The crucial role of solid interfaces in structural problems in several engineering elds (e.g., Civil Engineering, Mechanical Engineering, Biomechanics, etc.) is well-established and they represent certainly a scientic topic of great interest. Nowadays, analytical and numerical modeling of structural interfaces are challenging tasks, due to the complex physical phenomena to take into account (such as adhesion, non-conforming contact, microcracking, friction, unilateral contact), as well as to the need of numerical methods suitable for treating small thickness of the interface zones and jumps in the physically relevant elds. Present PhD thesis aims to develop a consistent and general analytical tool able to overcome some modeling shortcomings of available modeling strategies accounting for soft and hard interfaces, and characterized by evolving microcracking. A novel approach, referred to as Imperfect Interface Ap- proach (IIA), is proposed. It consistently couples asymptotic arguments and homogenization techniques for microcracked media in the framework of the Non-Interacting Approximation (NIA). In detail, the micromechanical homogenization is exploited to nd the eective elastic properties of a microcracked interphase between deformable adherents. Additionally, by employing a matched asymptotic expansion method, the interface laws are deduced, in the limit of a vanishing interphase thickness. In the context of linear elasticity, the IIA is successfully employed to derive a set of imperfect interface, addressing both the case of an initially-isotropic three-dimensional interphase and of initially-orthotropic two-dimensional interphase. In particular, in two-dimensional case, stress/strain-based soft and hard interface laws are properly recovered as depending on the adopted homogenization approach. By generalizing the matched asymptotic expansion method to nite strains, a nonlinear soft interface model has been derived. As a new general application, the IIA is applied to formulate a spring-type model for non-conforming contact, which is successfully compared with theoretical predictions and available experimental data. Finally, numerical simulations applying the soft interface models obtained in both linear and nonlinear cases to masonry structures, are carried out, showing eectiveness and soundness of the proposed formulation.

Il ruolo cruciale che le interfacce solide rivestono nei problemi strutturali in numerosi campi dell'Ingegneria e ormai consolidato (Ingegneria Civile, Ingegneria Meccanica, Biomeccanica, ecc.), sicuramente esse rappresentano un argomento di grande interesse scientico. Al giorno d'oggi, la modellazione analitica e numerica delle interfacce strutturali sono un obiettivo sdante, sia a causa dei complessi fenomeni sici da tenere in conto (come l'adesione, il contatto non-conforme, la microfessurazione, l'attrito ed il contatto unilaterale), che della necessita di avere metodi numerici capaci di trattare simultaneamente l'esiguo spessore delle zone di interfaccia ed i salti nei campi sici, relativi al problema considerato. La seguente tesi di dottorato mira a sviluppare uno strumento analitico consistente e generale, che sia capace di superare le restrizioni tipiche delle strategie modellistiche esistenti, riguardanti le interfacce soft e hard caratterizzate da una microfessurazione evolvente. Si propone un nuovo approccio, denito Imperfect Interface Approach (IIA). Quest'ultimo, accoppia coerentemente argomenti della teoria asintotica e tecniche di omogeneizzazione per materiali microfessurati nel contesto della Non-Interacting Approxima- tion (NIA). Nel dettaglio, l'omogeneizzazione micromeccanica e impiegata per ottenere le proprieta elastiche eettive di un'interfase microfessurata situata tra due aderenti deformabili. Inoltre, utilizzando una procedura di sviluppo asintotico, vengono dedotte delle leggi di interfaccia nel problema limite, cioe per uno spessore di interfase che tende a zero. Nel contesto dell'elasticita lineare, l'IIA e impiegato con successo al ne di ottenere un insieme di modelli di interfacce imperfette, corrispondenti sia al caso di interfase tridimensionale inizialmente isotropo, che al caso di interfase bidimensionale inizialmente ortotropo. In particolare, nel caso bidimensionale si e dimostrato come si ottengano delle leggi di interfaccia rispettivamente soft e hard, in funzione dell'approccio d'omogeneizzazione adottato (in tensioni o in deformazioni). Generalizzando il metodo di sviluppo asintotico alla teoria elastica in deformazioni nite, si ottiene un modello d'interfaccia soft non-lineare. Come nuova applicazione, l'IIA e stato utilizzato al ne di formulare un modello di contatto non-conforme a molle equivalenti, che e stato confrontato con successo sia con le predizioni teoriche che con i dati sperimentali disponibili. Inne, sono state eseguite delle simulazioni numeriche, applicando alle strutture in muratura i modelli di interfaccia soft ottenuti nei casi lineare e non-lineare, confermando l'ecacia e la robustezza della formulazione proposta.

(2014). Micromechanical modeling of imperfect interfaces and applications.

Micromechanical modeling of imperfect interfaces and applications

RAFFA, MARIA LETIZIA
2014

Abstract

Il ruolo cruciale che le interfacce solide rivestono nei problemi strutturali in numerosi campi dell'Ingegneria e ormai consolidato (Ingegneria Civile, Ingegneria Meccanica, Biomeccanica, ecc.), sicuramente esse rappresentano un argomento di grande interesse scientico. Al giorno d'oggi, la modellazione analitica e numerica delle interfacce strutturali sono un obiettivo sdante, sia a causa dei complessi fenomeni sici da tenere in conto (come l'adesione, il contatto non-conforme, la microfessurazione, l'attrito ed il contatto unilaterale), che della necessita di avere metodi numerici capaci di trattare simultaneamente l'esiguo spessore delle zone di interfaccia ed i salti nei campi sici, relativi al problema considerato. La seguente tesi di dottorato mira a sviluppare uno strumento analitico consistente e generale, che sia capace di superare le restrizioni tipiche delle strategie modellistiche esistenti, riguardanti le interfacce soft e hard caratterizzate da una microfessurazione evolvente. Si propone un nuovo approccio, denito Imperfect Interface Approach (IIA). Quest'ultimo, accoppia coerentemente argomenti della teoria asintotica e tecniche di omogeneizzazione per materiali microfessurati nel contesto della Non-Interacting Approxima- tion (NIA). Nel dettaglio, l'omogeneizzazione micromeccanica e impiegata per ottenere le proprieta elastiche eettive di un'interfase microfessurata situata tra due aderenti deformabili. Inoltre, utilizzando una procedura di sviluppo asintotico, vengono dedotte delle leggi di interfaccia nel problema limite, cioe per uno spessore di interfase che tende a zero. Nel contesto dell'elasticita lineare, l'IIA e impiegato con successo al ne di ottenere un insieme di modelli di interfacce imperfette, corrispondenti sia al caso di interfase tridimensionale inizialmente isotropo, che al caso di interfase bidimensionale inizialmente ortotropo. In particolare, nel caso bidimensionale si e dimostrato come si ottengano delle leggi di interfaccia rispettivamente soft e hard, in funzione dell'approccio d'omogeneizzazione adottato (in tensioni o in deformazioni). Generalizzando il metodo di sviluppo asintotico alla teoria elastica in deformazioni nite, si ottiene un modello d'interfaccia soft non-lineare. Come nuova applicazione, l'IIA e stato utilizzato al ne di formulare un modello di contatto non-conforme a molle equivalenti, che e stato confrontato con successo sia con le predizioni teoriche che con i dati sperimentali disponibili. Inne, sono state eseguite delle simulazioni numeriche, applicando alle strutture in muratura i modelli di interfaccia soft ottenuti nei casi lineare e non-lineare, confermando l'ecacia e la robustezza della formulazione proposta.
2014/2015
Ingegneria strutturale e geotecnica
27.
The crucial role of solid interfaces in structural problems in several engineering elds (e.g., Civil Engineering, Mechanical Engineering, Biomechanics, etc.) is well-established and they represent certainly a scientic topic of great interest. Nowadays, analytical and numerical modeling of structural interfaces are challenging tasks, due to the complex physical phenomena to take into account (such as adhesion, non-conforming contact, microcracking, friction, unilateral contact), as well as to the need of numerical methods suitable for treating small thickness of the interface zones and jumps in the physically relevant elds. Present PhD thesis aims to develop a consistent and general analytical tool able to overcome some modeling shortcomings of available modeling strategies accounting for soft and hard interfaces, and characterized by evolving microcracking. A novel approach, referred to as Imperfect Interface Ap- proach (IIA), is proposed. It consistently couples asymptotic arguments and homogenization techniques for microcracked media in the framework of the Non-Interacting Approximation (NIA). In detail, the micromechanical homogenization is exploited to nd the eective elastic properties of a microcracked interphase between deformable adherents. Additionally, by employing a matched asymptotic expansion method, the interface laws are deduced, in the limit of a vanishing interphase thickness. In the context of linear elasticity, the IIA is successfully employed to derive a set of imperfect interface, addressing both the case of an initially-isotropic three-dimensional interphase and of initially-orthotropic two-dimensional interphase. In particular, in two-dimensional case, stress/strain-based soft and hard interface laws are properly recovered as depending on the adopted homogenization approach. By generalizing the matched asymptotic expansion method to nite strains, a nonlinear soft interface model has been derived. As a new general application, the IIA is applied to formulate a spring-type model for non-conforming contact, which is successfully compared with theoretical predictions and available experimental data. Finally, numerical simulations applying the soft interface models obtained in both linear and nonlinear cases to masonry structures, are carried out, showing eectiveness and soundness of the proposed formulation.
Settore ING-IND/22 - Scienza e Tecnologia dei Materiali
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Tesi di dottorato
(2014). Micromechanical modeling of imperfect interfaces and applications.
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