• Analisi a fatica
• Calcestruzzo
• CFD
• FEM
• Fluido non Newonian

Questa tesi si concentra sull'analisi fluidodinamica e strutturale di una betoniera semovente autocaricante, con particolare attenzione alla caratterizzazione reologica del calcestruzzo. Il lavoro è stato condotto in due fasi principali: una prima parte dedicata alla simulazione fluidodinamica (CFD) di un fluido non Newtoniano, e una seconda parte rivolta all'analisi strutturale mediante il metodo degli elementi finiti (FEM).

Nella fase preliminare, il calcestruzzo è stato trattato come un fluido non Newtoniano: la caratterizzazione reologica è stata eseguita attraverso simulazioni fluidodinamiche basate sul modello del cono di Abram, un metodo standard per la valutazione della consistenza del calcestruzzo. In questo contesto, è stata condotta un'analisi di sensitività sulla viscosità per studiare l'influenza di tale parametro sui risultati, fornendo un quadro dettagliato del comportamento del materiale. Questo passaggio è stato cruciale per il successivo sviluppo del modello CFD della betoniera. La caratterizzazione reologica ottenuta tramite il Design of Experiments (DOE) ha infatti rappresentato la base per la definizione delle proprietà del calcestruzzo all'interno del tamburo durante la fase di mescolamento.

Una volta completata la caratterizzazione, è stato sviluppato il modello CFD del tamburo della betoniera, utilizzando le proprietà reologiche ottenute dalla prima fase. Il comportamento del calcestruzzo, trattato come fluido non Newtoniano, è stato simulato all'interno del tamburo, permettendo di analizzare la distribuzione delle pressioni esercitate sulle pareti, essenziali per l'analisi strutturale.
La terza fase ha riguardato la costruzione di un modello FEM completo della betoniera, comprendente l'intero telaio strutturale. Le pressioni ottenute dalle simulazioni CFD sono state esportate nel modello FEM per studiare il comportamento del sistema sotto le sollecitazioni fluidodinamiche. In particolare, è stata simulata una rotazione completa del tamburo, suddivisa in 36 intervalli di 10 gradi ciascuno, con l'esecuzione di 36 simulazioni statiche.
La parte finale del lavoro ha riguardato l'analisi a fatica del telaio. Dopo una verifica iniziale basata sul criterio di Soderberg per la vita infinita, è stata condotta una valutazione del danno a vita finita utilizzando il criterio di Miner, supportato dall'algoritmo Rainflow.
L'integrazione tra la caratterizzazione reologica, le simulazioni CFD su un fluido non Newtoniano e l'analisi strutturale ha permesso di ottenere una comprensione approfondita del comportamento del sistema betoniera-calcestruzzo, identificando le condizioni operative critiche e le sollecitazioni strutturali generate durante il processo di mescolamento.

This thesis focuses on the fluid dynamic and structural analysis of a self-loading concrete mixer, with particular emphasis on the rheological characterization of concrete. The work was conducted in two main phases: an initial phase dedicated to computational fluid dynamics (CFD) simulation of a non-Newtonian fluid, and a second phase focused on structural analysis using the finite element method (FEM). In the preliminary phase, concrete was treated as a non-Newtonian fluid. Rheological characterization was performed through fluid dynamics simulations based on the Abrams cone model, a standard method for evaluating the consistency of concrete. In this context, a sensitivity analysis on viscosity was conducted to study the influence of this parameter on the results, providing a detailed understanding of the material’s behavior. This step was crucial for the subsequent development of the mixer’s CFD model. The rheological characterization obtained through the Design of Experiments (DOE) served as the foundation for defining the properties of concrete within the drum during the mixing phase. Once the characterization was completed, the CFD model of the mixer drum was developed, using the rheological properties obtained from the first phase. The behavior of concrete, treated as a non-Newtonian fluid, was simulated within the drum, allowing for analysis of the pressure distribution exerted on the walls, essential for structural analysis. The third phase involved constructing a complete FEM model of the mixer, encompassing the entire structural frame. The pressures obtained from the CFD simulations were exported to the FEM model to study the system's behavior under fluid dynamic stresses. Specifically, a full rotation of the drum was simulated, divided into 36 intervals of 10 degrees each, with 36 static simulations executed. The final part of the work focused on the fatigue analysis of the frame. After an initial verification based on Soderberg’s criterion for infinite life, a finite-life damage assessment was conducted using Miner’s criterion, supported by the Rainflow algorithm. The integration of rheological characterization, CFD simulations of a non-Newtonian fluid, and structural analysis allowed for an in-depth understanding of the concrete-mixer system's behavior, identifying critical operating conditions and the structural stresses generated during the mixing process