Accounting for friction in the characterization of synthetic sports surfaces

This work is focused on the characterization of four rubbery materials, used for the production of athletic tracks with a visco-hyperelastic model accounting for the influence of friction acting during compression tests. The above mentioned model had been previously used to determine the shock absorption properties of these materials through the use of the finite element model of the Artificial Athlete already employed in previous works. However the material coefficients used for this purpose had been determined in condition that didn’t completely eliminate the effect of friction. For this reason, in this work, experimental tests (compression and stress relaxation) in nearly frictionless condition were done along with measurement of the rubber friction coefficients for different substrates and lubrication techniques. These experimental data were then used to extrapolate virtual frictionless curves thanks to the help of a finite element model which simulated the experimental tests at different level of friction otherwise not achievable. In the end new materials coefficient for the visco-hyperelastic model are extrapolated and are ready to be used for the characterization of shock absorption properties of the sports flooring. It must be noticed that the FEM model present different issues and, in particular at high levels of friction, does not give an accurate prediction of experimental data. Further development is surely needed to improve the model which could result in a very useful tool to predict the behavior of sports surfaces materials.

Il lavoro qui presentato si concentra sulla caratterizzazione di quattro materiali utilizzati per la produzione di piste di atletica con un modello visco-iperelastico, tenendo conto dell’influenza dell’attrito che agisce durante i test in compressione. Il modello sopra menzionato è stato precedentemente usato per determinare le proprietà di assorbimento dell’urto dei suddetti materiali attraverso un modello ad elementi finiti dell’atleta artificiale già utilizzato in altri lavori presenti in letteratura. In questa tesi, sono quindi stati realizzati test sperimentali (compressione e rilassamento degli sforzi) nelle minime condizioni di attrito possibili, insieme a misurazioni dei coefficienti di attrito delle gomme su diversi substrati e con diverse tecniche di lubrificazione. I dati ottenuti sono stati poi utilizzati per l’estrapolazione di curve virtuali a zero attrito grazie all’ utilizzo di un modello a elementi finiti che può simulare i test sperimentali a diversi livelli di attrito. In questo modo nuovi coefficienti visco-iperelastici sono stati ricavati e possono essere utilizzati per una nuova determinazione delle proprietà di assorbimento dell’urto per le piste di atletica. Va notato che il modello FEM realizzato presenta alcune criticità, in particolare ad alti livelli di attrito non sembra dare una predizione accurata di ciò ritrovato sperimentalmente. Un ulteriore miglioramento del modello sarà utile per la realizzazione di uno strumento fondamentale nella caratterizzazione dei materiali per le pavimentazioni sportive.