempi di endocitosi mediata fondato sul calcolo differenziale frazionario per la descrizione del moto dei recettori membranali verso i corrispondenti ligandi.

Calcolo differenziale stocastico

Nell’ingegneria Strutturale gran parte delle azioni dinamiche sulle strutture sono processi aleatori detti anche stocastici; a questa categoria appartengono i terremoti, le raffiche del vento ed il moto ondoso. La risposta strutturale a tali azioni è anch’essa un processo aleatorio. E deve quindi essere caratterizzata “probabilisticamente” attraverso gli strumenti propri del calcolo differenziale stocastico. Nonostante la vasta casistica in cui è possibile caratterizzare le sollecitazioni esterne come processi Gaussianio normali, talvolta per essere più rispondenti alla realtà fisica, si devono considerare non Gaussianio non normali. Nell’ambito dello studio di sistemi lineari e non lineari sollecitati da rumori bianchi normali e/o non-normali, vengono proposti dei metodi innovativi per la soluzione delle equazioni differenziali di Fokker-Planck o di Kolmogorov-Feller per descrivere il sistema in termini di funzione densità di probabilità dello spostamento.

Calcolo frazionario nello studio di travi continue a comportamento viscoelastico

Negli ultimi anni le moderne tecniche di produzione hanno permesso di ottenere dei materiali strutturali innovativi aventi delle caratteristiche meccaniche notevolmente superiori rispetto ai materiali classici usati generalmente nelle strutture, ne sono un esempio i materiali polimerici, i nanocompositi, i tessuti bioispirati, i sandwich compositi, i materiali multifase ecc.. Un caratteristica peculiare di questi materiali innovativi, che li contraddistingue dai materiali classici, è legata al fatto di non avere un comportamento perfettamente elastico. Infatti, tali materiali manifestano spiccati fenomeni differiti nel tempo dovuti alla loro natura viscoelastica. Per caratterizzare adeguatamente il comportamento viscoelastico occorre considerare legami costitutivi in cui lo stato di tensione è legato alla derivata frazionaria rispetto al tempo di ordine a delle deformazioni simulando un comportamento interpolante tra i due casi limite elastico e viscoso, in quanto a varia tra 0 ed 1 , restituendo il caso perfettamente elastico quando a=0 e perfettamente viscoso quando a=1. alla derivate frazionarie della deformazione. Quest'ultima tipologia di modello, chiamato modello viscoelastico frazionario, simulando in maniera efficace il reale comportamento meccanico dei materiali, rappresenta il modello innovativo più valido nello studio della risposta strutturale di sistemi continui.

Controllo delle vibrazioni

La tendenza verso l’impiego di materiali dotati di migliori caratteristiche di resistenza meccanica, unitamente all’impiego del metodo di calcolo agli stati limite, conduce alla realizzazione di strutture sempre più snelle e deformabili per le quali quindi, la riduzione delle vibrazioni costituisce sicuramente una sfida importante. Uno degli obiettivi principali di ricercatori e progettisti, nell’ambito dell’ingegneria strutturale è, dunque, lo studio per la progettazione di dispositivi innovativi che inducano una riduzione delle vibrazioni strutturali per effetto dei carichi dinamici come il vento o il sisma.

Meccanica computazionale

• Impiego del Metodo degli Elementi di Contorno, nella sua formulazione simmetrica. Inoltre è stato redatto un codice di calcolo, chiamato Karnak.sGbem e che è in fase di aggiornamento continuo, al fine di potere eseguire simulazioni numeriche nei vari campi della meccanica:

• • Approccio per sottostrutture;
  • Valutazione dell’energia in un sottospazio.
  • Frattura dei materiali fragili;
  • Meccanica della frattura coesiva nei materiali quasi fragili;
  • Analisi limite ed a shakedown;
  • Analisi elasto-plastica incrementale associata al problema di contatto- distacco.

 

• Analisi di solidi sollecitati a taglio e torsione con il metodo LEM (line elementless method):

Il problema di solidi sollecitati a taglio e torsione si risolve calcolando integrali di linea, senza ricorrere alla necessità di discretizzare né il dominio, né il contorno della sezione. Il metodo è “robusto” nel senso che restituisce la soluzione esatta per quelle sezioni in cui tale soluzione esatta esiste.

Meccanica di problemi accoppiati: Termoelasticità e poroelasticità.

In questo ambito sono state sviluppate teorie di trasporto di energia e di fluidi viscosi che corrispondono, alla macroscala, a leggi di trasporto in termini di equazioni differenziali frazionarie. A tale proposito sono stati sviluppati problemi fisici di trasporto di massa e/o di energia termica in mezzi porosi con degradazione delle proprietà geometriche e meccaniche che corrispondono a leggi di flusso con decadimento temporale nella classe delle leggi di potenza. Un risultato simile è stato ottenuto considerando il flusso di energia e/o massa attraverso un mezzo poroso con geometria frattale che corrisponde ad una variazione temporale del flusso uscente con legge di potenza ad esponente reale legato alla dimensione frattale del mezzo poroso. La relazione di trasporto frazionaria è stata poi considerata in problemi di meccanica multi campo sia di tipo termoelastico che poroelastico monodimensionali.

Mesomodellazione di strutture costituite da materiali eterogenei.

Sviluppo di originali modelli di interfaccia e di interfase per lo svolgimento di analisi numeriche agli elementi finiti con applicazioni ai giunti adesivi/coesivi dei materiali quasi-fragili. Particolare importanza rivestono le analisi rivolte alle strutture costituite da materiale eterogeneo quali le murature e i materiali compositi.

Nanomeccanica

L’attività di ricerca nell’ambito della nanomeccanica applicata a nanotubi, nanostrutture, nanotravi e materiali bioispirati riguarda la meccanica di materiali gerarchici in termini di determinazione delle caratteristiche elastiche e delle tensioni di rottura. Le metodologie utilizzate per lo studio di tali problemi fanno uso della teoria meccanica della non località, sviluppata presso il DICAM che consente di descrivere le azioni intermolecolari di lungo raggio presenti alle scale nanometrica mediante equazioni di campo continuo di tipo integro-differenziale. Gli studi condotti hanno riguardato problemi di continualizzazione, statica, dinamica, propagazione di onde, stabilità dell’equilibrio e vibrazioni smorzate alla nanoscala. Sono anche in fase di studio problemi di omogeneizzazione di nanocompositi con matrici ed inclusioni a caratteristiche viscoelastiche.

Ottimizzazione strutturale

L’ottimizzazione strutturale rappresenta un ambito di ricerca relativamente recente che negli ultimi decenni ha subito importanti avanzamenti sia sotto il profilo teorico delle formulazioni che applicativo delle tecniche computazionali. Inoltre, essa trova ampia applicazione e rappresenta sicuro riferimento  in ambito ingegneristico professionale. Le formulazioni prodotte ed i relativi approcci numerici consentono di ottenere progetti ottimali di strutture semplici e complesse a comportamento sia elastico che elastoplastico soggette a carichi statici o dinamici o, ancora, ad opportune combinazioni di essi. Particolare attenzione è rivolta al caso dei carichi sismici e recenti studi consentono di tenere conto del loro carattere aleatorio. È stato trattato anche il caso, molto attuale, di strutture isolate sismicamente.

Proprietà ereditarie dei materiali

L’attività di ricerca relativa alla individuazione delle proprietà ereditarie dei materiali è stata sviluppata con l’obiettivo di fornire un modello fisico corrispondente alla legge di rilassamento con legge di potenza osservato in quasi tutti i materiali. A tale proposito è stato sviluppato un modello meccanico che corrisponde esattamente alle leggi di potenza di creep e rilassamento e che distingue i materiali in viscoleastici ed elastoviscosi a seconda della prevalenza della fase elastica e di quella viscosa. Tale suddivisione corrisponde ad una separazione dell’ordine di derivazione come minore o maggiore di 0.5, rispettivamente. La suddivisione tra le fasi ha anche consentito di calcolare univocamente l’energia libera immagazzinata nel materiale e si è recentemente individuata la corrispondenza con l’energia libera di Stavermann-Schwarz ottenuta dalle misure sulla legge di rilassamento. In tale ambito è stata anche individuata la forma dell’energia libera corrispondente a misure non-lineari di deformazione utilizzando la deformazione logaritmica.

 

 

Progetti di ricerca

 

• PRIN 2009: “ Un approccio multiscala per l'analisi dei processi di decoesione e di propagazione della frattura.”
• PRIN 2010-11 Modelli ed algoritmi per l’analisi non lineare delle strutture e le validazioni dim regole di progettazione a base prestazionale. Coordinatore scientifico: Prof. Raffaele Casciaro. Resonsabile scientifico dell’Unità di ricerca di Palermo: Prof. Teotista Panzeca
• PRIN 2008, Un approccio fisico alla viscoelasticità non-locale ed al cambiamento di fase: Applicazioni alla meccanica della frattura, Coordinatore scientifico: CARPINTERI Alberto, Responsabile scientifico: DI PAOLA Mario, Ateneo/Ente: Università degli Studi di PALERMO.
• PRIN 2013-Dinamica, stabilità e controllo di strutture flessibili, Coordinatore scientifico: Luongo, Angelo, Responsabile scientifico: DI PAOLA Mario, Ateneo/Ente: Università degli Studi di PALERMO.
• Progetto SLIM (POR 4.1.1) 2013 responsabile Mario Di Paola.