Enhanced dissipation for improved mechanical performance: a journey from concrete structures to functional materials [Miglioramento della dissipazione per prestazioni meccaniche ottimizzate: un percorso dalle strutture in calcestruzzo ai materiali funzionali]

The mechanical response of real-world materials is often governed by microscopic mechanisms, such as microcrack sliding, viscoelastic relaxation, multiphase flow instabilities, or coupled electromechanical effects, that are absent from classical continuum models. This thesis develops a unified modeling framework to incorporate such mechanisms explicitly, beginning with a focused study on dissipation in cementitious materials and progressively generalizing to a variety of materials and multiphysics systems. The approach enriches established continuum theories with targeted kinematic or constitutive variables, formulates the resulting models variationally for physical and numerical consistency, and validates predictions through finite element simulations, experiments, and parametric studies. In the first stage, the classical Timoshenko beam model is extended to capture frictional sliding within microcracks in concrete, enabling accurate prediction of hysteresis loops under cyclic bending and shear. This strategy is then adapted to corneal biomechanics, combining finite element modeling with shear wave elastography to identify viscoelastic parameters in both healthy and keratoconus-affected corneas, with applications in early diagnosis and treatment optimization. The methodology is further applied to multiphase and thermomechanical problems, including experimental and numerical analysis of viscous fingering in fractured porous media, and process modeling of laser powder bed fusion for Inconel 718 alloys with and without nanoparticle dispersion. Finally, the framework is generalized to nanoscale functional materials, producing a higher-order variational model for coupled flexoelectric-photovoltaic effects in BaTiO3 thin plates, with implications for energy harvesting and multifunctional MEMS devices. Across these diverse domains, the research demonstrates how a consistent variational enrichment philosophy can be transferred from a specific structural application to widely different material systems. The result is a versatile set of modeling tools that advance both the scientific understanding and the engineering design of complex, multiscale materials in civil, biomedical, environmental, manufacturing, and nanotechnological applications.

La risposta meccanica dei materiali reali è spesso governata da meccanismi microscopici, come lo scorrimento di microfessure, il rilassamento viscoelastico, le instabilità di flusso multifase o gli effetti elettromeccanici accoppiati, assenti nei modelli continui classici. Questa tesi sviluppa una metodologia di modellazione unificata per incorporare esplicitamente tali meccanismi, a partire da uno studio mirato sulla dissipazione nei materiali cementizi e generalizzandolo progressivamente a una varietà di materiali e sistemi multifisici. L'approccio arricchisce le teorie del continuo consolidate con variabili cinematiche o costitutive mirate, formula i modelli risultanti in modo variazionale per garantire la coerenza fisica e numerica e convalida le previsioni attraverso simulazioni agli elementi finiti, esperimenti e studi parametrici. Nella prima fase, il modello classico della trave di Timoshenko viene esteso per descrivere lo scorrimento per attrito all'interno di microfessure nel calcestruzzo, consentendo una previsione accurata dei cicli di isteresi in condizioni di flessione e di taglio ciclici. Questa strategia viene poi adattata alla biomeccanica corneale, combinando la modellazione a elementi finiti con l'elastografia a onde di taglio per identificare i parametri viscoelastici sia nelle cornee sane sia in quelle affette da cheratocono, con applicazioni nella diagnosi precoce e nell'ottimizzazione del trattamento. La metodologia viene ulteriormente applicata a problemi multifase e termomeccanici, tra cui l'analisi sperimentale e numerica del fingering viscoso in mezzi porosi fratturati e la modellazione del processo di fusione laser a letto di polvere per leghe Inconel 718 con e senza dispersione di nanoparticelle. Infine, la metodologia viene generalizzata a materiali funzionali su scala nanometrica, producendo un modello variazionale di ordine superiore per gli effetti flessoelettrici-fotovoltaici accoppiati in piastre sottili di BaTiO3, con implicazioni per la raccolta di energia e per i dispositivi MEMS multifunzionali. In questi diversi ambiti, la ricerca dimostra come una filosofia di arricchimento variazionale coerente possa essere trasferita da una specifica applicazione strutturale a sistemi di materiali ampiamente diversi. Il risultato è una gamma versatile di strumenti di modellazione che migliorano sia la comprensione scientifica sia la progettazione ingegneristica di materiali complessi e multiscala nelle applicazioni civili, biomediche, ambientali, manifatturiere e nanotecnologiche.