Università degli Studi di Napoli FEDERICO II

Transcript

1 Università degli Studi di Napoli FEDERICO II Facoltà di Ingegneria DIST Dipartimento di Ingegneria Strutturale Tesi di Laurea STUDIO NUMERICO-SPERIMENTALE SUL COMPORTAMENTO A TAGLIO DI UNIONI CHIODATE IN ACCIAIO RELATORI Ch.mo. Prof. Ing. Federico M. Mazzolani Ch.mo. Prof. Ing. Raffaele Landolfo CORRELATORI Dr. Ing. Luigi Fiorino Dr. Ing. Mario D AnielloD CANDIDATO Stefano Fierro Matr. 37/3029

2 MOTIVAZIONE E OBIETTIVI Le strutture storiche in carpenteria metallica costituiscono un patrimonio architettonico di inestimabile valore, che necessita di costanti interventi di manutenzione e, talvolta, di adeguamento. Tali strutture, qualora siano ancora in grado di assolvere la loro funzione originaria, manifestano un evidente inadeguatezza strutturale in corrispondenza dei collegamenti, che sono sempre chiodati. OBIETTIVO INVESTIGARE E CARATTERIZZARE IL COMPORTAMENTO A TAGLIO DELLE UNIONI CHIODATE MEDIANTE UN ATTIVITÀ DI RICERCA NUMERICO-SPERIMENTALE SPERIMENTAZIONE MODELLAZIONE ED ANALISI NUMERICHE

3 STRUTTURE METALLICHE STORICHE Fine XVIII secolo: Rivoluzione industriale Grande sviluppo tecnologico e scientifico. Produzione su scala industriale di ghisa e acciaio. Possibilità di applicare nuove soluzioni a problematiche tecniche irrisolte Coalbrookdale Bridge Ponte ad arco con campata di 30 metri sul fiume Severn, in Inghilterra. 18 Forth Bridge Ponte a mensola destinato al traffico ferroviario. Realizzato nel 18 in Scozia, nei pressi di Edinburgo Torre Eiffel Costruita tra il come arco di ingresso per l Esposizione universale a Parigi.Per l assemblaggio delle parti metalliche furono impiegati 180 pezzi di ferro forgiato; per i collegamenti,invece, quasi 2 milioni e mezzo di chiodi.

4 SISTEMI CLASSICI DI UNIONE IN CARPENTERIA METALLICA CHIODATURA Primo sistema di collegamento nelle strutture metalliche. Utilizzato fino alla prima metà del XX secolo. Attualmente trova ancora applicazione solo in alcuni cantieri ferroviari. BULLONATURA Si è affermata come tecnologia di riferimento per i collegamenti di strutture metalliche, in seguito all introduzione dei bulloni ad alta resistenza. SALDATURA - Semplicità del processo di preparazione degli elementi; - Possibilità di realizzare giunzioni senza sovrapposizioni; -Minor peso e costo; -Alto rischio nei cantieri, posa in opera complicata, manodopera qualificata

5 SPERIMENTAZIONE

6 INDAGINE SPERIMENTALE L indagine sperimentale rientra in una attività di ricerca di cui il responsabile scientifico è il Prof. Ing. Raffaele Landolfo, ed il coordinatore è il Prof. Ing. Federico Massimo Mazzolani. Prove sui materiali Materiale dei chiodi Materiale delle lamiere Prove sulle unioni chiodate unioni chiodate storiche unioni chiodate riprodotte in officina

7 PROVE SUI MATERIALI I chiodi e le lamiere risalgono agli anni e provengono dal deposito della RFI (Rete Ferroviaria Italiana). Acciaio dei chiodi Acciaio delle lamiere tre diametri: 16, e 22 mm due spessori : e 12 mm σ (N/mm 2 ) 0,5 Confronto curve C16-01 C16-02 C16-03 C-01 C-02 C-03 0 C22-01 C22-02 C ,00 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24 0,28 0,32 0,36 0,40 ε sigma [kn/mmq] 0, 0,4 0, 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 S_01 S_02 S_03 S_04 S_05 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 epsilon

8 PROVE SULLE UNIONI CHIODATE UNIONI CHIODATE STORICHE 4 provini sono stati ricavati dalla demolizione di un ponte ferroviario, realizzato verso fine Ottocento (1894). Ponte ferroviario demolito da cui sono stati estratti parti dei collegamenti. Dalla lavorazione dei componenti estratti,sono stati ricavati i provini da sperimentare (Es. di collegamento estratto dal ponte)

9 PROVE SULLE UNIONI CHIODATE UNIONI CHIODATE STORICHE S-1 133,97 48, ,99, , S , ,5 52, ,5 1 34,91 S-3 125,13,22 6 Per poter inserire nella macchina di prova le unioni ottenute si è reso necessario aggiungere dei piatti saldati all estremità. I provini sono denominati S-1, S-2, S-3, S-4., ,08 S , , , , , ,

10 PROVE SULLE UNIONI CHIODATE I provini sono rappresentativi delle unioni elementari di due strutture: Ad ogni provino è stato assegnato un codice identificativo Galleria Umberto I di S Napoli 16 1 Ponte ferroviario sul fiume Gesso (FG) Symmetric Unsymmetric UNIONI CHIODATE RIPRODOTTE IN OFFICINA Diametro dei chiodi Spessore della lamiera Numero dei chiodi Per ogni tipologia di collegamento sono stati realizzati tre provini Provini con chiodo singolo, simmetrici e non simmetrici S-16--1_A S-16--1_B S-16--1_C Provini con chiodi in fila singola,simmetrici e non simmetrici

11 DESCRIZIONI PROVE: geometria dei provini Provini storici,non simmetrici con chiodo singolo Specimen-1 133,97 48, ,99, , Specimen , ,5 Provini assemblati,simmetrici con chiodo singolo S S , ,5 1 Provino storico, simmetrico con chiodo singolo S Specimen ,91 125,13,22, ,08 Provino storico, non simmetrico con chiodi in singola fila Specimen , , , , , , S S

12 DESCRIZIONE PROVE: geometria dei provini Provini assemblati, non simmetrici con chiodo singolo Provini assemblati, non simmetrici con chiodi in fila singola U U U U U U U U U U U U

13 DESCRIZIONI PROVE: geometria dei provini Provini assemblati, simmetrici con chiodi in fila singola S S S S

14 PROGRAMMA PROVE TIPO DI PROVA Simmetrico (Symmetric) Non simmetrico (Unsymmetric) Diametro Chiodi Spessore Piatto Larghezza Piatto Distanza dal bordo Interasse N Chiodi N Prove CHIODI SINGOLI mm mm mm mm mm S S (A-B-C) U S (A-B-C) S---1-S (A-B-C) U---1-S (A-B-C) S S (A-B-C) U S (A-B-C) S S (A-B-C) U S (A-B) S S (A-B) U S (A-B-C) S / (A) S ,4 80 / (A) S , / (A) CHIODI IN FILA SINGOLA U S (A-B-C) U S (A-B-C) S---2-S (A-B-C) U---2-S Ponte (A-B-C) U---2-S Galleria (A-B-C) S---4-S (A-B-C) U---4-S Ponte (A-B-C) U---4-S Galleria (A-B-C) S S (A-B-C) U S (A-B-C) S S (A-B-C) U S (A-B-C) S / (A-B-C) Totale Prove 67

15 PROVE SULLE UNIONI CHIODATE SET UP DI PROVA: La macchine utilizzate sono una Zwick/Roell ed una MTS. Per misurare gli spostamenti, sono stati utilizzati due LVDT (Linear Variable Differential Transformer).

16 Informazioni generali, provino, modalità di prova DESCRIZIONE DEI RISULTATI SCHEDA DI PROVA Informazioni generali Etichetta provino: S--12-1_B Data prova: 25/06/2008 Informazioni provino Tipo provino: asimmetrico simmetrico Numero chiodi Diametro chiodi φ (mm) Spessore lamiera t (mm) 12 Larghezza lamiera w (mm) 60 Distanza dal bordo a (mm) 30 Interasse s (mm) Disegno provino Elenco fotografie eseguite Fotografie provino apparato di prova Numero Carico [ kn ] Rottura Informazioni prova Note: Il foro del piatto interno si è rifollato ed è di dimensioni x22,5 mm

17 DESCRIZIONE DEI RISULTATI: MECCANISMI DI COLLASSO La rottura è avvenuta per tre tipologie di collasso TAGLIO DEI CHIODI RIFOLLAMENTO DELLA LAMIERA TRAZIONE DELLA LAMIERA MECCANISMI DI TIPO PROVINO COLLASSO (Sperimentali) CHIODI SINGOLI S S Taglio chiodo U S Taglio chiodo S---1-S Rifollamento lamiera U---1-S Taglio chiodo S S Rifollamento lamiera U S Taglio chiodo S S Rifollamento lamiera U S Taglio chiodo S S Rifollamento lamiera U S Taglio chiodo S-1 Taglio chiodo S-2 Taglio chiodo S-3 Rifollamento lamiera MECCANISMI TIPO PROVINO DI COLLASSO (Sperimentali) CHIODI IN SINGOLA FILA U S Taglio chiodi U S Trazione lamiera S---2-S Trazione lamiera U---2-S Ponte Taglio chiodi U---2-S Galleria Trazione lamiera S---4-S Trazione lamiera U---4-S Ponte Trazione lamiera U---4-S Galleria Trazione lamiera S S Trazione lamiera U S Taglio chiodi S S Trazione lamiera U S Trazione lamiera S-4 Trazione lamiera

18 DESCRIZIONE DEI RISULTATI: MECCANISMI DI COLLASSO Taglio del chiodo Provino U--12-1_B Rifollamento lamiera Provino storico S-3 Con conseguente rottura a trazione della lamiera.

19 DESCRIZIONE DEI RISULTATI: MECCANISMI DI COLLASSO Trazione della lamiera Provino storico S-4 Provino U _A

20 Sperimentazione: Conclusioni In relazione ai meccanismi di collasso, l evidenza sperimentale ha mostrato che: I collegamenti non simmetrici simmetrici e non, con dotati singolo di 4 chiodo elementi di qualsiasi di connessione diametro, disposti sono su tutti fila interessati dal singola, medesimo sono tutti meccanismo interessati di dal collasso: medesimo il taglio meccanismo dell elemento di collasso: di connessione. trazione della lamiera. I provini rappresentativi di unioni simmetriche, con singolo chiodo di diametro di 16 mm, giungono ancora a rottura per taglio dell elemento di connessione. Nel caso in cui, invece, il diametro dei chiodi è di -22 mm, il meccanismo prevalente è il rifollamento della lamiera. I provini non simmetrici caratterizzati da 2 chiodi disposti lungo una singola fila, offrono come meccanismi di collasso, sia il taglio dei chiodi ( U---2 ponte), sia la rottura della lamiera per trazione (U---2 Galleria). Le corrispondenti versioni simmetriche di tali unioni, si rompono sempre invece per trazione della lamiera.

21 MODELLAZIONE ED ANALISI NUMERICHE

22 Analisi Numerica: Definizione del Modello Programma di calcolo agli elementi finiti: ABAQUS 6.7 PART Definizione della geometria delle parti costituenti l unione. PROPERTY Definizione del legame costitutivo dell acciaio delle lamiere e dei chiodi. Solidi 3D, continui e deformabili σ N/mm² C16-2 Legame ingegneristico linearizzato C 16-3 Legame ingegneristico linearizzato C 16 Legame ingegneristico linearizzato medio ε TrueStress - TrueStrain σ N/mm² C-16 Legame costitutivo reale ε σ N/mm² σ N/mm² 200 PIATTO: legame ingegneristico 200 PIATTO: Legame True ε ε

23 Analisi Numerica: Definizione del Modello Programma di calcolo agli elementi finiti: ABAQUS 6.7 ASSEMBLY Assemblaggio delle parti e loro posizionamento nel sistema di riferimento. STEP Definizione tipo di analisi Non Linearità Geometrica INTERACTION Definizione del tipo di interazione nelle aree di contatto.

24 Analisi Numerica: Definizione del Modello Programma di calcolo agli elementi finiti: ABAQUS 6.7 LOAD Definizione delle condizioni di vincolo. MESH Scelta della tipologia e disegno della mesh. Elementi di tipo C3D8R. Parallelepipedi di ordine lineare, ad integrazione ridotta.

25 Analisi Numerica: Definizione del Modello Per ridurre i tempi di elaborazione, in virtù della simmetria dei provini, è stato possibile analizzarne metà. Vincolo di simmetria Reference points

26 Analisi Numerica: Definizione del Modello Al fine di ottimizzare le analisi, è stato condotto uno studio di sensibilità alla mesh. Mesh 2-A 3-A 4-A 3-C 3-B 1-A Rp (KN) NUMERO ELEMENTI Rp TEMPO TIPO DI MESH N.ro elementi PIATTO 1 PIATTO CHIODO TOTALE (KN) (minuti) 1 A Sulla base di tale studio, è stata 00 adottata la tipologia 3-C. Rp- n.ro ELEMENTI mesh 2 A A numero Elementi-Tempo di elaborazione 3 B C N.ro elementi 4 A minuti

27 Analisi Numerica: pre-trazione del chiodo Tecnologia della chiodatura ALLUNGAMENTO MECCANICO Il processo di riscaldamento dell elemento di connessione è stato simulato per mezzo di un allungamento elastico del gambo.

28 Analisi Numerica: pre-trazione del chiodo RILASCIO Al termine di questa fase, insorge nel collegamento, uno stato tensionale auto-equilibrato, di trazione nel chiodo e di compressione nella lamiera.

29 Analisi Numerica: Prova a taglio U Risposta numerica vs. sperimentale Forza (KN) LVDT MEDIO provino A LVDT MEDIO provino C LVDT MEDIO provino B LVDT MEDIO totale Curva Numerica provino U S Spostamento (mm) Forza (KN) LVDT medio provini A,B,C curva numerica U S Spostamento (mm) Origine del valore Rp K (KN) (KN/mm) numerica (Abaqus) sperimentale rapporto

30 Analisi Numerica: Prova a taglio S Risposta numerica vs. sperimentale Forza (KN) Forza (KN) LVDT MEDIO provino A LVDT MEDIO provino B LVDT MEDIO provino C LVDT MEDIO totale Curva Numerica provino S S Spostamento (mm) LVDT MEDIO totale Curva Numerica provino S S Spostamento (mm) Origine del valore Rp (KN) K (KN/mm) numerica (Abaqus) sperimentale rapporto

31 Analisi Numerica: Prova a taglio U Risposta numerica vs. sperimentale KN KN LVDT MEDIO totale LVDT MEDIO provino C LVDT MEDIO provino A LVDT MEDIO provino B Curva Numerica provino U S mm LVDT MEDIO totale Curva Numerica provino U S mm Origine del valore Rp (KN) K (KN/mm) numerica (Abaqus) sperimentale rapporto

32 Analisi Numerica: Prova a taglio S Risposta numerica vs. sperimentale KN KN LVDT MEDIO totale LVDT MEDIO provino C LVDT MEDIO provino A LVDT MEDIO provino B Curva Numerica provino S S mm LVDT MEDIO totale Curva Numerica provino S S mm Origine del valore Rp (KN) K (KN/mm) numerica (Abaqus) sperimentale rapporto

33 Analisi Numerica: Conclusioni e sviluppi futuri CONCLUSIONI Le simulazioni riproducono correttamente i meccanismi di collasso, restituendo curve di risposta meccanica in accordo alla misura sperimentale. La resistenza è colta con uno scarto del [-3 ; 8] %. Il minor scarto è stato conseguito per il provino simmetrico a 4 chiodi. In termini di rigidezza, i modelli numerici hanno interpretato i risultati sperimentali in modo soddisfacente. Nel 75% dei casi, la rigidezza è stata colta con un approssimazione media del 5%. Per Solo i provini per il caratterizzati provino U , da un solo il risultato elemento numerico di connessione, si discosta la sensibilmente stima della resistenza da quello sperimentale. risulta essere, invece, più approssimata. Le curve numeriche possono non coincidere perfettamente con quelle sperimentali, nelle zone di transizione. Il modello assunto è stato, infatti, sviluppato in assenza di imperfezioni geometriche e meccaniche. Tuttavia il risultato conseguito è ingegneristicamente valido.

34 Analisi Numerica: Conclusioni e sviluppi futuri SVILUPPI FUTURI Analisi numeriche in presenza di imperfezioni geometriche e meccaniche. Calibrazione dei modelli sugli altri provini testati nel corso dell attività sperimentale.

35 GRAZIE PER L ATTENZIONE!