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STUDIO NUMERICO E SPERIMENTALE DEL COMPORTAMENTO MECCANICO DI GIUNTI CON INSERTI FIBRORINFORZATI PER ELEMENTI STRUTTURALI LIGNEI Tesi di Laurea Specialistica.

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Presentazione sul tema: "STUDIO NUMERICO E SPERIMENTALE DEL COMPORTAMENTO MECCANICO DI GIUNTI CON INSERTI FIBRORINFORZATI PER ELEMENTI STRUTTURALI LIGNEI Tesi di Laurea Specialistica."— Transcript della presentazione:

1 STUDIO NUMERICO E SPERIMENTALE DEL COMPORTAMENTO MECCANICO DI GIUNTI CON INSERTI FIBRORINFORZATI PER ELEMENTI STRUTTURALI LIGNEI Tesi di Laurea Specialistica di: Elisa Sala Relatore: Prof. Carlo Poggi Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Civile Anno accademico 2009/2010

2 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 2 Unioni incollate con inserti a scomparsa Fresatura degli elementi in legno da giuntare Inserimento dei connettori In ACCIAIObarre ad aderenza migliorata, lamiere preforate, lamiere striate sabbiate e similari In FRPinserti laminati, inserti sciolti Percolazione della resina epossidica Il presente lavoro si inserisce nellambito del contratto di ricerca Studio di collegamenti innovativi per elementi strutturali lignei tra il Politecnico di Milano e la ditta Cenci Legno s.a.s.

3 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 3 Indice Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni Modellazione del legno Tipologie di connessione tra elementi lignei Resina Epossidica Materiali Fibrorinforzati Sperimentazione Interpretazione numerica dei risultati Interpretazione analitica dei risultati

4 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 4 Legno massiccio e legno lamellare Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni Le proprietà meccaniche sono in stretta relazione con le tre direzioni anatomiche del materiale: Longitudinale: parallela alla direzione del tronco Radiale: parallela alla direzione degli anelli Tangenziale: parallela alla tangente dei cerchi concentrici Un elemento in legno privo di difetti è localmente schematizzabile come materiale ortotropo rispetto ai tre piani Considerando un cubo di legno lontano dallasse midollare è possibile sostituire gli anelli con strati piani

5 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 5 Legno massiccio e legno lamellare Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni Ulteriore semplificazione: riferirsi ad ununica direzione anatomica con due orientazioni: Parallela alla fibratura Perpendicolare alla fibratura Comportamento elastico lineare a trazione e elasto-plastico a compressione

6 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 6 Strutture in legno lamellare Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

7 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 7 Tipologie di connessione Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni Unioni tradizionali Unioni meccaniche unioni legno/legno in cui le sollecitazioni si trasmettono direttamente tramite sforzi di compressione o trazione la trasmissione degli sforzi avviene in maniera indiretta, attraverso l'inserimento di elementi metallici eventualmente con la presenza di colla connettori metallici a gambo cilindrico chiodi, bulloni, perni, viti connettori metallici di superficie caviglie, anelli, piastre dentate

8 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 8 Sperimentazione n. 3 Capriate a ginocchion. 1 con inserti in lamiera sabbiata n. 1 con inserti in FRP sciolti n. 1 con inserti in FRP laminati Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni n. 3 Capriate a gomiton. 1 con inserti in lamiera sabbiata n. 1 con inserti in FRP sciolti n. 1 con inserti in FRP laminati

9 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 9 Sperimentazione n. 3 Travi a tre vien. 1 con inserti in piastre di acciaio n. 2 con inserti in FRP Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni n. 6 Travi rettilineen. 3 con inserti in FRP sciolti n. 3 con inserti in FRP laminati

10 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 10 Adesivo strutturale epossidico Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni Sono polimeri termoindurenti dopo la reazione di reticolazione viene prodotto un reticolo 3D infusibile e indeformabile plasticamente Gli adesivi sono forniti in coppie di fustini predosati Componente A (resina) Componente B (indurente) Caratteristiche: Elevata resistenza agli agenti chimici Invariabilità volumetrica e della struttura molecolare Capacità di adesione su superfici senza velo dacqua

11 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 11 Materiali fibrorinforzati - FRP Materiali non presenti in natura, costituiti da almeno due sostanze (fasi) con proprietà chimiche e caratteristiche meccaniche diverse Fase continua (matrice) di natura polimerica FORMA Fase dispersa (rinforzo) costituita da fibre lunghe RESISTENZA Tessuti unidirezionalifibre secche disposte in una sola direzione Lamine bidirezionalifibre pre-apprettate disposte ad intreccio nelle due direzioni ortogonali Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

12 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 12 Tipologie di inserti in FRP utilizzati Stuoia bidirezionale in vetro pre-apprettata Stuoia bidirezionale in carbonio pre-apprettata Nastri unidirezionali in carbonio Inserti sciolti Costituiti da singole stuoie, eventualmente rinforzate con nastri di carbonio Inserti laminati Costituiti da più strati di stuoie, eventualmente rinforzate con nastri di carbonio, uniti tra loro con resina epossidica Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

13 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 13 Realizzazione degli inserti Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni Dal rotolo di tessuto pre-apprettato si ricava la sagoma dellinserto, poi spianata con una pistola termica Vengono applicati alle stuoie gli eventuali nastri di rinforzo in carbonio unidirezionali con resina epossidica Si procede, seguendo la sequenza di impacchettamento Per gli inserti sciolti si procede accostando le varie stuoie con dei distanziatori; per gli inserti laminati si procede incollando tra loro i vari strati

14 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 14 Inserti laminati e inserti sciolti realizzati Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni 3 Stuoie bidirezionali in carbonio 4 nastri unidirezionali in carbonio Trave 25 Inserti laminati Trave 26 Inserti sciolti

15 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 15 Inserti laminati e inserti sciolti realizzati Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni Trave 27 Inserti laminati Trave 28 Inserti sciolti 2 Stuoie bidirezionali in vetro 6 nastri unidirezionali in carbonio

16 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 16 Inserti laminati e inserti sciolti realizzati Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni Trave 29 Inserti laminati Trave 30 Inserti sciolti 9 Stuoie bidirezionali in carbonio

17 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 17 Realizzazione delle travi Con macchinari per taglio a controllo numerico predisporre le fresate e la tasca in mezzeria Rendere scabre le superfici di testa con un pantografo per agevolare ladesione della resina al legno Accostare di testa le travi, allinearle ed unirle con viti Posizione dellintaglio trasversale riempito di resina in mezzeria Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

18 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 18 Realizzazione delle travi Sigillare le possibili vie di fuga della resina: nodi in corrispondenza del giunto e spigoli vivi in mezzeria Inserire gli inserti negli intagli, ripuliti dalleventuale truciolame, applicando dei distanziatori per evitare che aderiscano alle pareti delle fresate Unire i due componenti della resina epossidica e riempire il giunto Vibrare le pareti del giunto per agevolare lespulsione delle bolle Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

19 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 19 Appoggio a cui è stata collegata una piastra di acciaio per non punzonare il legno Coltello di carico cilindrico con piastra di acciaio per non punzonare il legno Cavi di acciaio per controventare il martinetto Squadre ancorate al suolo per evitare sbandamenti laterali della trave dotate di teflon Martinetto (250 kN) a cui è collegata una trave per ripartire il carico in due punti, rispettivamente a 1/3 e 2/3 della trave Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni Attrezzatura sperimentale

20 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 20 Posizione dei trasduttori Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni Per la lettura dellevoluzione dellapertura del giunto Per la lettura degli spostamenti orizzontali della trave Trasduttori orizzontali

21 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 21 Posizione dei trasduttori Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni Trasduttori verticali a nucleo libero Per la lettura delle frecce in mezzeria e in corrispondenza dei coltelli di carico

22 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 22 Storia di carico UNI EN 380 – Curva kN Velocità controllo di carico 0.06 kN/sec 18.9 kN 27 kN Velocità controllo di spostamento 0.02 mm/sec Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

23 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 23 Prove sperimentali su elementi strutturali Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

24 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 24 Risultati sperimentali Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni Rottura dellintaglio trasversale riempito di resina 27 kN Rottura 141 kN

25 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 25 Confronto dei risultati ottenuti Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

26 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 26 Confronto dei risultati ottenuti Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

27 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 27 Confronto dei risultati ottenuti Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni Lieve differenza tra inserti sciolti e laminati (realizzati a regola darte) in termini di carico raggiunto Contributo favorevole dei nastri unidirezionali di carbonio

28 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 28 Prove per la caratterizzazione della resina Prova di trazioneProva di flessione Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

29 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 29 Prove per la caratterizzazione della resina Prova di compressioneProva di punch tool Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

30 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 30 Prove di pull-out Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

31 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 31 Modelli ad elementi finiti – Modelli FEM Posizionamento di carrelli sulle superfici per garantire la simmetria Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

32 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 32 Modelli FEM Controllo di spostamento Controllo di carico Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

33 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 33 Modelli FEM Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni Modelli FEM Sperimentale

34 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 34 Modelli FEM Trave rettilinea in legno lamellare con inserti in lamiera di acciaio Modello FEM senza resina Modello FEM con resina Modello FEM con cuscinetto di resina IpotesiLegnomateriale ortotropo Resinamateriale isotropo (assenza di bolle) Acciaiomateriale isotropo Perfetta aderenza Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

35 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 35 Modelli FEM Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni Modelli FEMSperimentale

36 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 36 Modellazione del composito Determinazione dellarea e dello spessore equivalente Area resistente Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni Massa tessuto per unità di area Densità delle fibre Solo stuoie Stuoie e nastri Caratteristiche meccaniche (Teoria dei laminati)

37 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 37 Modelli FEM Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni Sperimentali Modelli FEM

38 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 38 Modelli FEM Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

39 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 39 Calcolo degli sforzi Con modelli FEMAnaliticamente Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

40 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 40 Calcolo degli sforzi Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

41 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 41 Calcolo degli sforzi Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

42 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 42 Modello per la determinazione delle tensioni Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni Fase 1: Calcolo spessori equivalenti Fase 2: Calcolo asse neutro Fase 3: Verifica degli sforzi

43 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 43 Modello per la determinazione delle tensioni Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni M = 30 kNm y = mm VERIFICA SODDISFATTA

44 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 44 Conclusioni Realizzando in modo corretto gli inserti fibrorinforzati si apprezzano buone prestazioni dei giunti in termini di resistenza meccanica I risultati sperimentali, numerici ed analitici sono confrontabili, assicurando la bontà dei modelli ad elementi finiti realizzati per il tratto elastico Implementando i modelli FEM è possibile rappresentare anche la fase non lineare della curva Carico-Spostamento delle travi Per quantificare laderenza tra gli inserti fibrorinforzati ed il legno ottenuta con adesivo epossidico è necessario svolgere ulteriori prove sperimentali Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Analitico Numerico Conclusioni

45 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 45 Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Analitico Numerico Conclusioni Grazie per lattenzione Conclusioni

46 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 46 Modellazione Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

47 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 47 Diagramma Momento-Curvatura Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Analitico Numerico Conclusioni

48 Dipartimento di Ingegneria Strutturale 48 Diagrammi Momento-Rotazione I Stadio II Stadio Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Analitico Numerico Conclusioni


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