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

MOTIVAZIONI 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 50-100 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.

L’approccio seguito è stato applicato ad un caso studio: OBIETTIVI La valutazione della vita residua a fatica dei ponti, analizzando l’evoluzione 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. L’approccio seguito è stato applicato ad un caso studio: il Ponte ferroviario sul Torrente Gesso.

FATICA FATICA: GENERALITA’ 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

FATICA: RIFERIMENTO NORMATIVO Istruzione 44F “Verifiche a fatica dei ponti ferroviari metallici” dell’Ente Ferrovie dello Stato. L’ Eurocodice 1 e l’ Eurocodice 3. La metodologia proposta dalla norma si basa sull’applicazione 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)

CORROSIONE: GENERALITA’ E RIFERIMENTO NORMATIVO Per corrosione si intende l’ interazione chimico - fisica tra un metallo e l’ambiente esterno. Tale interazione può determinare riduzioni consistenti degli spessori in modo da ridurre sensibilmente l’efficienza 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 9224. d1 (t) =rav*t t<10 anni d (t)=rav*10+rlin*(t-10) t≥10 anni d1(t) profondità media corrosione primi 10 anni esposizione d(t) profondità media corrosione nell’intervallo di tempo considerato rav velocità media corrosione rlin velocità media corrosione stabilizzata t tempo di esposizione

METODOLOGIA DI CALCOLO FATICA E CORROSIONE METODOLOGIA DI CALCOLO 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 ni che il componente ha subito e il numero di cicli Ni 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

FATICA E CORROSIONE METODOLOGIA DI CALCOLO 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. ESEMPIO: corrente inferiore – Treno di carico n°3 Per t=0anni Riduzione:0% Δσ=110.98 N/mm2 ni =0 Ni=∞ Per t=10anni Riduzione:23.2% Δσ=144.57 N/mm2 ni =25550 Ni=929994 Per t=20anni Riduzione:23.5% Δσ=145.11 N/mm2 ni =51100 Ni=919556 Per t=30anni Riduzione:23.8% Δσ=145.66 N/mm2 ni =76650 Ni=909200 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: 3 Calcolo del livello di danneggiamento relativo al decennio in esame: ni/Ni 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 4 Sommatoria estesa all’intero periodo di riferimento dei livelli di danneggiamento relativi a ciascun decennio Per t=150anni η=0.725<1

COLLEGAMENTI CHIODATI TECNOLOGIA E MODALITA’ DI POSA IN OPERA Fasi della 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 all’interno del foro con il contributo di qualche colpo di martello; Posizionamento di un fermo detto “reggicontro”; Ribattitura del chiodo.

CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO DESCRIZIONE DELLA STRUTTURA La struttura in esame è il Ponte sul Torrente Gesso inserito all’interno 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, l’unico elemento di continuità su tutta la luce è il binario. La tipologia strutturale è reticolare chiusa a via superiore con maglia triangolare semplice.

MODELLO GEOMETRICO MODELLO MECCANICO CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO CARATTERIZZAZIONE DINAMICA 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 l’analisi dinamica modale inferiori al 5%. MODELLO GEOMETRICO Le travi metalliche sono accoppiate dalle sole rotaie. Collegamenti fra correnti principale e aste diagonali di tipo cerniera Deformata Flessione lungo Y: 6.3 Hz Deformata Flessione lungo Z: 8.0 Hz MODELLO MECCANICO Modulo di Elasticità Normale: 200000 N/mm2 Modulo di Poisson: 0.3 Peso specifico: 7850 kg/m3 Deformata Torsionale: 12.2 Hz

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

Acciaio dei chiodi Acciaio delle lamiere PROVE SUI MATERIALI Acciaio dei chiodi Acciaio delle lamiere

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 d’epoca Numero, diametro e interasse dei chiodi Numero e spessore delle lamiere La rottura è avvenuta per tre tipologie di collasso TAGLIO DEI CHIODI RIFOLLAMENTO DELLA LAMIERA TRAZIONE DELLA LAMIERA

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Gli scarti percentuali variano in media fra il 150 ed il 300%. ANALISI DEI RISULTATI 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%.

ANALISI DEI RISULTATI 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.

CONCLUSIONI Il lavoro svolto ha evidenziato l’estrema 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 l’evoluzione dello stato tensionale dovuto al degrado da corrosione ed il danno cumulato nell’elemento 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 l’importanza delle attività di manutenzione sulla durabilità della struttura. Sono state fornite all’ente gestore le indicazioni per la pianificazione delle attività di manutenzione dell’infrastruttura analizzata.

Le azioni di progetto (treni di carico) 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 l’ampiezza delle escursioni tensionali L’ evoluzione della corrosione nel tempo

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