Nicola Tondini 1, Riccardo Zandonini 1. Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Strutturale, Università degli Studi di Trento, Trento

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1 Materiali ed Approcci Innovativi per il Progetto in Zona Sismica e la Mitigazione della Vulnerabilità delle Strutture Università degli Studi di Salerno Consorzio ReLUIS, Febbraio 2007 On going activities of the RU 8 on the performance evaluation of steel-concrete composite joints and of steel connection details for fatigue performance of composite bridge decks Alessio Bonelli 1, Oreste S. Bursi 1, Fabio Ferrario 1, Raffaele Pucinotti 2, Nicola Tondini 1, Riccardo Zandonini 1 1 Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Strutturale, Università degli Studi di Trento, Trento 2 Dipartimento di Meccanica e Materiali, Università Mediterranea di Reggio Calabria, Reggio C.

2 I GIUNTI TRAVE-COLONNA 1/17 OBIETTIVO: Sviluppo di procedure di progettazione per giunti trave-colonna composti acciaio-calcestruzzo soggetti ad azioni eccezionali: SISMA e FUOCO PROGETTAZIONE TRADIZIONALE SECONDO L ATTUALE NORMATIVA EUROPEA PROGETTAZIONE INNOVATIVA PROGETTO PRECIOUS-RELUIS Progetto sismico Progetto al fuoco Le azioni eccezionali sono considerate nella progettazione come eventi indipendenti Progetto sismico Progetto al fuoco Gli elementi strutturali dovranno garantire soddisfacenti prestazioni in presenza di azioni sismiche e al contempo assicurare un adeguato comportamento al successivo incendio

3 GIUNTO TIPO 2 2/17 1. Nell ambito del progetto di ricerca PRECIOUS, i partner di PRECIOUS hanno individuato una nuova soluzione di giunto rigido a completo ripristino di resistenza saldato anche in opera, capace di garantire un grado di resistenza al fuoco oltre la fase di sisma. 2. All interno del progetto di ricerca RELUIS, UNITN ha individuato una nuova soluzione di giunto rigido a completo ripristino di resistenza bullonato, capace di garantire facilità di montaggio ed evitare le problematiche connesse con i processi di saldatura in cantiere.

4 GIUNTO TIPO 2 Giunti a totale ripristino di resistenza con colonne concrete filled Progettazione a fuoco e sisma degli elementi strutturali secondo EC-4 ed EC-8; Progettazione del giunto con il metodo per componenti; Analisi termica del nodo agli elementi finiti; 3/17

5 GIUNTO TIPO 2 4/17 17,5 7,5 10 La struttura tipo : main moment resisting frame secondary beam 7,5 5 piani altezza d interpiano 3,5 m; 3 telai con interasse 7,5 m; main beam secondary beam main beam 7,5 15 I telai hanno 2 campate di: - 7 e 10,5 m per lastra predalles; - 7,5 e 10 m per lamiera grecata. 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 Le TRAVI Principali IPE 400 Secondarie IPE 300 Il SOLAIO Solaio gettato su LAMIERA GRECATA h=15 cm Solaio gettato su LASTRA PREDALLES h=16 cm Le COLONNE Sono del tipo concrete filled ossia riempite di calcestruzzo. Sezione circolare F 457 mm spessore 12 mm. E STATA CONDOTTA LA VERIFICA A FUOCO DEGLI ELEMENTI STRUTTURALI ez2 ez1 CHS 457/12

6 GIUNTO TIPO 2 5/17 Progettazione del GIUNTO TRAVE-COLONNA Normativa di riferimento (EC3-2003, EC4-2004, EC8-2003) Giunto RIGIDO Giunto a COMPLETO RIPRISTINO di resistenza

7 GIUNTO TIPO 2 6/17 Per la trasmissione degli sforzi sono previsti 3 meccanismi possibili: Per momento flettente POSITIVO : Meccanismo frontale Meccanismo 1 Meccanismo laterale Meccanismo 2 Per momento flettente NEGATIVO : Meccanismo resistente posteriore Sviluppati per giunti: RIGIDI Con colonne HE o IPE NON APPLICABILI PER COLONNE CIRCOLARI USO DI ANALISI AGLI ELEMENTI FINITI PER LO STUDIO DEI MECCANISMI (ABAQUS 6.4.1)

8 GIUNTO TIPO 2 7/17 MODELLO DEL NODO: 2 MODELLI: 1 PER LAMIERA GRECATA 1 PER LASTRA PREDALLES 1 PARTE COMUNE IN ACCIAIO BARRE DI ARMATURA SOLETTA IN CALCESTRUZZO ANALISI MECCANICA (SOLETTA E PIATTI): 4 DIVERSE CONDIZIONI DI ATTRITO TRA SOLETTA E COLONNA 2 DIVERSE CONDIZIONI DI CARICO COMPRESSIONE SOLO SU DI UN LATO COMPRESSIONE E TRAZIONE

9 GIUNTO TIPO 2 8/17 SOLETTA in COMPRESSIONE ¾ Tensioni principali longitudinali S22: - Le tensioni aumentano; - Aumenta efficacia trasmissione sforzi; m=tie m=0 PIASTRE ORIZZONTALI ¾ Trasmissione secondo rigidezza massima; ¾ Plasticizzazione totale solo con grandi rotazioni; ¾ Sezione resistente b pari a metà larghezza; ¾ La sovrapposizione tra trave e piastra garantisce resistenza e rigidezza elevata; b 40 ¾ Tensioni principali trasversali S11: - Le tensioni diminuiscono; - Minor inclinazione del Meccanismo 2. 2

10 GIUNTO TIPO 2 9/17 Considerazioni generali La zona di transizione è sovraresistente La porzione di colonna non partecipa alla connessione La zona intermedia risulta determinante per la resistenza e rigidezza della connessione Metodo per componenti Modellazione del nodo con molle con caratteristiche: - Rigidezza - Resistenza - Capacita deformativa Ogni molla rappresenta una componente z Soletta o barre d armatura Piatto orizzontale superiore Parte superiore piatto verticale Parte inferiore piatto verticale Piatto orizzontale inferiore

11 GIUNTO TIPO 2 10/17 SOLETTA SU LAMIERA GRECATA Resistenza: Nodo a completo ripristino a M + Nodo a completo ripristino a M - Momento Rigidezza resistente del nodo nodo secondo EC 8, lamiera grecata. 20, , Nodo rigido 10,0 5,0 500 Nodo semirigido Rigidezza: Nodo rigido a M + rispetto alla trave Nodo rigido a M - rispetto alla trave [kn*m] [knm] 0,0-0,050-0,040-0,030-0,020-0,010 0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 Nodo 0 semirigido -5,0-0,20-0,15-0,10-0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20-10,0-500 Nodo rigido -15,0 [knm] [kn*m] Momento Rigidezza resistente nodo nodo secondo EC 20,0 8, lastra predalles. 15, ,0 5,0 0,0-0,05Nodo -0,04-0,03-0,02-0,01 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 semirigido -5,0 0-0,20-0,15-0,10-0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 Nodo rigido , , ,0 [mrad] [mrad] Nodo rigido Nodo semirigido hogging bending moment Limite joint 1+ sagging Limite bending 2+ moment Nodo + joint Nodo Mom - res Limite plastico 1- positivo Limite 2-Mom res plastico negativo ,0 [mrad] [mrad] hogging bending moment Limite joint 1+ sagging Limite bending 2+ moment Nodo + joint Nodo Mom - res Limite plastico 1-positivo Limite 2- Mom res plastico negativo SOLETTA SU LASTRA PREDALLES Resistenza: Nodo a completo ripristino a M + Nodo a completo ripristino a M - Rigidezza: Nodo rigido a M + rispetto alla trave Nodo rigido a M - rispetto alla trave

12 GIUNTO TIPO 2 MAPPATURA TERMICA DEL NODO 3D (30 min; 60 min) 1. Analisi ad elementi finiti (ABAQUS 6.4.1) per tempi di esposizione di 30 e 60 minuti d incendio 2. Soletta con getto su lastra predalles mostra comportamento migliore rispetto alla soletta con getto su lamiera grecata 3. La parte in acciaio della colonna riscalda la soletta a contatto con la colonna stessa. 4. Le parti in acciaio mostrano elevate temperatura già per bassi tempi di esposizione 11/17

13 GIUNTO TIPO 2 12/17 Relazione momento-rotazione del NODO TRAVE-COLONNA al variare del tempo di esposizione e quindi della temperatura 1000 Momento resistente del nodo a momento negativo [knm] ,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 [mrad] 20 C Esposizione al fuoco di 30' Esposizione al fuoco di 60'

14 GIUNTO TIPO 2 13/17 Progettazione del SET-UP di prova Vista frontale Vista laterale

15 GIUNTO TIPO 2 14/17 Progettazione della strumentazione di prova

16 GIUNTO TIPO 2 15/17 Assemblaggio dei campioni da sottoporre a prova GIUNTI SALDATI

17 GIUNTO TIPO 2 16/17 Campioni da sottoporre a prova GIUNTI BULLONATI.

18 GIUNTO TIPO 2 17/17 SET-UP di prova e GIUNTO BULLONATO

19 LE CONNESSIONI NEGLI IMPALCATI DA PONTE 1/14 OBIETTIVI: Sviluppo di regole e strumenti necessari per la progettazione di nuovi ponti stradali composti acciaio-calcestruzzo e per l'adeguamento di ponti esistenti mediante l'impiego di materiali altamente prestazionali. Partendo da due ponti esistenti saranno identificati gli elementi più critici che possono influenzare il comportamento globale della struttura. In particolare: saranno esaminate le attuali norme progettuali in riferimento alle azioni naturali ed antropiche; saranno identificati i livelli prestazionali per ogni sistema e dettaglio costruttivo, anche con riferimento alla durabilità; saranno analizzati i giunti traverso-trave che sono tra i dettagli maggiormente critici negli impalcati; saranno migliorate le resistenze a fatica e ottimizzati i dettagli anche grazie all uso di acciai ad alta resistenza.

20 LE CONNESSIONI 2/14 All interno di questa ricerca, parte del progetto RELUIS, UNITN ha individuato 2 casi studio allo scopo di sviluppare soluzioni progettuali innovative per i dettagli maggiormente critici per i ponti in struttura composta acciaio-calcestruzzo: un viadotto a cassone in struttura composta, il viadotto Montevideo. 7 campate semplicemente appoggiate di luce 75 m. un ponte a travata reticolare, il ponte Rocchetta. Una campata di 105 m.

21 LE CONNESSIONI 3/14 1) Stato di fatto Viadotto Montevideo Il viadotto presenta un avanzato stato di corrosione nel cassone di acciaio. Parallelamente, l opera è oggetto di adeguamento mediante post-compressione esterna all interno del cassone. 2) Analisi numerica È stato sviluppato un modello agli elementi finiti al fine di identificare i dettagli maggiormente critici nei confronti delle sollecitazioni dinamiche. 3) Identificazione dinamica del viadotto

22 LE CONNESSIONI 4/14 Stato di fatto del viadotto Il cassone in acciaio presenta un avanzato stato di corrosione dovuto alle condizioni ambientali fortemente sfavorevoli La composizione chimica indica che l acciaio è di tipo COR-TEN adatto all impiego strutturale C Mn Si P S Cr Ni Mo Cu V

23 LE CONNESSIONI 5/14 Adeguamento del viadotto: Soluzione N. 1 1) Post-compressione esterna del cassone con andamento parabolico dei cavi (Studio Siges S.a.s.)

24 LE CONNESSIONI 6/14 1) Post-compressione esterna del cassone con andamento parabolico dei cavi

25 LE CONNESSIONI 7/14 CONFRONTI Confronto tra il modello basato sugli EF a trave e il modello EF 3D della tensione ideale sul fondo del cassone in mezzeria della campata curvilinea per le diverse fasi di costruzione Fase σ id,st,inf,1 [MPa] D Modello a Trave Modello 3D σ tot MPa

26 LE CONNESSIONI 8/14 Adeguamento del viadotto; Soluzione 2 2) Post-compressione esterna del cassone con andamento rettilineo dei cavi disposti sul fondo del cassone con lunghezze diverse

27 LE CONNESSIONI 9/14 Identificazione dei dettagli critici Diaframma reticolare di testata Configurazione per prova a fatica con tecniche di sottostrutturazione PICCOLO PICCOLO PICCOLO

28 LE CONNESSIONI 10/14 Identificazione dinamica del viadotto mediante vibrazioni ambientali ai fini della verifica del modello EF 3D. Configurazione A - Strumentazione lato spalla 9,8 9,8 9,8 11,5 11,59,8 9,8 9,8 NOTA Accelerometri verticali 393C Accelerometri trasversali B12 Accelerometri longitudinali 393C Accelerometri verticali fissi Disposizione degli accelerometri Matrice di AutoMAC per i modi significativi. AutoMAC = T { ψ X} { ψ A} T T ({ ψ X} { ψ X} ) { ψ A} { ψ A} 2 ( ) { ψ }, dove autovettore Posizione Sistema di Acquisizione Modi E

29 LE CONNESSIONI 11/14 Identificazione dinamica del viadotto mediante vibrazioni ambientali Configurazione B - Strumentazione lato pila 9,8 9,8 9,8 11,5 11,59,8 Posizione accelerometri sulla pila 9,8 9,8 Posizione Sistema di Acquisizione NOTA Accelerometri verticali 393C Accelerometri trasversali B12 Accelerometri longitudinali 393C Accelerometri verticali fissi Applicazione di tecniche Frequency Domain Decomposition (FDD) per valutare la risposta

30 LE CONNESSIONI 12/14 Stato di fatto Ponte Rocchetta Il ponte è stato realizzato recentemente nel Lo schema statico èdi doppio incastro con appoggi scorrevoli sotto una spalla per assorbire le deformazioni termiche. Analisi numerica È stato sviluppato un modello agli elementi finiti al fine di identificare i dettagli maggiormente critici nei confronti delle sollecitazioni dinamiche.

31 LE CONNESSIONI 13/14 Dettagli critici Giunto della travata reticolare vicino all appoggio PICCOLO Configurazione per prova a fatica con tecniche di sottostrutturazione PICCOLO PICCOLO PICCOLO

32 LE CONNESSIONI 14/14 Dettagli critici Diaframma trasversale vicino all appoggio Configurazione per prova a fatica con tecniche di sottostrutturazione PICCOLO PICCOLO PICCOLO

33 GRAZIE PER L ATTENZIONE. L DOMANDE?