Stampa la pagina Condividi su Google Condividi su Twitter Condividi su Facebook Micromeccanica e omogeneizzazione dei materiali compositi

Negli ultimi decenni, i materiali compositi sono stati molto utilizzati nelle varie applicazioni dell’ingegneria civile, aerospaziale, navale, etc. grazie alle loro ottime proprietà meccaniche ed elettrochimiche. Si definisce composito un materiale non omogeneo costituito da due o più materiali (detti costituenti) tra loro differenti. I materiali fibrorinforzati FRP largamente utilizzati per il rinforzo di strutture civili ed industriali esistenti sono materiali compositi. Anche la muratura ed il calcestruzzo, classici materiali da costruzione dell’ingegneria civili, sono materiali compositi, essendo la muratura costituita da mattoni uniti tra loro da giunti di malta ed il calcestruzzo composto da inerte grosso e fine immerso in un legante cementizio. Dunque, lo studio del comportamento meccanico dei compositi assume un’importanza fondamentale anche nei settori dell’ingegneria civile. La micromeccanica e l’omogeneizzazione sono due tematiche differenti volte allo studio dei materiali compositi. La micromeccanica studia le interazioni meccaniche nella scala microscopica dei materiali, fornendo i campi locali, come deformazione e tensione, all’interno dei costituenti il composito e sulle superfici di separazione (interfacce) tra i costituenti. La micromeccanica è essenziale nello studio dell’evoluzione del danneggiamento fino alla rottura dei materiali compositi, dato che il danneggiamento ha di solito origine nelle vicinanze delle zone di concentrazione di deformazione e tensione nella microscala. L’omogeneizzazione stima le proprietà globali del composito: ad esempio, il modulo di Young del calcestruzzo, impiegato nelle analisi strutturali e suggerito dalle formule empiriche delle normative sulle costruzioni, è una proprietà globale che dipende dalle proprietà dei costituenti inerti e legante del calcestruzzo. Le due tematiche sono tra loro interagenti visto che le proprietà globali non lineari ottenute omogeneizzando sono il risultato, ad esempio, dei fenomeni di danneggiamento ed evoluzione della microstruttura dei materiali compositi.

Il gruppo di ricerca del LAPS è stato sempre impegnato in questa area, sviluppando principalmente metodi numerici di analisi micromeccanica e omogeneizzazione sia di compositi periodici sia di compositi con distribuzione random delle inclusioni. Il modello periodico è utilizzato per simulare il comportamento della muratura regolare con mattoni squadrati e dei materiali FRP unidirezionali con distribuzione rettangolare o esagonale delle fibre. Il modello random può essere applicato allo studio dei conglomerati cementizi, bituminosi e di altra natura.

Soprattutto negli ultimi decenni caratterizzati dall’espansione della capacità di calcolo dei computer, i metodi numerici grazie anche allo loro versatilità sembrano attrarre maggiore interesse dei metodi analitici. Sviluppato negli anni 70, il metodo degli elementi finiti (FEM) trova largo impiego nei vari campi dell’ingegneria e anche nell’area di ricerca in oggetto, essendo utilizzato per compositi periodici e random, elastici lineari e non lineari. Altre tecniche sono state introdotte per particolari scopi. Ad esempio, le serie di Fourier sono applicate per la determinazione delle proprietà lineari e non lineari di compositi periodici. Analisi probabilistiche e stocastiche sono utilizzate per la stima delle proprietà non locali dei compositi. Il gruppo del LAPS è attivamente coinvolto nelle ricerche sopra esposte, sviluppando nuovi metodi di micromeccanica e omogeneizzazione.

Micromechanics and homogenization of composite structures

In recent decades, composite materials have been widely used in various applications of civil, aerospace, marine engineering, etc. thanks to their excellent mechanical and electrochemical properties. A composite is an heterogeneous material consisting of two or more materials (namely the constituents) different from each other. Fibre reinforced plastics (FRP), which are widely used for strengthening civil and industrial existing structures, are composite materials. Even masonry and concrete, which are classic building materials in civil engineering, are composite materials, being the masonry constituted of bricks joined together by mortar joints and the concrete composed of coarse and fine aggregates immersed in a cement binder. Therefore, the study of the mechanical behaviour of composites is fundamental in civil engineering as well as in sports, aerospace, marine engineering, etc. Micromechanics and homogenization are two different issues aimed at the study of composite materials. Micromechanics studies the mechanical interactions in the microscopic scale of materials, providing the local fields, such as strain and stress within the composite constituents and on the surfaces of separation (interfaces) between constituents. The micromechanics is essential in the study of the evolution of damage until failure of composite materials, since the damage has usually originated in the vicinity of the areas of concentration of strain and stress in the microscale. Homogenization estimates global properties of composites: for example, cement concrete Young's modulus used in the structural analysis and suggested by the empirical formulas of building codes, is a global property that depends on the properties of the constituents (aggregates and binder) of the concrete. The two issues are mutually interacting seen that non-linear global properties obtained by homogenization are the result, for example, of the damage phenomena and evolution of the microstructure of the composite materials.

The research group of LAPS has always been engaged in this area, mainly by developing numerical methods of micromechanical analysis and homogenization of both periodic composite and composites with random distribution of inclusions. Periodic models are used to simulate the behaviour of regular masonry with square bricks and unidirectional FRP materials with rectangular or hexagonal distribution of fibres. The random models can be applied to study cement concrete, asphalt concrete and mixture of other nature.

Especially in recent decades characterized by the expansion of the computing capacity of computers, numerical methods thanks to their versatility seem more attractive than analytical methods. Developed in the 70s, the finite element method (FEM) is widely used in various fields of engineering and also in the research area in question, being used for both periodic and random composites with linear elastic or nonlinear properties. Other techniques have been introduced for particular purposes. For example, the Fourier series are applied for the determination of linear and nonlinear properties of periodic composites. Stochastic and probabilistic methods are used to estimate the non-local properties of composites. The group of LAPS is actively involved in the research described above, looking for new methods of micromechanics and homogenization

[Ultima modifica: martedì 29 maggio 2018]