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Università degli Studi di Napoli Federico II Dipartimento di Ingegneria Strutturale D.I.ST VITA RESIDUA A FATICA DEI PONTI FERROVIARI CHIODATI CANDIDATO.

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Presentazione sul tema: "Università degli Studi di Napoli Federico II Dipartimento di Ingegneria Strutturale D.I.ST VITA RESIDUA A FATICA DEI PONTI FERROVIARI CHIODATI CANDIDATO."— Transcript della presentazione:

1 Università degli Studi di Napoli Federico II Dipartimento di Ingegneria Strutturale D.I.ST VITA RESIDUA A FATICA DEI PONTI FERROVIARI CHIODATI CANDIDATO Giuseppe La Manna Ambrosino Matr. 344/85 RELATORI Ch.mo. Prof. Ing. Federico M. Mazzolani Ch.mo. Prof. Ing. Raffaele Landolfo CORRELATORE Dr. Ing. Mario DAniello Facoltà di Ingegneria Tesi di Laurea in Teoria e Progetto delle Strutture in Acciaio

2 Le strutture storiche in carpenteria metallica costituiscono un patrimonio architettonico di grande rilievo nel nostro Paese. Tra tutte, i ponti ferroviari chiodati rappresentano la tipologia strutturale più diffusa. A distanza di oltre anni dalla costruzione, tali strutture evidenziano un marcato stato di degrado e/o inadeguatezza strutturale. I collegamenti (quasi sempre chiodati) sono la parte più vulnerabile e suscettibile di degrado da corrosione e fatica. MOTIVAZIONI

3 La valutazione della vita residua a fatica dei ponti, analizzando levoluzione del degrado indotto dalla corrosione, è una questione di fondamentale importanza. Al di là della necessità di conservazione, tale studio influenza le scelte gestionali e manutentive degli enti gestori di infrastruttura. Obiettivo di questo lavoro di tesi è la valutazione della vita residua a fatica dei ponti ferroviari chiodati in presenza di corrosione. Lapproccio seguito è stato applicato ad un caso studio: il Ponte ferroviario sul Torrente Gesso. OBIETTIVI

4 FATICA: GENERALITA FATICA Il fenomeno della fatica si manifesta con la rottura improvvisa di elementi poco sollecitati rispetto ai limiti statici, ma soggetti a molti cicli di sollecitazione alternate nel tempo. La rottura per fatica, a differenza di quella monotona, può avvenire per: NUCLEAZIONE: partendo dal materiale integro, con una cricca che inizia da una zona ad elevata sollecitazione, e che si propaga ciclo dopo ciclo fino al collasso. A PARTIRE DA UN DIFETTO: (es. inclusione, vacanza) con propagazione non necessariamente nella zona di massima sollecitazione

5 FATICA: RIFERIMENTO NORMATIVO FATICA Istruzione 44F Verifiche a fatica dei ponti ferroviari metallici dellEnte Ferrovie dello Stato. L Eurocodice 1 e l Eurocodice 3. La metodologia proposta dalla norma si basa sullapplicazione della Regola di Miner. 1 Calcolo sollecitazioni per ciascun treno di carico considerato, con disposizione dei carichi tale da massimizzare le escursioni di tensione. 2 Tracciamento oscillogrammi delle tensioni. 3 Calcolo n° di cicli totali per il periodo di riferimento in esame. 4 Calcolo N° di cicli a fatica sulla diagramma S-N 5 Calcolo del coefficiente η (sommatoria del rapporto fra n° cicli agenti e N° di cicli a fatica)

6 CORROSIONE: GENERALITA E RIFERIMENTO NORMATIVO CORROSIONE Per corrosione si intende l interazione chimico - fisica tra un metallo e lambiente esterno. Tale interazione può determinare riduzioni consistenti degli spessori in modo da ridurre sensibilmente lefficienza del sistema tecnico di cui questo fa parte. Il parametro che controlla il fenomeno è la velocità di corrosione. Per il modello di degrado si è fatto riferimento allo standard ISO d 1 (t) =r av *t t<10 anni d (t)=r av *10+r lin *(t-10) t10 anni d 1 (t) profondità media corrosione primi 10 anni esposizione d(t) profondità media corrosione nellintervallo di tempo considerato r av velocità media corrosione r lin velocità media corrosione stabilizzata t tempo di esposizione

7 METODOLOGIA DI CALCOLO FATICA E CORROSIONE Se si vuole analizzare la risposta strutturale, considerando in maniera accoppiata i fenomeni di fatica e corrosione, la difficoltà maggiore risiede nella scelta della opportuna sezione da prendere in considerazione per effettuare la verifica. In accordo con la Teoria di Miner, il danno cumulato per effetto del carico ciclico è proporzionale al rapporto fra il numero di cicli n i che il componente ha subito e il numero di cicli N i che provoca la rottura al livello di tensione σ. Il danno complessivo cumulato dal materiale per effetto di una successione di carichi ciclici è dato dalla sommatoria dei danni relativi a ciascun livello tensionale. La rottura si verifica se

8 Per tener conto nelle verifiche a fatica di uno stato tensionale che evolve nel tempo, in seguito alla riduzione dello spessore dei piatti determinata dalla presenza di corrosione, si è proposta la seguente METODOLOGIA DI CALCOLO: ESEMPIO: corrente inferiore – Treno di carico n°3 Per t=0anni Riduzione:0% Δσ= N/mm 2 n i =0 N i = Per t=10anni Riduzione:23.2% Δσ= N/mm 2 n i =25550 N i = Per t=20anni Riduzione:23.5% Δσ= N/mm 2 n i =51100 N i = Per t=30anni Riduzione:23.8% Δσ= N/mm 2 n i =76650 N i = METODOLOGIA DI CALCOLO FATICA E CORROSIONE 1 Suddivisione intervallo temporale di riferimento in sub-intervalli pari a 10 anni. 2 Determinazione stato tensionale relativo al decennio di riferimento tenendo conto della riduzione di sezione. 3 Calcolo del livello di danneggiamento relativo al decennio in esame: ni/N i 4 Sommatoria estesa allintero periodo di riferimento dei livelli di danneggiamento relativi a ciascun decennio ESEMPIO: corrente inferiore – Treno di carico n°3 Per t=0anni η=0 Per t=10anni η=0.041 Per t=20anni η=0.042 Per t=30anni η=0.043 Per t=150anni η=0.725<1

9 COLLEGAMENTI CHIODATI TECNOLOGIA E MODALITA DI POSA IN OPERA COLLEGAMENTI CHIODATI TECNOLOGIA E MODALITA DI POSA IN OPERA - Le parti da collegare vengono bloccate nella morsa, avendo cura di far coincidere i fori; - Il chiodo viene riscaldato, in una apposita forgia, fino ad una temperatura di 1100 °C; - Il chiodo viene prelevato dalla forgia e, con una certa rapidità, inserito allinterno del foro con il contributo di qualche colpo di martello; - Posizionamento di un fermo detto reggicontro; Fasi della posa in opera - Ribattitura del chiodo.

10 DESCRIZIONE DELLA STRUTTURA CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO La struttura in esame è il Ponte sul Torrente Gesso inserito allinterno della linea ferroviaria Napoli – Foggia. Il ponte si sviluppa su tre campate di 29m coprendo una luce totale di 87m. Lo schema della travata è quello di trave in semplice appoggio, lunico elemento di continuità su tutta la luce è il binario. La tipologia strutturale è reticolare chiusa a via superiore con maglia triangolare semplice.

11 I dati ottenuti dalle prove in situ hanno permesso di effettuare la caratterizzazione dinamica della struttura in esame. Il modello strutturale agli elementi finiti è stato calibrato in modo da ottenere uno scarto percentuale tra i valori dei periodi reali e quelli ottenuti con lanalisi dinamica modale inferiori al 5%. CARATTERIZZAZIONE DINAMICA CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO Deformata Flessione lungo Y: 6.3 Hz Deformata Flessione lungo Z: 8.0 Hz Deformata Torsionale: 12.2 Hz MODELLO GEOMETRICO Le travi metalliche sono accoppiate dalle sole rotaie. Collegamenti fra correnti principale e aste diagonali di tipo cerniera MODELLO MECCANICO Modulo di Elasticità Normale: N/mm 2 Modulo di Poisson: 0.3 Peso specifico: 7850 kg/m 3

12 CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO Deformata Flessione lungo Y: 6.3 Hz Deformata Flessione lungo Z: 8.0 Hz Deformata Torsionale: 12.2 Hz CARATTERIZZAZIONE DINAMICA

13 Acciaio dei chiodi PROVE SUI MATERIALI Acciaio delle lamiere

14 PROVE SULLE UNIONI CHIODATE Le prove condotte sulle unioni chiodate sono relative a: Unioni chiodate storiche (prelevate Ponte sul Torrente Gesso) Unioni chiodate riprodotte in officina con materiali depoca La rottura è avvenuta per tre tipologie di collasso TAGLIO DEI CHIODIRIFOLLAMENTO DELLA LAMIERATRAZIONE DELLA LAMIERA Numero, diametro e interasse dei chiodi Numero e spessore delle lamiere

15 DEFINIZIONE DEGLI SCENARI CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO Lanalisi della struttura è stata condotta definendo 28 scenari di progetto Scenario A Scenario A1 Scenario A2 Scenario A3 Scenario A4 Scenario A5 Scenario A6 Scenario B Scenario B1 Scenario B2 Scenario B3 Scenario B4 Scenario B5 Scenario B6 Scenario C Scenario C1 Scenario C2 Scenario C3 Scenario C4 Scenario C5 Scenario C6 Scenario D Scenario D1 Scenario D2 Scenario D3 Scenario D4 Scenario D5 Scenario D6

16 DEFINIZIONE DEGLI SCENARI CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO Scenario A Treni di carico Scenario B Scenario C Scenario D Corrosione limite inf. Manutenzione: non presente Scenario A1 Scenario B1 Scenario C1 Scenario D1 Corrosione limite inf. Manutenzione: primi 30 anni Scenario A2 Scenario B2 Scenario C2 Scenario D2 Corrosione limite inf. Manutenzione: costante nel tempo Scenario A3 Scenario B3 Scenario C3 Scenario D3 Periodo di riferimento: T=44 anni (2010) T=100 anni (2066) T=150 anni (2116 ) Treni di carico effettivi Treni di carico da norma Treni di carico effettivi solo passeggeri Treni di carico da norma solo passeggeri

17 DEFINIZIONE DEGLI SCENARI CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO Scenario A Treni di carico Scenario B Scenario C Scenario D Corrosione limite sup. Manutenzione: non presente Scenario A4 Scenario B4 Scenario C4 Scenario D4 Corrosione limite sup. Manutenzione: primi 30 anni Scenario A5 Scenario B5 Scenario C5 Scenario D5 Corrosione limite sup. Manutenzione: costante nel tempo Scenario A6 Scenario B6 Scenario C6 Scenario D6 Periodo di riferimento: T=44 anni (2010) T=100 anni (2066) T=150 anni (2116 ) Treni di carico effettivi Treni di carico da norma Treni di carico effettivi solo passeggeri Treni di carico da norma solo passeggeri

18 COLLEGAMENTI VERIFICATI CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO Collegamento corrente inferiore

19 COLLEGAMENTI VERIFICATI CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO Collegamento diagonali

20 COLLEGAMENTI VERIFICATI CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO Collegamento corrente superiore

21 COLLEGAMENTI VERIFICATI CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO Collegamento traversone

22 COLLEGAMENTI VERIFICATI CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO Collegamento longherina

23 VERIFICHE A FATICA ANALISI DEI RISULTATI La crisi si manifesta per collasso del collegamento del corrente inferiore 2016 Vita di esercizio: 50 anni

24 ANALISI DEI RISULTATI Gli elementi che vanno in crisi sono i collegamenti relativi a corrente inferiore e diagonale, soggetti a tensioni normali da sforzo normale di trazione. Non si manifestano collassi per le tensioni da flessione nel corrente superiore, traversone, longherina. Il comportamento esibito è tipico delle travature reticolari; La corrosione gioca un ruolo fondamentale, in sua assenza non si manifesta mai la crisi; Gli scarti percentuali variano in media fra il 150 ed il 300%.

25 ANALISI DEI RISULTATI Le attività di manutenzione giocano un ruolo fondamentale sulla vita residua a fatica in quanto riescono a controllare il degrado da corrosione. La loro influenza risulta legata al n° di cicli agenti.

26 CONCLUSIONI Il lavoro svolto ha evidenziato lestrema suscettibilità dei collegamenti chiodati rispetto ai fenomeni di fatica e corrosione. In particolare, si è evidenziato il ruolo fondamentale del fenomeno corrosivo sulla vita residua a fatica. È stato impiegato un approccio integrato in grado di considerare contemporaneamente levoluzione dello stato tensionale dovuto al degrado da corrosione ed il danno cumulato nellelemento causato dai fenomeni di fatica. La presenza di corrosione accoppiata ai fenomeni di fatica riduce sensibilmente la vita residua a fatica della struttura. È emersa limportanza delle attività di manutenzione sulla durabilità della struttura. Sono state fornite allente gestore le indicazioni per la pianificazione delle attività di manutenzione dellinfrastruttura analizzata.

27 SVILUPPI FUTURI Il lavoro presentato getta le basi per la formulazione organica di una metodologia di calcolo per la determinazione della vita residua a fatica in presenza di corrosione, basata sull analisi probabilistica delle variabili coinvolte, che sono: Le azioni di progetto (treni di carico) Le resistenze (resistenza a fatica) Il conteggio dei cicli e lampiezza delle escursioni tensionali L evoluzione della corrosione nel tempo

28 RINGRAZIAMENTI Il lavoro presentato è stato sviluppato grazie ai seguenti contributi: 1.PROHITECH project Earthquake Protection of Historical Buildings by Reversible Mixed Technologies, coordinato dal Prof. Ing. F. M. Mazzolani 2.Dott. Ing. Antonio DAniello, Direttore Territoriale Produzione di Rete Ferroviaria Italiana (RFI).


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