UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRENTO FACOLTÀ DI INGEGNERIA

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRENTO FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Civile Specialistica A.A. 28/29 La resistenza al rifollamento del legno di abete in presenza di viti auto-foranti Relatore: Laureando: Prof. Ing.. Marco Ballerini Daniele Bolcato INTRODUZIONE Premessa Le regole e le formule per la progettazione delle unioni in strutture di legno con connettori metallici a gambo cilindrico attualmente riguardano: chiodi, spinotti, bulloni e viti tradizionali. Queste regole sono indicate nella normativa UNI EN 1995:27. Nella normativa però non sono contemplate le viti auto-foranti di moderna concezione Obiettivo della ricerca L obiettivo di questa ricerca è quello di studiare il comportamento al rifollamento del legno di Abete rosso sollecitato da viti auto-foranti foranti. Si vuole proporre una formula che rappresenti la resistenza al rifollamento per queste viti. Si sono eseguite 42 prove su campioni di legno solletitati in diversi modi da viti di tredifferenti diametri. Sommario 1. Viti auto-foranti 2. Resistenza al rifollamento (Embedding strength) 3. Progettazione dell indagine sperimentale 4. Presentazione dei risultati 5. Analisi dei risultati 6. Conclusioni 1/22 1

2 1. VITI AUTO-FORANTI Zone Caratteristiche Punta auto-perforante 2. Filetto a passo largo 3. Fresa extralunga 4. Gambo liscio 5. Testa Vantaggi Permettono di non eseguire un preforo all atto dell infissione; Presentano una punta con delle nervature che agiscono fresando la parte iniziale del legno, evitando pericolose fessurazioni o crepature; A parità di coppia di avvitamento, il tempo di innesto si riducedi circa il 3% rispetto alle viti tradizionali. 2/22 2. RESISTENZA AL RIFOLLAMENTO Significato fisico Rappresenta lo sforzo limite che si oppone allo schiacciamento localizzato delle fibre legnose per effetto del carico concentrato di un connettore sulle pareti del foro. Definizione secondo la normativa UNI EN 383:27 f hk, Rk = t d La forza R k agente sull elemento ligneo è la massima forza misurata entro i primi 5 mm di rifollamento del provino di legno sollecitato da un connettore rigido. 3/22 2

3 3. PROGETTAZIONE DELL INDAGINE SPERIMENTALE Parametri di prova Si studia il comportamento al rifollamento del legno al variare dei seguenti parametri: 1. Tre diametri nominali delle viti; 2. Applicazione della forza sul provino sia con la parte filettata sia con il gambo della vite; 3. Sette differenti angoli di inclinazione tra la forza applicata rispetto alla direzione della fibratura; 4. Set di prove eseguite con la stessa modalità su provini aventi massa volumica crescente. Campagna di prove Viti utilizzate: Heco Topix, in acciaio con zincatura gialla Diametri nominali viti: 6, 8, 1 mm Zone delle viti sollecitate: gambo filettato, gambo liscio Angoli indagati:, 15, 3, 45, 6, 75, 9 Ripetizioni per ogni set di prove: 1 [provini raggruppati per massa volumica crescente] TOTALE PROVE: 42 4/22 3. PROGETTAZIONE DELL INDAGINE SPERIMENTALE Provini di legno I provini si ottengono dalla squadratura di tavole di legno selezionate e lasciate stagionare a temperatura ed umidità controllata;sono rettangolari o quadrati. In base al diametro di vite utilizzata, gli spessori dei provinivariano tra i 26 e 32 mm. La densità ρ [kg/m 3 ] dei provini è uniformemente distribuita per ogni set di prove. 6 Filetto 6 Gambo ρ [kg/m 3 ] 45 ρ [kg/m 3 ] /22 3

4 3. PROGETTAZIONE DELL INDAGINE SPERIMENTALE Macchina di prova Per effettuare questa sperimentazione si è utilizzato un apposito apparato il quale, applicato ad una pressa di laboratorio, rende possibile l applicazione di uno sforzo di taglio diretto sul connettore. Indicazioni della norma UNI EN 383:27. Elementi principali: 1. Cella di carico 2. Provino di legno 3. Trasduttori di spostamento 6/22 3. PROGETTAZIONE DELL INDAGINE SPERIMENTALE Macchina di prova La macchina di prova utilizzata è stata provvista di un sistema di guida che obbligha il provino a seguire la direzione verticale della forza di carico attraverso un perno (1) scorrevole in un apposito foroforo-guida (2). (1) (2) 7/22 4

5 4. PRESENTAZIONE DEI RISULTATI Curve carico-spostamento I dati registrati sono riportati in grafici che rappresentano le curve di carico-spostamento. In ascissa si riporta il valore medio dello spostamento del provino (mm). In ordinata si riporta il valore di forza misurato dalla cella di carico (Newton) diviso per lo spessore del provino (mm). In ogni grafico, per la stessa tipologia di prova, sono riportate con colori differenti le curve delle dieci prove eseguite variando solo la densità. In colore nero è raffigurata la curva media dell andamento di ogni set di prove. 8/22 4. PRESENTAZIONE DEI RISULTATI Curve carico-spostamento: Angolo di prova α = ø 6 -filetto ø 8 -filetto ø 1 -filetto ø 6 -gambo ø 8 -gambo ø 1 -gambo /22 5

6 4. PRESENTAZIONE DEI RISULTATI Curve carico-spostamento: Angolo di prova α = ø 6 -filetto ø 8 -filetto ø 1 -filetto ø 6 -gambo ø 8 -gambo ø 1 -gambo /22 4. PRESENTAZIONE DEI RISULTATI Curve medie carico-spostamento: Forma delle viti ø 6 - α = ø 6 - α = 15 ø 8 α = 15 ø 1 α = 15 ø 6 - α = ø 6 α = ø 8 α = ø 1 α = /22 6

7 4. PRESENTAZIONE DEI RISULTATI Curve medie carico-spostamento: Diametro delle viti filetto - α = 15 filetto - α = 75 α α gambo α = 15 gambo - α = Osservazioni: Per le due situazioni di carico (filetto/gambo) si nota che la resistenza media aumenta con il diametro. 12/22 5. ANALISI DEI RISULTATI Valori di forza al rifollamento Si eseguono le analisi dei risultati con i valori delle forze massime ottenuti dalle precedenti curve di caricospostamento. Per definizione la forza massima verrà chiamata d ora in avanti forza al rifollamento: F max [N] F h [N] Nei grafici seguenti si riportano tutti i valori di forza al rifollamento delle prove divisi per lo spessore dei provini. La linea spezzata blu collega i valori medi delle forze di ogni set di prove eseguite con la stessa condizione di carico e di angolo. Le linee azzurre invece racchiudono i valori massimi e minimi. 13/22 7

8 5. ANALISI DEI RISULTATI Valori di forza al rifollamento 3 ø 6 - filetto ø 8 - filetto ø 1 - filetto ø 6 - gambo ø 8 - gambo ø 1 - gambo /22 5. ANALISI DEI RISULTATI Valori della media delle forze al rifollamento Forma delle viti ø 6 ø ø Osservazioni: Comportamento simile per il filetto e per il gambo /22 8

9 5. ANALISI DEI RISULTATI Valori della media delle forze al rifollamento Diametro delle viti Filetto Gambo Le forze aumentano col crescere del diametro; Osservazioni: No dipendenza della forza al rifollamento con l angolo tra la direzione del carico e la fibratura 16/22 5. ANALISI DEI RISULTATI Valori delle forze al rifollamento Densità dei provini 3 3 ø 6 ø y =.315x R 2 = y =.388x R 2 = y =.5x R 2 = y =.67x R 2 = ø ρ [kg/m 3 ] y =.4215x R 2 =.5297 y =.148x R 2 =.685 F max = kd ( ) ρ t Fmax = kd ( ) ρ t β ( d ) Funzione lineare Funzione di potenza ρ [kg/m 3 ] 17/22 9

10 5. ANALISI DEI RISULTATI Formule di predizione della forza al rifollamento Formula con funzione lineare: Formula con funzione di potenza:.5.18 k (d) y =.28x R 2 =.9783 y =.132x.6134 R 2 =.9869 k (d) y =.1x R 2 =.8933 y =.25x -.18 R 2 = d nom [mm] d nom [mm] y = x R 2 =.773 β (d) y = -.38x R 2 = d nom [mm] Fmax t pred,1 = fh d =.14( 1+.2d ) ρ nom nom F max t = fh d =.13 d (1.87 ρ 3d nom ) 2 nom nom pred,2 18/22 5. ANALISI DEI RISULTATI Formule di predizione della forza al rifollamento Confronto (Fmax/t)pred / (Fmax/t)exp (F max/t) pred,1 =.14 (1+.2 d nom) ρ y = -.15x R 2 =.112 y = -.15x R 2 =.1255 y = -.13x R 2 =.164 (F max/t) pred,2 =.13 d 2 ( dnom/) nom ρ y = 9E-5x R 2 =.4 y = -9E-5x R 2 =.5 y = 6E-5x R 2 = ρ [kg/m 3 ] ρ [kg/m 3 ] Osservazioni: Il CoV (coefficiente di variazione) è pari al 18% per entrambe le formule; La formula di predizione 2 fornisce valori molto rispondenti a quelli sperimentali su tutto il range di densità investigato 19/22 1

11 5. ANALISI DEI RISULTATI Confronto dei risultati con le formule di normativa 35 3 Filetto 35 3 Gambo dnom [mm] Valori Exp Valori Pred ø nom Pref ø nom No Pref ø nucl Pref ø nucl No Pref d nom [mm] Valori Exp ø gambo Pref Valori Pred ø gambo No Pref UNI EN 1995:27 f f hk, hk, =.82 ρ d k.3 =.82 (1.1 d) ρ k Senza preforatura Con preforatura F t max = f d h Osservazioni: Per il filetto la formula di predizione sottostima i valori sperimentali. Viceversa per il gambo; Per il filetto solo la formula di normativa per le viti senza preforo moltiplicata per il diametro nominale si adatta meglio ai valori della formula di predizione. 2/22 6. CONCLUSIONI Osservazioni I valori medi di forza al rifollamento mostrano scarsa dipendenza dagli angoli tra la direzione del carico e quella della fibratura. Inoltre non c è dipendenza dalla forma della vite, ossia gambo liscio o filettato; Si sono proposte due formule di predizione della forza al rifollamento, ma la migliore che fornisce valori predetti molto vicini a quelli sperimentali su tutto l intervallo di densità indagato è la seguente: F max t = fh d =.13 d (1.87 ρ 3d nom ) 2 nom nom pred,2 [N/mm] Le formulazioni esistenti non sono adatte a determinare la forza al rifollamento per viti auto-foranti, per lo meno nel campo dei diametri investigati in questa ricerca e per il tipo di vite utilizzato. Possibili sviluppi Sarebbe interessante condurre delle nuove campagne sperimentali con viti di altre ditte e poi confrontare i risultati con quelli ottenuti in questa ricerca; Proporre una campaga sperimentale utilizzando viti di diametri maggiori e minori di quelli scelti, ad esempio, oltre ai diametri 6, 8 e 1 mm, anche diametri di 4, 5 e 12 mm. 21/22 11

12 Grazie per l attenzione! 22/22 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRENTO FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Civile Specialistica A.A. 28/29 La resistenza al rifollamento del legno di abete in presenza di viti auto-foranti Relatore: Laureando: Prof. Ing.. Marco Ballerini Daniele Bolcato 12