Μηχανικές ιδιότητες στρωμάτων οξειδίων σιδήρου σε 
κατασκευές και υπολογιστική προσομοίωση των καταπονήσεων του συστήματoς διαβρωμένου χάλυβα - μαρμάρου.

Θωμά, Ειρήνη Ευφροσύνη; Thoma, Eirini Effrosyni

dc.contributor.author	Θωμά, Ειρήνη Ευφροσύνη	el
dc.contributor.author	Thoma, Eirini Effrosyni	en
dc.date.accessioned	2022-02-08T12:58:12Z
dc.date.available	2022-02-08T12:58:12Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54592
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.22290
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/gr/	*
dc.subject	Ατμοσφαιρική διάβρωση χαλύβων	el
dc.subject	Ανάλυση με πεπερασμένα στοιχεία	el
dc.subject	Steel corrosion	en
dc.subject	Finite element analysis	en
dc.subject	Μηχανικές ιδιότητες	el
dc.subject	Οξείδια σιδήρου	el
dc.subject	Mechanical properties	en
dc.subject	Iron oxides	en
dc.title	Μηχανικές ιδιότητες στρωμάτων οξειδίων σιδήρου σε κατασκευές και υπολογιστική προσομοίωση των καταπονήσεων του συστήματoς διαβρωμένου χάλυβα - μαρμάρου.	el
dc.title	Mechanical properties of iron compounds corrosion layers in constructions and computational modelling of corroded steel clamp - marble system.	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ατμοσφαιρική διάβρωση	el
heal.classification	Μηχανικές Ιδιότητες	el
heal.classification	Ανάλυση με Πεπερασμένα Στοιχεία	el
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-11-05
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία με τίτλο «Μηχανικές ιδιότητες στρωμάτων οξειδίων σιδήρου σε κατασκευές και υπολογιστική προσομοίωση των καταπονήσεων του συστήματος διαβρωμένου χάλυβα - μαρμάρου», διερευνά τη μορφολογία και τις μηχανικές ιδιότητες ορυκτοποιημένων προϊόντων διάβρωσης χάλυβα με στόχο την μελέτη της επίδρασης της ατμοσφαιρικής διάβρωσης στην απόκριση ενός συστήματος μαρμάρου-διαβρωμένου χαλύβδινου συνδέσμου, που αντιστοιχεί σε ένα μικρής κλίμακας δομικό στοιχείο αρχαίου μνημείου, υπό φορτίσεις που προσομοιώνουν σεισμικά φαινόμενα. Η μελέτη αυτή πραγματοποιήθηκε μέσω υπολογιστικού μοντέλου που σχεδιάστηκε με βάση πειραματικά και βιβλιογραφικά δεδομένα. Η κατασκευή του μοντέλου έγινε με χρήση του Solidworks και η εκτέλεση των προσομοιώσεων έγινε με τη χρήση του λογισμικού ANSYS. Προκειμένου να προσεγγιστούν οι μηχανικές ιδιότητες των διαβρωμένων χαλύβων των αρχαίων κατασκευών, λήφθηκαν δείγματα αρκετά νεότερων χαλύβων που λειτουργούσαν ως στηρίξεις έργων σύγχρονης τέχνης, τα οποία είναι εκτεθειμένα σε εξωτερικό περιβάλλον από το 1985. Για τη μελέτη των στρωμάτων των οξειδίων του σιδήρου παρατηρήθηκε η μικροδομή των διαβρωμένων κρουστών χάλυβα με οπτικό μικροσκόπιο, ηλεκτρονιακό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) και έγινε ανάλυση των κρυσταλλικών ενώσεων με φασματοσκοπία περίθλασης ακτίνων-Χ (XRD). Ακόμα πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σκληρότητας με μάκρο- και μίκρο- σκληρόμετρο για την εκτίμηση της σκληρότητας των προϊόντων διάβρωσης, καθώς και nanoindentation, μέσω του οποίου λήφθηκαν διαγράμματα τάσης – παραμόρφωσης και το μέτρο ελαστικότητας των νεότερων χαλύβων στις τρεις διευθύνσεις, αλλά και αρχαίων συνδετικών συνδέσμων (μορφής διπλού-Τ) μαρμάρινων τοιχίων. Από τις σκληρομετρήσεις και τον χαρακτηρισμό των διαφορετικών διευθύνσεων των ορυκτοποιημένων κρουστών προέκυψε πως οι δύο διευθύνσεις εμφανίζουν αρκετά παρόμοια τιμή σκληρότητας, μέτρου ελαστικότητας και έχουν ομοιότητες στη μορφολογία και τη σύσταση καθώς εικονίζουν τη διαστρωμάτωση των διαδοχικών οξειδίων του σιδήρου καθώς είναι κάθετες τομές στη διαστρωμάτωση. Η τρίτη διεύθυνση έχει αρκετά αυξημένο μέτρο ελαστικότητας και αποτελεί παράλληλη τομή προς ένα στρώμα οξειδίου. Η παρατήρηση και η στοιχειακή ανάλυση δείχνουν ένα τοπικό χαρακτήρα προσβολής από την ατμοσφαιρική διάβρωση, η οποία οδηγεί σε διαφορετικά μορφολογικά μοτίβα και ανάπτυξη διαφορετικών οξειδίων και υδροξύ-οξειδίων. Στη συνέχεια σχεδιάστηκαν τα δομικά στοιχεία του μοντέλου με βάση τη βιβλιογραφία. Αρχικά βρέθηκαν οι συχνότητες συντονισμού των μεταλλικών συνδέσμων με πακτωμένη τη μεσαία διατομή όταν αυτοί δεν είχαν αλλοιωθεί από τη διάβρωση και στη συνέχεια όταν ήταν έντονα διαβρωμένοι. Ο τρόπος με τον οποίο λήφθηκε υπόψη η επίδραση της διάβρωσης, ήταν η λέπτυνση του συνδέσμου από την αρχική διατομή των 7,6 mm, σε 3 mm. Για τις δύο αυτές εκδοχές του βαθμού διάβρωσης χαλύβδινων συνδέσμων έγιναν προσομοιώσεις στατικής και δυναμικής φόρτισης υπό την επίδραση επιτάχυνσης σε ένα μικρό σύστημα αποτελούμενο από δύο μαρμάρινων λίθους και ένα σύνδεσμο διπλού-Τ , μεταξύ των οποίων μεσολαβούσε στρώμα μόλυβδου στην περίπτωση του καλά διατηρημένου συνδέσμου και στρώμα οξειδίων και μόλυβδου στην έντονα διαβρωμένη. Οι υπολογιστικές προσομοιώσεις οδήγησαν στο συμπέρασμα πως η απώλεια υλικού του συνδέσμου υπό την επίδραση της διάβρωσης μειώνει τις συχνότητες συντονισμού ενός συνδέσμου που έχει ελευθέρα άκρα στο εύρος συχνοτήτων σεισμικών φαινομένων. Οι συχνότητες συντονισμού του συστήματος, όπου ο σύνδεσμος είναι συνδεδεμένος με μόλυβδο και με το μάρμαρο, είναι αρκετά υψηλότερες από τις συχνότητες των σεισμικών φαινομένων. Στις συχνότητες αυτές, οι αναπτυσσόμενες τάσεις σε εφελκυσμό θα μπορούσαν να προκαλέσουν αστοχία ανεξάρτητα το πάχος του συνδέσμου. Ακόμα υπό την επίδραση της επιτάχυνσης προκαλούνται μεγάλες παραμορφώσεις στην μαρμάρινη επιφάνεια, γεγονός που συνεπάγεται την ανάπτυξη ισχυρών φορτίων. Η κατανομή του φορτίου δεν έγινε δυνατό να αναλυθεί, λόγω υπολογιστικών περιορισμών. Σε μία πρώτη προσέγγιση, λαμβάνοντας την κατανομή του φορτίου ως ομοιόμορφη φαίνεται ότι το μάρμαρο μπορεί να αστοχήσει στις περιοχές που οι τάσεις είναι εφελκυστικές, αλλά όχι στις περιοχές που οι τάσεις είναι θλιπτικές.	el
heal.abstract	The present diploma thesis entitled “Mechanical properties of iron compounds corrosion layers in constructions and computational modelling of corroded steel clamp - marble system” is an investigation on the morphology and mechanical properties of mineralized corrosion products of steel, aiming to study the effect of atmospheric corrosion οn the response of a system of marble – corroded steel clamp, which is equivalent to a structural element of an ancient monument, under stresses that resemble seismic phenomena. This study was carried out using a computational model that was designed by Solidworks, based on experimental data and literature. The execution of the simulations was performed by ANSYS. In order to approach the mechanical properties of ancient corroded steels, samples of historic steels were obtained, which served as supports for statues of contemporary art, exposed to external environment since 1985. In order to study the iron corrosion layers their microstructure was observed using Optical Microscope and Scanning Electron Microscope, while an analysis of crystalline compounds was carried out via X-ray diffraction. Macro- and micro- hardness measurements where performed to estimate the hardness of the corroded products. Through nanoindentation tests where done to extract stress-strain diagrams and Youngs Modulus for three directions on historical steel, as well as ancient clamps. Hardness measurements and characterization of different directions of the mineralized corroded layers showed that the two directions have quite similar values of hardness, Young Modulus and have similarities in morphology and composition as they depict the stratification of successive iron oxides (they are vertical sections of the mineralized crusts). The third direction has a relatively high degree of elasticity and is a parallel section of the crust. The morphology and the elemental chemical analyses show local attacks by atmospheric pollutants, which leads to different morphological patterns and development of a variety of oxides and oxy-hydroxides. Then the structural elements of the model were designed based on available literature data. First, the resonant frequencies of the metal joints were found, having their intermediate cross-section fixed, in cases of well preserved and heavily corroded clamps. The way in which the effect of corrosion was taken into account was the thinning of the joint from the original thickness of 7.6 mm to 3 mm. For these two corrosion scenarios of steel clamps, simulations of static and dynamic loading were performed under the effect of acceleration in a small system consisting of two marble blocks and a double-T shaped clamp. In the case of well-preserved clamp, an intermediate layer of lead was employed in the model. In the case of heavily corroded clamp, lead along with oxides layers were taken into consideration. The computational simulations led to the conclusion that the loss of clamps material due to corrosion reduces the resonant frequencies of a joint with free ends in the frequency range of seismic phenomena. The tuning frequencies of the system, when the clamp is adhered to lead and marble, are much higher than the frequencies of seismic phenomena. At these frequencies, the developing tensile stresses could cause failure regardless of the joint thickness. Under acceleration conditions, large deformations are caused on the marble surface, which implies the development of strong loads. The load distribution could not be analyzed due to computational constraints. In a first approach, assuming a uniform load distribution, marble failure seems possible in areas where tensile stresses are exerted, but not in areas affected by compressive stresses.	en
heal.advisorName	Μανωλάκος, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Βοσνιάκος, Γεώργιος-Χριστόφορος	el
heal.committeeMemberName	Μαρκόπουλος, Άγγελος	el
heal.committeeMemberName	Μανωλάκος, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Τεχνολογίας των Κατεργασιών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	127 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false
heal.fullTextAvailability	false