Facoltà di Ingegneria

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Civile

Anno Accademico 2015/2016

RELAZIONE DI FINE TIROCINIO :

Allestimento, esecuzione ed analisi dei dati di prove per verificare la resistenza

residua ai carichi verticali a seguito di danno sismico di nodi impalcato/pila in

acciaio-calcestruzzo riprodotti in scala 1:2

Tutor: Fabrizio Paolacci

Tirocinante: Stefano Caprinozzi

Sommario 1. Introduzione ....................................................................................................................................... 1

2. Caratteristiche del Provino ................................................................................................................ 1

3. Definizione della prova ...................................................................................................................... 5

4. Allestimento ..................................................................................................................................... 11

5. Disposizione sensori ........................................................................................................................ 15

6. Esecuzione della prova, raccolta e analisi dei dati .......................................................................... 20

7. Conclusioni ...................................................................................................................................... 35

Figura 1Tipologia di nodo Impalcato-Pila ................................................................................................ 2

Figura 2 Particolare nodo “DOMI-2” ....................................................................................................... 3

Figura 3Dettaglio CCB tipo "DOMI-1" .................................................................................................... 4

Figura 4Modello 3D del nodo ................................................................................................................... 5

Figura 5 Vista frontale del setup di prova ................................................................................................. 6

Figura 6 Schema statico di trave semplicemente appoggiata ................................................................... 7

Figura 7 Schema statico di trave continua ................................................................................................ 7

Figura 8 Inviluppo dei momenti flettenti .................................................................................................. 8

Figura 9 Modello statico del provino ........................................................................................................ 8

Figura 10 Carico Verticale ........................................................................................................................ 9

Figura 11 Provino "DOMI-2" ................................................................................................................. 10

Figura 12 Allestimento alla base ............................................................................................................ 11

Figura 13 Movimentazione provino ........................................................................................................ 12

Figura 14 Ancoraggio provino ................................................................................................................ 13

Figura 15 Allestimento finale ................................................................................................................. 14

Figura 16 Strain gauge ............................................................................................................................ 15

Figura 17 Potenziometri a filo ................................................................................................................ 16

Figura 18 Potenziometro lineare ............................................................................................................. 17

Figura 19 LVDT...................................................................................................................................... 18

Figura 20 Esempio di deformazione ....................................................................................................... 19

Figura 21 Celle di carico ......................................................................................................................... 20

Figura 22 Fessure CCB - Soletta............................................................................................................. 21

Figura 23 Fessure estradosso CCB ......................................................................................................... 22

Figura 24 Fessure CCB sezione di testa.................................................................................................. 23

Figura 25 Fessure estradosso CCB ......................................................................................................... 24

Figura 26 Letture celle di carico ............................................................................................................. 25

Figura 27 Spostamenti verticali estremità della soletta .......................................................................... 26

Figura 28 Spostamenti verticali alla base del povino ............................................................................. 27

Figura 29 Deformazioni tiranti di contrasto ............................................................................................ 28

Figura 30 Deformazioni travi metalliche ................................................................................................ 29

Figura 31 Deformazioni armature nella soletta ....................................................................................... 30

Figura 32 Scorrimenti tra estradosso della trave metallica e intradosso soletta ..................................... 31

Figura 33 Spostamento relative tra la pila e la soletta ............................................................................ 32

Figura 34 Deformazioni estradosso soletta ............................................................................................. 33

Figura 35 Spostamenti tra CCB e travi in acciaio ................................................................................... 34

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1. Introduzione

Il tirocinio è stato svolto presso il laboratorio “PRiSMa” dove si eseguono prove e ricerche su strutture

e materiali, situato all’interno dell’Università degli Studi di Roma Tre, presso la facoltà di Ingegneria.

Tale tirocinio si è svolto nel periodo che va dal 01/04/2016 al 13/05/2016.

L’obbiettivo di tale attività è stato l’allestimento e l’esecuzione di un ultimo test all’interno del più ampio

progetto di ricerca Europea SEQBRI “Performance-based earthquake engineering analysis of short-

medium span steel-concrete composite bridges” e, successivamente, l’analisi dei dati raccolti.

In particolare, il test da me condotto ha riguardato la verifica della resistenza residua ai carichi verticali

di nodo impalcato-pila per ponti in acciaio-calcestruzzo già danneggiato.

2. Caratteristiche del Provino

Come già detto l’attività fa parte del progetto di ricerca SEQBRI che ha lo scopo di investigare e

descrivere nuove tipologie di nodi impalcato-pila per ponti in acciaio-calcestruzzo (SCC).

I nodi studiati erano composti da una CCB (Concrete Cross Beam), ovvero una trave trasversale in

calcestruzzo, nella quale convergono le travi longitudinali in acciaio e la soletta in calcestruzzo.

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Figura 1Tipologia di nodo Impalcato-Pila

Sono stati eseguiti test su tre diverse tipologie di nodi, che differiscono tra loro per le diverse

caratteristiche di connessione tra trave in acciaio e CCB:

DIN-FB104 Var.C;

DOMI-1

DOMI-2

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L’ultimo test, che è quello da me seguito durante il tirocinio, è stato eseguito sulla tipologia di nodo

DOMI-2.

Tale tipologia di nodo prevede l’anima della trave HEB600/S460 inserita di 360 mm all’interno della

CCB e 2x6D25 pioli (shear-studs) Nelson posti perpendicolarmente alla superficie dell’anima in modo

da garantire la connessione a taglio tra la trave d’acciaio e la CCB.

La flangia superiore finisce prima della CCB ed è saldata ad una piastra di testa 15x280x415mmm che è

usata come una protezione per la connessione dalla penetrazione dell’umidità. La flangia inferiore invece

è saldata ad una piastra spessa 70 mm, larga 460 mm ed alta 280 mm con una parziale penetrazione nella

CCB. In tale piastra vengono inserite 4 barre di precompressione che fungono da tirante, per evitare il

distacco delle flange inferiori di entrambe le travi dalla CCB, in caso momento positivo sul nodo.

Figura 2 Particolare nodo “DOMI-2”

Per entrambi i calcestruzzi della soletta e della Cross-Beam è stato utilizzato il calcestruzzo C35/45 e

sono state utilizzate barre di armatura in acciaio B450C.

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La trave a doppio T è una IPE 330 ed è stato utilizzato un acciaio ad alta resistenza S460, mentre per i

pioli Nelson l’acciaio S235-J2G3+C450. Infine le barre di precompressione sono di tipo Dywidag

835/1030 e sono utilizzati bulloni M30/10.9.

Figura 3Dettaglio CCB tipo "DOMI-1"

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3. Definizione della prova

Le prova viene realizzata su una porzione di ponte, composta dal nodo centrale e da un'unica trave

longitudinale, in scala 1:2.

Figura 4Modello 3D del nodo

L’obbiettivo è quello di applicare al provino delle sollecitazioni verticali, dovute al peso proprio ed ai

carichi verticali, per verificarne cosi la capacità portante residua.

E’ stato quindi necessario realizzare una particolare e articolata attrezzatura in grado di trasferire tali

azioni all’elemento considerato.

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Figura 5 Vista frontale del setup di prova

La forza verticale è trasmessa attraverso due martinetti allineati al di sotto della pila, posizionati a 0.5 m

tra di loro, in modo da ottenere una diffusione uniforme delle forze di compressione nel calcestruzzo.

Tale forza spinge verso l’alto il provino che è pero tenuto in posizione da quattro tiranti, trasmettendo

cosi la forza (in senso opposto) dei due martinetti alla soletta e permettendo di simulare i carichi verticali

eventualmente presenti.

A causa delle fasi costruttive con le quali il ponte viene realizzato, l’impalcato cambia il suo schema

statico per le differenti condizioni di carico verticale. Dopo che la trave in acciaio viene posata in opera

sulla pila e gli appoggi, solo il peso proprio agirà su di essa e lo schema è quello di trave semplicemente

appoggiata.

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Figura 6 Schema statico di trave semplicemente appoggiata

Una volta effettuato il getto di calcestruzzo ed avvenuta la sua maturazione, lo schema static cambia e

diventa quello di trave continua. Il momento flettente dovuto ai sovraccarichi permanenti e variabili è

mostrato in figura:

Figura 7 Schema statico di trave continua

Conseguentemente il momento flettente finale è illustrato di seguito:

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Figura 8 Inviluppo dei momenti flettenti

E’ da notare come il punto di momento nullo si sia spostato verso la pila, dalla fase 2 a quella 3. La parte

di trave con momento negativo può essere facilmente riprodotto, accettando però una approssimazione

lineare del momento, che può essere generato spingendo in alto il provino con i due martinetti posti sotto

la pila e mantenendo fissate le due estremità.

Osservando attentamente la struttura del provino è possibile identificare un modello statico a T:

Figura 9 Modello statico del provino

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Questo ovviamente rappresenta un parte dell’intero ponte, e comprende la connessione di tipo monolitico

fino al punto di momento nullo, sia sulle travi longitudinali che sulla pila. Per riprodurre correttamente

il comportamento statico dell’elemento devono essere rispettate le condizioni di carico verticali.

Gli effetti delle forze verticali, applicate alla base della pila, sono una distribuzione lineare del momento

sulla trave longitudinale, mentre non è presente momento sulla pila.

Figura 10 Carico Verticale

Anche se ci si aspetta una distruzione non lineare del momento flettente, un’approssimazione lineare è

considerata accettabile.

Questo schema strutturale permetterà di identificare il giusto fattore di scala compatibile con la capacità

del laboratorio. Il fattore di scala S scelto per il test è 1:2, quindi tutte le dimensioni degli elementi

verranno moltiplicate per questo valore, mentre la masse e le altre grandezze verranno modificate come

mostrato in tabella:

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In definitiva la lunghezza delle due campate adiacenti al nodo è di 1.5 m, per un totale di 3.0 m, mentre

la larghezza efficace della trave composta è di 1.325 m. Per quanto riguarda la CCB questa ha una

larghezza di 1.325 m, una lunghezza di 0.45 m ed un’altezza di 0.705 m. Infine la pila presenta un’altezza

di 1.42 m, una larghezza di 1.325 m ed una lunghezza di 0.3 m.

Figura 11 Provino "DOMI-2"

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4. Allestimento

Le fasi di montaggio sono state molteplici, e data la complessità e le dimensioni della prova hanno

richiesto svariati giorni di lavoro. Per prima cosa si è proceduto con l’installazione dei blocchi a terra, fissati

con opportuni perni filettati, e poi con il posizionamento delle varie cerniere che permetteranno le rotazioni

dei tiranti verticali e della base d’appoggio della pila:

Figura 12 Allestimento alla base

A questo punto è stato possibile posizionare il provino su un’apposita “culla” metallica in grado di

sollevarsi nella parte sua centrale. Tale movimentazione è stata possibile grazie all’utilizzo di un apposito

carroponte.

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Affinché si potesse realizzare un vincolo il più congruo possibile con quello reale, la base della pila è

stata stretta tra una “scarpa” in acciaio ancorata sulla piastra metallica come mostrato nella figura

seguente.

Figura 13 Movimentazione provino

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Figura 14 Ancoraggio provino

Una volta fissata la base della pila si è proceduto all’installazione dei quattro tiranti di contrasto

appositamente posizionati per simulare i carichi verticali. Una volta sistemati quest’ultimi, ottenendo una

configurazione come nell’immagine seguente, si è pronti per procedere al posizionamento di tutti gli

strumenti necessari.

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Figura 15 Allestimento finale

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5. Disposizione sensori

A causa dell’ingente quantità di informazioni utili, è stato necessario predisporre un elevato numero di

sensori, distribuiti sul provino.

I sensori utilizzati sono:

Strain Gauges: è uno strumento di misura utilizzato per rilevare piccole deformazioni

dimensionali di un corpo sottoposto a sollecitazioni meccaniche o termiche. Conoscendo a priori

le caratteristiche meccanico/fisiche del materiale, misurando le deformazioni si possono

facilmente ricavare le tensioni a cui il corpo e soggetto. Gli SG consistono in un sostegno

flessibile ed isolato che supporta un foglio metallico. Il misuratore è attaccato all’oggetto

attraverso un appropriato adesivo. Quando l’oggetto si deforma, la lamina metallica si deforma,

causando una variazione della resistenza elettrica.

Figura 16 Strain gauge

Gli SG quindi sono stati posti nei punti in cui interessava la storia tensionale del provino, ma anche

dell’intero sistema metallico di prova. In particolare questi sono stati posizionati:

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Potenziometri a Filo: sono trasduttori di posizioni potenziometrici a filo, che convertono

spostamenti lineari in variazioni di resistenza. Sono costituiti da un potenziometro rotativo di

precisione azionato mediante l'avvolgimento o lo svolgimento di un filo in acciaio inox. Una volta

agganciata l’estremità del filo ad un oggetto in movimento, permettono di determinare con

precisione millimetrica i suoi spostamenti.

Figura 17 Potenziometri a filo

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Tali potenziometri sono stati utilizzati sia come controllo in spostamento orizzontale e verticale per i

martinetti, che come misuratori di spostamento in varie posizioni del provino:

Potenziometri lineare: il funzionamento di questi strumenti ed il loro scopo è identico ai

potenziometri a filo, con l’unica differenza che al posto del filo è presente un braccetto rigido. In

funzione dello spostamento di quest’ultimo, il sensore è in grado di misurare gli spostamenti.

Figura 18 Potenziometro lineare

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Questi sensori sono stati utilizzati per le misurazioni degli scorrimenti tra soletta e trave d’acciaio e per

la misurazione dell’apertura delle fessure del calcestruzzo della soletta superiore ed inferiore.

Viene riportata in seguito una tabella riassuntiva:

LVDT: trasduttori di movimento induttivo, sono dei dispositivi elettromagnetici usati per la

misura di piccoli spostamenti. Tali dispositivi vengono utilizzati per la misurazione della

rotazione relativa delle piastre di testa delle travi d’acciaio rispetto la cross-beam.

Figura 19 LVDT

Gli LVDT posti in prossimità dell’ala superiore misurano il distacco superiore della piastra dalla CCB in

caso di momento negativo sul nodo.

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Figura 20 Esempio di deformazione

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Celle di carico : due celle di carico per lato posizionate sotto le travi di collegamento tra i tiranti

Figura 21 Celle di carico

6. Esecuzione della prova, raccolta e analisi dei dati

Durante la giornata di prova sono state eseguite quattro prove monotone per una durata complessiva di

circa trenta minuti, raccogliendo dati ogni decimo di secondo.

Il danneggiamento finale del provino è stato abbastanza evidente, in particolare si è notata l’apertura di

nuove fessure sul nodo e sulla soletta, oltre all’allargamento di quelle già presenti.

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Figura 22 Fessure CCB - Soletta

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Figura 23 Fessure estradosso CCB

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Figura 24 Fessure CCB sezione di testa

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Figura 25 Fessure estradosso CCB

Una volta eseguito il test e dunque acquisiti i dati, oggetto del mio tirocinio è stata la loro elaborazione.

In particolare ho verificato la corretta acquisizione degli stessi, andando quindi a verificare la congruenza

tra quanto acquisito da un sensore e dal suo omologo posizionato opportunamente.

Di seguito sono riportati i vari grafici che mostrano l’andamento nel tempo delle varie quantità misurate.

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Figura 26 Letture celle di carico

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Figura 27 Spostamenti verticali estremità della soletta

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Figura 28 Spostamenti verticali alla base del povino

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Figura 29 Deformazioni tiranti di contrasto

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Figura 30 Deformazioni travi metalliche

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Figura 31 Deformazioni armature nella soletta

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Figura 32 Scorrimenti tra estradosso della trave metallica e intradosso soletta

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Figura 33 Spostamento relative tra la pila e la soletta

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Figura 34 Deformazioni estradosso soletta

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Figura 35 Spostamenti tra CCB e travi in acciaio

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7. Conclusioni

Considerando i risultati ottenuti e, nello specifico, osservando attentamente l’andamento nel tempo delle

varie misure effettuate, vista l’ottimale congruenza l’uno con l’altro dei grafici dei vari sensori installati,

si può tranquillamente affermare che l’intero test è stato svolto correttamente e che tutti i risultati ottenuti

possono quindi ritenersi attendibili.

È bene ricordare che qualora in alcuni grafici si notasse un andamento negativo di alcune quantità, questo

è dovuto esclusivamente alle convenzioni dei segni utilizzate e alla posizione dei sensori (dx o sx).

Quanto raccolto sarà poi successivamente elaborato e post-processato per ottenere ulteriori informazioni,

ma questa fase esula dal mio tirocinio.