STUDIO NUMERICO E SPERIMENTALE DEL COMPORTAMENTO MECCANICO DI GIUNTI CON INSERTI FIBRORINFORZATI PER...

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

Dipartimento di Ingegneria Strutturale

2Unioni incollate con inserti a scomparsa

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

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.


3Indice

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


4Legno massiccio e legno lamellare


Le proprietà meccaniche sono in stretta relazione con le tre direzioni anatomiche del materiale:

Longitudinale: parallela alla direzione del troncoRadiale: parallela alla direzione degli anelliTangenziale: 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 dall’asse midollare

è possibile sostituire gli anelli con strati piani


5Legno massiccio e legno lamellare


Ulteriore semplificazione: riferirsi ad un’unica direzione anatomica con due orientazioni:

Parallela alla fibraturaPerpendicolare alla fibratura

Comportamento elastico lineare a trazione e elasto-plastico a compressione


6Strutture in legno lamellare



7Tipologie 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 cilindricochiodi, bulloni, perni, viti

connettori metallici di superficiecaviglie, anelli, piastre dentate


8Sperimentazione

n. 3 Capriate a ginocchio n. 1 con inserti in lamiera sabbiata

n. 1 con inserti in FRP scioltin. 1 con inserti in FRP laminati


n. 3 Capriate a gomito n. 1 con inserti in lamiera sabbiatan. 1 con inserti in FRP scioltin. 1 con inserti in FRP laminati


9Sperimentazione

n. 3 Travi a tre vie n. 1 con inserti in piastre di acciaion. 2 con inserti in FRP


n. 6 Travi rettilinee n. 3 con inserti in FRP scioltin. 3 con inserti in FRP laminati


10Adesivo strutturale epossidico


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 d’acqua


11Materiali 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 polimericaFORMA

Fase dispersa (rinforzo) costituita da fibre lungheRESISTENZA

Tessuti unidirezionali fibre “secche” disposte in una sola direzione

Lamine bidirezionali fibre “pre-apprettate” disposte ad intreccio nelle due direzioni ortogonali



12Tipologie 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



13Realizzazione 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


14Inserti laminati e inserti sciolti realizzati


3 Stuoie bidirezionali in carbonio

4 nastri unidirezionali in carbonio

Trave 25Inserti laminati

Trave 26Inserti sciolti






2 Stuoie bidirezionali in vetro

6 nastri unidirezionali in carbonio






9 Stuoie bidirezionali in carbonio


17Realizzazione 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



18Realizzazione 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



19

Appoggioa 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 acciaioper controventare il

martinetto

Squadreancorate 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


Attrezzatura sperimentale


20Posizione dei trasduttori


Per la lettura dell’evoluzione

dell’apertura del giunto

Per la lettura degli spostamenti orizzontali

della trave

Trasduttori orizzontali


21Posizione dei trasduttori


Trasduttori verticali a nucleo libero

Per la lettura delle frecce in mezzeria e in corrispondenza

dei coltelli di carico


22Storia di carico

UNI EN 380 – Curva 8

10.8 kN

Velocità controllo di

carico0.06 kN/sec

18.9 kN

27 kN

Velocità controllo di

spostamento0.02 mm/sec



23Prove sperimentali su elementi strutturali



24Risultati sperimentali


Rottura dell’intaglio trasversale

riempito di resina

27 kN

Rottura 141 kN


25Confronto 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

TRAVE CARICO [kN]

FRECCIA 1 [mm]

FRECCIA 2 [mm]

FRECCIA 3 [mm]

LVDT A [mm]

LVDT B [mm]

LVDT C [mm]

LVDT D [mm]

RETTILINEE

25 114.74 37.01 44.23 37.02 0.58 2.81 3.20 4.89 26 118.86 42.85 55.09 40.40 0.25 4.99 2.37 6.42 27 111.37 34.46 39.86 32.86 0.33 2.81 3.53 3.68 28 141.41 50.59 62.00 51.25 2.12 4.64 7.77 4.20 29 89.44 26.14 31.09 24.76 0.28 2.34 2.97 2.13 30 74.92 23.01 26.13 21.81 0.23 1.26 3.93 0.43


28Prove per la caratterizzazione della resina

Prova di trazione Prova di flessione



29Prove per la caratterizzazione della resina

Prova di compressione Prova di punch tool



30Prove di pull-out



31Modelli ad elementi finiti – Modelli FEM

Posizionamento di carrelli sulle superfici per garantire

la simmetria



32Modelli FEM

“Controllo di spostamento”

“Controllo di carico”



33Modelli FEM


Modelli FEM

Sperimentale


34Modelli 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

Ipotesi Legno materiale ortotropoResina materiale isotropo (assenza di bolle)Acciaio materiale isotropoPerfetta aderenza



35Modelli FEM


Modelli FEM Sperimentale


36Modellazione del composito

Determinazione dell’area e dello spessore equivalente

Area resistente


Massa tessuto per unità di area

Densità delle fibre

Solo stuoie

Stuoie e nastri

Caratteristiche meccaniche

(Teoria dei laminati)


37Modelli FEM


Sperimentali

Modelli FEM


38Modelli FEM



39Calcolo degli sforzi

Con modelli FEM Analiticamente



42Modello per la determinazione delle tensioni


Fase 1: Calcolo spessori equivalenti

Fase 2: Calcolo asse neutro

Fase 3: Verifica degli sforzi


43Modello per la determinazione delle tensioni


M = 30 kNm y = 184.24 mm

VERIFICA SODDISFATTA


44Conclusioni

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


45


Grazie per l’attenzione

Conclusioni


46Modellazione



47Diagramma Momento-Curvatura



48Diagrammi Momento-Rotazione

I Stadio

II Stadio

II Stadio


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