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IMPLEMENTATON AND VALIDATION OF ADVANCED CONSTITUTIVE MODELS FOR THE ANALYSIS OF HYDRO-THERMO-MECHANICAL INTERACTIONS IN GEO-ENVIRONMENTAL ENGENEERING PROBLEMS
Full text linkIn recent years increasing interest in thermo-hydro-mechanical analysis of multiphase porous materials, i.e. saturated and partially saturated porous materials, is observed, because of a wide spectrum of their engineering applications. An area of particular interest is Environmental Geomechanics, where some challenging problems are of interest. Examples are subsidence above gas reservoirs, injection of fluids into deep or superficial aquifers, long-term storage of carbon dioxide, onset of flowslides and catastrophic landslides, nuclear and other hazardous waste disposal and stability of salt marshes.
In all the aforementioned situations, the soil or rock need to be considered as multiphase porous medium in isothermal or non-isothermal conditions, made of a solid phase and voids containing one or more fluids, in which the interaction between all the components of the material cannot be neglected. In case of liquid and gaseous fluids, capillary effects cannot be a priori neglected and also phase change for liquid water and its vapour can play a role.
This thesis aims to contribute to develop a general framework for the computational analysis of geo-environmental engineering problems analysed as coupled multi-physics processes.
To this end, advanced constitutive models for isothermal and non-isothermal water saturated or unsaturated soils have been implemented and numerically validated in the finite element code COMES-GEO.
In this THM model the porous medium is assumed to be a multiphase system where interstitial voids of the deforming solid matrix may be filled with liquid water, water vapour and dry air or other gas. To handle this multiphase system, an analytical multi-scale approach has been used by the general frame of averaging theories in deriving the governing balance equations. These equations have been discretized in space and time by means of the finite element method for a numerical solution.
These following advanced constitutive models for soil have been implemented:
1. ACMEG-T for water saturated clays in non isothermal condition;
2. ACMEG-TS for water saturated and partially saturated clays in non isothermal condition;
3. Pastor-Zienkiewicz for water saturated sands in isothermal condition;
4. Bolzon-Schrefler-Zienkiewicz for partially saturated sands in isothermal condition;
5. Bolzon-Schrefler for partially saturated sands in non isothermal condition.
Validation of the implemented models was performed by comparison between the F.E.M. results and the results obtained by experimental tests or by the model driver. Three different tests were simulated: isotropic compression test, oedometric compression test and triaxial compression test in different conditions of confining pressure, temperature and suction and for different kind of soils. This comparison was done in cooperation with the research group of Prof. Lyesse Laloui (EPFL of Lausanne) and the research group of the Prof. Manolo Pastor (UPM of Madrid).
Preliminary results concerning typical geo-environmental problems such as the thermo-hydro-mechanical behaviour of deep nuclear waste disposal in a geological clay formation and the simulation of the subsidence above gas reservoirs due to gas production close this present work, pointing out that with a sufficiently general thermo-hydro-mechanical model the main couplings occurring in soils may be reproduced in a relevant manner and that very different situations can be modelled without special assumptions.Negli ultimi anni è aumentato notevolmente l’interesse per le analisi termo-idro-meccaniche sui mezzi porosi multifase, che possono essere ad esempio analisi rivolte allo studio del comportamento dei terreni in parziale o totale saturazione, per via della vasta gamma di applicazioni ingegneristiche che è possibile investigare. In particolare un’area di grande interesse è rappresentata dai problemi di Geomeccanica Ambientale, dove si incontrano fenomeni di considerevole importanza per la salvaguardia della società.
Alcuni esempi sono la subsidenza dovuta all’estrazione di gas dal sottosuolo, iniezione di fluidi dentro acquiferi profondi o superficiali, stoccaggio a lungo termine di biossido di carbonio per la mitigazione del riscaldamento globale, innesco di frane, stoccaggio di scorie nucleari o pericolose e la stabilità delle barene marine.
In tutte le situazioni menzionate, il terreno deve essere considerato come un mezzo poroso multifase, in condizioni anche non isoterme, costituito da uno scheletro solido e da vuoti riempiti da uno o più fluidi dove le interazioni fra tutti i costituenti non possono essere trascurate. In particolare nel caso di fluidi liquidi e gassosi, l’effetto delle pressioni capillari non può essere tralasciato a priori, come anche il cambiamento di fase dell’acqua liquida e del vapor acqueo.
Lo scopo di questa tesi di dottorato è quello di contribuire a sviluppare uno strumento di carattere generale per l’analisi computazionale di problemi ingegneristici di geomeccanica ambientale e questo è stato fatto mediante l’implementazione e la validazione numerica di due modelli costitutivi avanzati nel codice agli elementi finiti COMESGEO.
Considerando il mezzo poroso multifase costituito da uno scheletro solido deformabile dove i vuoti possono essere riempiti da acqua, vapore e aria secca (o un altro gas), tramite un approccio multiscala basato sulla teoria ibrida delle miscele, con opportune procedure di media sono state derivate le equazioni di bilancio del modello. Queste equazioni sono state poi discretizzate nello spazio e nel tempo per poter ottenere una soluzione numerica col metodo degli elementi finiti.
I modelli costitutivi implementati sono i seguenti:
1. ACMEG-T per argille sature in condizioni non isoterme;
2. ACMEG-TS per argille parzialmente sature in condizioni non isoterme;
3. Pastor-Zienkiewicz per sabbie sature in condizioni isoterme;
4. Bolzon-Schrefler-Zienkiewicz per sabbie parzialmente sature in condizioni isoterme;
5. Bolzon-Schrefler per sabbie parzialmente sature in condizioni non isoterme.
La validazione dell’implementazione numerica dei modelli costitutivi è stata fatta tramite il confronto fra i risultati F.E.M. e risultati sperimentali od ottenuti con il driver del modello. Le prove simulate sono di tre tipi: compressione isotropa, compressione edometrica e compressione triassiale eseguite in differenti condizioni di pressione di confinamento, temperatura e grado di saturazione per diversi tipi di materiale. Il lavoro di validazione è stato svolto in collaborazione col gruppo di ricerca del Prof. Lesse Laloui (EPFL di Losanna) e quello del Prof. Manolo Pastor (UPM di Madrid).
Infine vengono mostrati alcuni risultati preliminari riguardanti due tipici problemi di Geomeccanica Ambientale, quali lo stoccaggio di scorie nucleari e la subsidenza, per dimostrare come con un modello termo-idro-meccanico di carattere sufficientemente generale, senza particolari assunzioni, sia possibile studiare un numero rilevante di problematiche inerenti i problemi di accoppiamento nei terreni
A model for cross stiffened columns made of steel
No full textopenLa tesi si basa sullo studio di un modello per colonne calastrellate in acciaio, realizzato con il programma straus. Si procede a livello globale e poi locale con due confronti distinti: il primo mira a ricercare delle strutture equivalenti alle colonne realizzate con i calastrelli, spiegando quale sia quello più vantaggioso. Il confronto locale invece va ad indagare una giunzione del telaio risolvendola sia in campo lineare che non lineare, capendo quale sia il margine che il primo metodo di analisi ha nei confronti del secondo.The thesis is based on the study of a model for calastrate columns in steel, made with the straus program. We proceed globally and then locally with two distinct comparisons: the first aims to search for structures equivalent to the columns made with calastrelli, explaining which is the most advantageous. The local comparison, on the other hand, investigates a frame joint by solving it both in the linear and non-linear field, understanding the margin that the first method of analysis has with respect to the second
Seismic vulnerability assessment of a reinforced concrete building designed before the introduction of seismic design codes
No full textopenNegli ultimi anni si è assistito ad un aumento della frequenza e dell’intensità dei terremoti sul territorio italiano. Tale fenomeno rappresenta una criticità rilevante, in particolare per gli edifici realizzati antecedentemente all’entrata in vigore delle Norme Tecniche per le Costruzioni del 2008 e dell’attuale normativa vigente.
L’obiettivo principale di questo elaborato è condurre un’analisi strutturale semplificata finalizzata alla valutazione del comportamento di un edificio soggetto ad azioni orizzontali, rappresentative degli effetti di un evento sismico. A tal fine, è stato scelto come caso studio un edificio residenziale multipiano, realizzato negli anni Sessanta del Novecento. La struttura in oggetto costituisce un esempio rappresentativo delle costruzioni dell’epoca, caratterizzate da criteri progettuali privi di considerazioni per la resistenza sismica.
Il lavoro si concentra sull’analisi della vulnerabilità sismica dell’edificio, con particolare attenzione alla valutazione strutturale. L’analisi si concentrerà sugli elementi portanti della struttura, sia verticali che orizzontali, che in questo caso formano un sistema a telaio multipiano. La scelta di questo tipo di sistema strutturale, comune negli edifici del periodo, è fondamentale per comprendere la distribuzione delle sollecitazioni e la resistenza alle forze orizzontali.
Le verifiche saranno eseguite in conformità alla normativa vigente, ovvero secondo le “Norme Tecniche per le Costruzioni emanate con Decreto Ministeriale del 17 gennaio 2018 e Circolare 21 gennaio 2019 n. 7, avvalendosi dell’ausilio di software di calcolo strutturali, quali Telaio 2D e Vca SLU.
L’approccio semplificato previsto permetterà comunque di ottenere informazioni utili sulla sicurezza sismica dell’edificio e sulle criticità strutturali da affrontare
Influence of the knowledge level on the design of seismic retrofitting of a masonry building
No full textreservedLo scopo di questo lavoro di tesi è quello di capire come la conoscenza di una struttura esistente possa influenzarne la stima del suo livello di sicurezzaThe purpose of this thesis work is to understand how knowledge of an existing structure can influence the estimation of its safety leve
Implementazione di un modello termo-elasto-plastico in un codice agli elementi finiti per mezzi porosi multifase
Full text linkNegli ultimi anni si è riscontrato uno aumento sempre maggiore delle problematiche inerenti il comportamento termo-meccanico dei terreni; tale aumento è principalmente dovuto alla moltitudine di nuovi tipi di applicazioni tecnologiche:
•eliminazione di scorie nucleari ad alta attività, (Laloui & Modaressi, 2002);
•accumulazione termica (Burger e al., 1985);
•strutture geotermiche (Laloui e al., 2003),;
•attività di perforazione e iniezione per la produzione di petrolio;
•cavi dell’alta tensione interrati (Mitchell e al., 1982);
poi ancora:
•escursioni termiche stagionali o giornaliere;
•sottofondi stradali;
•opere di fondazione delle fornaci;
per non citare infine l’alterazione dei provini a causa di cambiamenti di temperatura durante ilcampionamento, lo stoccaggio e i test.
Scopo della tesi è stato di integrare il codice COMES-GEO (proprietà dell’Università di Padova), che applica il metodo degli elementi finiti allo studio dei mezzi porosi multifase, con una legge thermo-plastica, adatta principalmente per i terreni a grana fine (i.e. argille), sviluppata e implementata dal Dr Lyesse Laloui, L., docente dell’Università di Losanna,
(EPFL – Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne), dal Dr Cane Cekerevac e dal Dr Bertrand François. L’integrazione è stata effettuata adeguando una subroutine, denominata
THERMEC, in origine sorta per un codice di integrazione numerica basata sulla teoria Cam-Clay
Modellazione numerica di problemi idro-termo-meccanici nei mezzi porosi parzialmente saturi
Full text linkE' stato compiuto lo studio numerico di un problema termo-idro-meccanico con la legge costitutiva ACMEG-TS su una colonnina di terreno Boom-clay. La modellazione numerica è stata fatta sfruttando il software COMES-GEO, adatto per la trattazione di mezzi porosi in qualsiasi condizione di saturazione. Sono state sviluppate anche brevi considerazioni sul comportamento del codice di calcolo negli elementi finiti di passaggio fra aree sature ed aree parzialmente sature in due differenti scenari (colonnina di terreno; subsidenza)ope
Implementazione di un modello termo-elasto-plastico in un codice agli elementi finiti per mezzi porosi multifase
Full text linkNegli ultimi anni si è riscontrato uno aumento sempre maggiore delle problematiche inerenti il comportamento termo-meccanico dei terreni; tale aumento è principalmente dovuto alla moltitudine di nuovi tipi di applicazioni tecnologiche:
•eliminazione di scorie nucleari ad alta attività, (Laloui & Modaressi, 2002);
•accumulazione termica (Burger e al., 1985);
•strutture geotermiche (Laloui e al., 2003),;
•attività di perforazione e iniezione per la produzione di petrolio;
•cavi dell’alta tensione interrati (Mitchell e al., 1982);
poi ancora:
•escursioni termiche stagionali o giornaliere;
•sottofondi stradali;
•opere di fondazione delle fornaci;
per non citare infine l’alterazione dei provini a causa di cambiamenti di temperatura durante ilcampionamento, lo stoccaggio e i test.
Scopo della tesi è stato di integrare il codice COMES-GEO (proprietà dell’Università di Padova), che applica il metodo degli elementi finiti allo studio dei mezzi porosi multifase, con una legge thermo-plastica, adatta principalmente per i terreni a grana fine (i.e. argille), sviluppata e implementata dal Dr Lyesse Laloui, L., docente dell’Università di Losanna,
(EPFL – Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne), dal Dr Cane Cekerevac e dal Dr Bertrand François. L’integrazione è stata effettuata adeguando una subroutine, denominata
THERMEC, in origine sorta per un codice di integrazione numerica basata sulla teoria Cam-Clay.ope
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Analisi accoppiata termo-idro-meccanica di depositi profondi di scorie radioattive
Full text linkNegli ultimi anni si riscontra un sempre maggiore interesse sulle problematiche inerenti il comportamento termo-meccanico dei terreni; ciò è dovuto a innovative applicazioni tecnologiche quali:
- stoccaggio di scorie radioattive ad alta attività, (Laloui & Modaressi, 2002);
- accumulazione termica (Burger e al., 1985);
- strutture geotermiche (Laloui e al., 2003);
- attività di perforazione e iniezione per la produzione di petrolio;
- cavi interrati dell’alta tensione (Mitchell e al., 1982);
Scopo della tesi è stata l’applicazione ad un caso reale e di interesse ingegneristico e per la società civile della legge costitutiva termo-elasto-plastica per terreni saturi implementata nel codice COMES-GEO (proprietà dell’Università di Padova). Tale codice applica il metodo degli elementi finiti allo studio dei mezzi porosi multifase, con una legge termo-plastica, adatta principalmente per i terreni a grana fine, sviluppata dal Dr Lyesse Laloui, L., docente dell’Università di Losanna, (EPFL – Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne), dal Dr Cane Cekerevac e dal Dr Bertrand François.ope
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