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

Unioni incollate con inserti a scomparsa Il presente lavoro si inserisce nell’ambito 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. Fresatura degli elementi in legno da giuntare Inserimento dei connettori In ACCIAIO barre ad aderenza migliorata, lamiere preforate, lamiere striate sabbiate e similari In FRP inserti laminati, inserti sciolti Percolazione della resina epossidica

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

Legno massiccio e legno lamellare 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 Considerando un cubo di legno lontano dall’asse midollare è possibile sostituire gli anelli con strati piani Un elemento in legno privo di difetti è localmente schematizzabile come materiale ortotropo rispetto ai tre piani Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

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

Strutture in legno lamellare Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

Tipologie di connessione 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 Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

Sperimentazione n. 3 Capriate a ginocchio n. 1 con inserti in lamiera sabbiata n. 1 con inserti in FRP sciolti n. 1 con inserti in FRP laminati n. 3 Capriate a gomito n. 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

Sperimentazione n. 3 Travi a tre vie n. 1 con inserti in piastre di acciaio n. 2 con inserti in FRP n. 6 Travi rettilinee n. 3 con inserti in FRP sciolti n. 3 con inserti in FRP laminati Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

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

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 unidirezionali fibre “secche” disposte in una sola direzione Lamine bidirezionali fibre “pre-apprettate” disposte ad intreccio nelle due direzioni ortogonali Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni 11

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

Realizzazione degli inserti Dal rotolo di tessuto pre-apprettato si ricava la sagoma dell’inserto, 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 Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

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

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

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

Posizione dell’intaglio trasversale riempito di resina in mezzeria 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 l’adesione della resina al legno Accostare di testa le travi, allinearle ed unirle con viti Posizione dell’intaglio trasversale riempito di resina in mezzeria Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

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 dall’eventuale 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 l’espulsione delle bolle Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

per controventare il martinetto Attrezzatura sperimentale 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 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 Squadre ancorate al suolo per evitare sbandamenti laterali della trave dotate di teflon Cavi di acciaio per controventare il martinetto Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

Trasduttori orizzontali Posizione dei trasduttori Trasduttori orizzontali Per la lettura dell’evoluzione dell’apertura del giunto Per la lettura degli spostamenti orizzontali della trave Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

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

Velocità controllo di spostamento Velocità controllo di carico Storia di carico UNI EN 380 – Curva 8 Velocità controllo di spostamento 0.02 mm/sec 27 kN 18.9 kN 10.8 kN Velocità controllo di carico 0.06 kN/sec Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

Prove sperimentali su elementi strutturali Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

Rottura dell’intaglio trasversale riempito di resina Risultati sperimentali Rottura 141 kN Rottura dell’intaglio trasversale riempito di resina 27 kN Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

Confronto dei risultati ottenuti Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

Confronto dei risultati ottenuti Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

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

Prove per la caratterizzazione della resina Prova di trazione Prova di flessione Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

Prove per la caratterizzazione della resina Prova di compressione Prova di punch tool Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

Prove di pull-out Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

Posizionamento di carrelli sulle superfici per garantire la simmetria 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

Modelli FEM “Controllo di spostamento” “Controllo di carico” Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

Modelli FEM Sperimentale Modelli FEM Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

Modello FEM senza resina Modello FEM con cuscinetto di resina Modelli FEM Trave rettilinea in legno lamellare con inserti in lamiera di acciaio Ipotesi Legno materiale ortotropo Resina materiale isotropo (assenza di bolle) Acciaio materiale isotropo Perfetta aderenza Modello FEM senza resina Modello FEM con resina Modello FEM con cuscinetto di resina Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

Modelli FEM Modelli FEM Sperimentale Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

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

Modelli FEM Modelli FEM Sperimentali Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

Modelli FEM Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

Calcolo degli sforzi Con modelli FEM Analiticamente Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

Calcolo degli sforzi Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

Calcolo degli sforzi Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

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

Modello per la determinazione delle tensioni M = 30 kNm y = 184.24 mm VERIFICA SODDISFATTA Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

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 l’aderenza 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

Grazie per l’attenzione Conclusioni Grazie per l’attenzione Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Analitico Numerico Conclusioni

Modellazione Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni

Diagramma Momento-Curvatura Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Analitico Numerico Conclusioni

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