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Università degli Studi di Napoli FEDERICO II DIST – Dipartimento di Ingegneria Strutturale INDAGINE SPERIMENTALE SUL COMPORTAMENTO A TAGLIO DI UNIONI CHIODATE.

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1 Università degli Studi di Napoli FEDERICO II DIST – Dipartimento di Ingegneria Strutturale INDAGINE SPERIMENTALE SUL COMPORTAMENTO A TAGLIO DI UNIONI CHIODATE IN ACCIAIO CANDIDATO Fabio Papa Matr. 520/541 RELATORI Ch.mo. Prof. Ing. Federico M. Mazzolani Ch.mo. Prof. Ing. Raffaele Landolfo CORRELATORI Dr. Ing. Luigi Fiorino Dr. Ing. Mario DAniello Facoltà di Ingegneria Tesi di laurea

2 Le strutture storiche in carpenteria metallica costituiscono un patrimonio architettonico di grande rilievo nel nostro paese. Tra queste si riconoscono essenzialmente due tipologie strutturali: i ponti e le grandi coperture. Tali strutture esibiscono in genere uno stato di degrado ed insufficienza statica, in particolare a carico dei collegamenti, che sono realizzati in composizione chiodata. Da qui deriva lesigenza di approfondire il comportamento della risposta meccanica delle unioni chiodate. Pertanto, si è intrapresa una ricerca sperimentale al fine di caratterizzare i parametri chiave che influenzano il comportamento delle unioni chiodate, da cui trarne strumenti di previsione e calcolo. MOTIVAZIONE E OBIETTIVI

3 1889 Torre Eiffel STRUTTURE METALLICHE STORICHE Primo ponte in ferro, simbolo della rivoluzione industriale e del progresso dellindustria siderurgica Coalbrookdale Bridge 1890 Forth Bridge Per la costruzione del ponte furono utilizzati otto milioni di chiodi. Per lassemblaggio delle parti metalliche furono impiegati 300 metalmeccanici che lavorarono pezzi di ferro forgiato, utilizzando per i collegamenti due milioni e mezzo di chiodi. Fine XVIII secolo: Rivoluzione industriale Le scoperte fatte in quegli anni facilitarono la produzione di leghe metalliche, tra cui lacciaio Materiale più leggero e più resistente Apertura a nuove soluzioni e applicazioni

4 - 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. SALDATURA BULLONATURA Con lavvento dei bulloni ad alta resistenza, tale sistema è stato preferito alla chiodatura, in quanto la loro messa in opera avviene a freddo e consente una agevole trasformazione delle strutture grazie alla facilità dello smontaggio. CHIODATURA Primo sistema di collegamento nelle strutture metalliche. Utilizzato fino alla prima metà del XX secolo. SISTEMI CLASSICI DI UNIONE IN CARPENTERIA METALLICA

5 TECNOLOGIA CHIODATURA: 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.

6 Prove sulle unioni chiodate Materiale dei Chiodi Prove sui materiali INDAGINE SPERIMENTALE Materiale delle lamiere Le prove sono state effettuate presso i laboratori dell Università degli studi di Napoli Federico II, in particolare, quelle relative ai materiali sono state eseguite nei laboratori della Facoltà di Ingegneria, quelle relative alle unioni chiodate presso i laboratori della Facoltà di Architettura. Lindagine sperimentale rientra in una attività di ricerca in cui il responsabile scientifico è il Prof. Ing. Raffaele Landolfo, il coordinatore è il Prof. Ing. Federico Massimo Mazzolani.

7 I chiodi risalgono agli anni 50 – 60 e provengono dal deposito della RFI (Rete Ferroviaria Italiana). Materiale dei chiodi PROVE SUI MATERIALI Sono di tre diametri diversi: 16 mm, 19 mm, 22 mm Per ogni diametro sono stati lavorati tre provini, e per ognuno di essi è stata filettata lestremità che a sua volta è stata connessa con dei manicotti appositamente progettati per assicurare un buon ammorsamento nella macchina di prova. Dal diagramma appare evidente che non è rispettato un trend continuo delle caratteristiche del materiale in funzione dei differenti diametri dei provini, per cui per la definizione delle caratteristiche del materiale dei chiodi verranno scelti i valori ottenuti dalla media dei valori ricavati per i tre diversi diametri.

8 Materiale delle lamiere PROVE SUI MATERIALI Le lamiere, anchesse prelevate dal deposito della RFI (Rete Ferroviaria Italiana), risalgono agli anni 70 e 80 Sono di due spessori : 10 mm e 12 mm Per ogni spessore, sono stati lavorati 5 provini sui quali sono state effettuate le prove di trazione. La misurazione degli allungamenti è stata affidata a due trasduttori di spostamento (LVDT), uno collegato alla macchina, laltro al provino. Inoltre, sui provini è stato applicato uno strain gage per una misura della deformazione più accurata. Il grafico caratteristico del materiale dei piatti da 10 mm è stato ottenuto utilizzando i valori medi relativi ai cinque provini, analogamente per i piatti da 12 mm.

9 PROVE SULLE UNIONI CHIODATE DESCRIZIONE PROVE Provini I provini sono rappresentativi delle unioni elementari di due strutture: Ponte ferroviario sul fiume Gesso (FG) Galleria Umberto I di Napoli Ad ogni provino è stato assegnato un codice identificativo Symmetric Unsymmetric Diametro dei chiodi Spessore della lamiera Numero dei chiodi S11610 Provini con chiodo singolo, simmetrici e non simmetrici Provini con chiodi in fila singola,simmetrici e non simmetrici S _A S _B S _C U U Per ogni tipologia di collegamento sono stati realizzati tre provini Per i provini non simmetrici con diametro dei chiodi pari a 19 mm e spessore della lamiera di 10 mm con due e quattro chiodi avremo una stessa etichetta ma differenti caratteristiche geometriche. U U

10 DESCRIZIONI PROVE Provini simmetrici con chiodo singoloProvini non simmetrici con chiodo singolo

11 DESCRIZIONE PROVE Provini non simmetrici con chiodi in fila singolaProvini simmetrici con chiodi in fila singola

12 PROGRAMMA PROVE

13 PROVE SULLE UNIONI CHIODATE Macchina di prova La macchina utilizzata è una Zwick/Roell elettromeccanica Strumentazione La strumentazione è costituita da due LVDT (Linear Variable Differential Transformer), tramite i quali è possibile leggere gli spostamenti lungo la direzione di applicazione della forza. Tali dispositivi vengono posizionati per mezzo di squadrette e rimandi incollati al provino stesso Provino inserito nella macchina di prova con e senza la strumentazione.

14 DESCRIZIONE DEI RISULTATI PARAMETRI SIGNIFICATIVI Picco Limite ultimo Limite elastico Rigidezza

15 DESCRIZIONE DEI RISULTATI MECCANISMI DI COLLASSO La rottura è avvenuta per tre tipologie di collasso TAGLIO DEI CHIODIRIFOLLAMENTO DELLA LAMIERATRAZIONE DELLA LAMIERA

16 DESCRIZIONE DEI RISULTATI MECCANISMI DI COLLASSO Provino U _B Provino S _A Taglio del chiodo

17 Provino S _C Con conseguente rottura a taglio del chiodo Provino S _B Con conseguente rottura della lamiera DESCRIZIONE DEI RISULTATI MECCANISMI DI COLLASSO Rifollamento lamiera

18 DESCRIZIONE DEI RISULTATI Taglio dei chiodi Trazione della lamiera Provino U _A Provino U _A MECCANISMI DI COLLASSO

19 Provino S _A Provino U _C DESCRIZIONE DEI RISULTATI Trazione della lamiera Provino S _B MECCANISMI DI COLLASSO

20 DESCRIZIONE DEI RISULTATI SCHEDA DI PROVA

21 DESCRIZIONE DEI RISULTATI SCHEDA DI PROVA

22 CONFRONTO SPERIMENTAZIONE – PREVISIONE TEORICA RESISTENZA A TRAZIONE DELLA LAMIERA RESISTENZA A RIFOLLAMENTO DELLA LAMIERA Resistenze secondo la normativa prEN Resistenze sperimentali Sono stati ricavati, per ogni provino, il valore massimo, minimo e medio. COEFFICIENTE DI VARIAZIONE ( CV ) F v,Rd = 0,6 f ur A 0 Mr F t,Rd = f u A netta F b,Rd = Mr 2,5 f u d 0 t RESISTENZA A TAGLIO DEVIAZIONE STANDARD ( σ ) ( x i – x ) 2 n – 1 i=1 n x i n i=1 n = x 1 σ = Media CV = Inoltre, sono stati calcolati, come segue, la deviazione standard e il coefficiente di variazione:

23 CONFRONTO SPERIMENTAZIONE – PREVISIONE TEORICA

24

25 CONCLUSIONI E stata condotta una campagna sperimentale al fine di approfondire il comportamento meccanico delle unioni chiodate, soggette a taglio. Tre meccanismi di collasso sono stati riscontrati sperimentalmente: Taglio del chiodo o dei chiodi, Rifollamento della lamiera; Trazione della lamiera. E stato effettuato un confronto tra la sperimentazione e le previsioni teoriche. Da tale confronto è emerso che le previsioni teoriche sottostimano quelle sperimentali. In particolare: Nel caso di provini con un numero di sezioni resistenti minori di 2, le previsioni teoriche sottostimano in media di 1,5 volte quelli sperimentali; Nel caso di provini con un numero di sezioni resistenti maggiori di 2, le previsioni teoriche sottostimano in media di 1,2 volte quelli sperimentali. Inoltre, si può riconoscere un andamento simile per i provini costituiti da due e quattro chiodi (collasso per trazione della lamiera).

26 In aggiunta una sperimentazione numerica sarà intrapresa per approfondire la risposta meccanica dei collegamenti chiodati. SVILUPPI FUTURI I risultati dellindagine sperimentale hanno fornito i dati preliminari che porteranno alla messa a punto di modelli teorici, predittivi della risposta in termini di resistenza, rigidezza e deformazione ultima. Pertanto, analisi ad elementi finiti saranno condotte su modelli che, calibrati sulla base dei risultati ottenuti sperimentalmente, consentiranno una analisi di dettaglio.

27 RINGRAZIAMENTI Lattività di ricerca presentata è stata sviluppata grazie ai seguenti soggetti: PROHITECH project Earthquake Protection of Historical Buildings by Reversible Mixed Technologies co-ordinated by Prof. F.M.Mazzolani; PRIN prot _004 Vulnerability and reversible consolidation techniques for historical metal structures; Responsabile unità di ricerca: Prof. R. Landolfo Eng. Antonio DAniello, Direttore compartimentale di Napoli di rete ferroviaria italiana (RFI).

28 GRAZIE PER LATTENZIONE


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