Università degli Studi di Napoli FEDERICO II DIST – Dipartimento di Ingegneria Strutturale...

Università degli Studi di Napoli Università degli Studi di Napoli “FEDERICO II”“FEDERICO II”

DIST – Dipartimento di Ingegneria StrutturaleDIST – Dipartimento di Ingegneria Strutturale

INDAGINE SPERIMENTALE SUL COMPORTAMENTO A INDAGINE SPERIMENTALE SUL COMPORTAMENTO A TAGLIO DI UNIONI CHIODATE IN ACCIAIOTAGLIO DI UNIONI CHIODATE IN ACCIAIO

CANDIDATOCANDIDATO

Fabio PapaFabio Papa

Matr. 520/541Matr. 520/541

RELATORIRELATORI

Ch.mo. Prof. Ing. Federico M. MazzolaniCh.mo. Prof. Ing. Federico M. Mazzolani

Ch.mo. Prof. Ing. Raffaele LandolfoCh.mo. Prof. Ing. Raffaele Landolfo

CORRELATORICORRELATORI

Dr. Ing. Luigi FiorinoDr. Ing. Luigi Fiorino

Dr. Ing. Mario D’AnielloDr. Ing. Mario D’Aniello

Facoltà di IngegneriaFacoltà di Ingegneria

Tesi di laureaTesi di laurea

Le strutture storiche in carpenteria metallica costituiscono un patrimonio architettonico di grande rilievo nel nostro paese. Tra queste si riconoscono essenzialmente due tipologie strutturali: i ponti e le grandi coperture. Tali strutture esibiscono in genere uno stato di degrado ed insufficienza statica, in particolare a carico dei collegamenti, che sono realizzati in composizione chiodata.

Da qui deriva l’esigenza di approfondire il comportamento della risposta meccanica delle unioni chiodate.

Pertanto, si è intrapresa una ricerca sperimentale al fine di caratterizzare i parametri chiave che influenzano il comportamento delle unioni chiodate, da cui trarne strumenti di previsione e calcolo.

MOTIVAZIONE E OBIETTIVI

1889 Torre Eiffel

STRUTTURE METALLICHE STORICHE

Primo ponte in ferro, simbolo della rivoluzione industriale e del progresso dell’industria siderurgica .

1779 Coalbrookdale Bridge

1890 Forth Bridge

Per la costruzione del ponte furono utilizzati otto milioni di chiodi.

Per l’assemblaggio delle parti metalliche furono impiegati 300 metalmeccanici che lavorarono 18038 pezzi di ferro forgiato, utilizzando per i collegamenti due milioni e mezzo di chiodi.

Fine XVIII secolo: Rivoluzione industriale

Le scoperte fatte in quegli anni facilitarono la produzione di leghe metalliche, tra cui l’acciaio

Materiale più leggero e più resistente

Apertura a nuove soluzioni e applicazioni

- Semplicità del processo di preparazione degli elementi;- Possibilità di realizzare giunzioni senza sovrapposizioni;-Minor peso e costo;-Alto rischio nei cantieri, posa in opera complicata.

SALDATURA

BULLONATURA

Con l’avvento dei bulloni ad alta resistenza, tale sistema è stato preferito alla chiodatura, in quanto la loro messa in opera avviene a freddo e consente una agevole trasformazione delle strutture grazie alla facilità dello smontaggio.

CHIODATURA

Primo sistema di collegamento nelle strutture metalliche. Utilizzato fino alla prima metà del XX secolo.

SISTEMI CLASSICI DI UNIONE IN CARPENTERIA METALLICA

TECNOLOGIA CHIODATURA: MODALITA’ DI 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”;

Fasi della posa in opera

- Ribattitura del chiodo.

Prove sulle unioni chiodate

Materiale dei ChiodiProve sui materiali

INDAGINE SPERIMENTALE

Materiale delle lamiere

Le prove sono state effettuate presso i laboratori dell’ Università degli studi di Napoli “Federico II”, in particolare, quelle relative ai materiali sono state eseguite nei laboratori della Facoltà di Ingegneria, quelle relative alle unioni chiodate presso i laboratori della Facoltà di Architettura.

L’indagine sperimentale rientra in una attività di ricerca in cui il responsabile scientifico è il Prof. Ing. Raffaele Landolfo, il coordinatore è il Prof. Ing. Federico Massimo Mazzolani.

I chiodi risalgono agli anni ’50 – ’60 e provengono dal deposito della RFI (Rete Ferroviaria Italiana).

Materiale dei chiodi

PROVE SUI MATERIALI

Sono di tre diametri diversi: 16 mm, 19 mm, 22 mm

Per ogni diametro sono stati lavorati tre provini, e per ognuno di essi è stata filettata l’estremità che a sua volta è stata connessa con dei manicotti appositamente progettati per assicurare un buon ammorsamento nella macchina di prova.

Dal diagramma appare evidente che non è rispettato un trend continuo delle caratteristiche del materiale in funzione dei differenti diametri dei provini, per cui per la definizione delle caratteristiche del materiale dei chiodi verranno scelti i valori ottenuti dalla media dei valori ricavati per i tre diversi diametri.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0,00 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24 0,28 0,32 0,36 0,40

s(N/mm2)

e

C16-01 C16-02 C16-03

C19-01 C19-02 C19-03

C22-01 C22-02 C22-03

Materiale delle lamiere

PROVE SUI MATERIALI

Le lamiere, anch’esse prelevate dal deposito della RFI (Rete Ferroviaria Italiana), risalgono agli anni ’70 e ‘80

Sono di due spessori : 10 mm e 12 mm

Per ogni spessore, sono stati lavorati 5 provini sui quali sono state effettuate le prove di trazione.La misurazione degli allungamenti è stata affidata a due trasduttori di spostamento (LVDT), uno collegato alla macchina, l’altro al provino. Inoltre, sui provini è stato applicato uno “strain gage” per una misura della deformazione più accurata.

Confronto curve

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3epsilon

sig

ma

[k

N/m

mq

]

S10_01

S10_02

S10_03

S10_04

S10_05

Confronto grafici

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3epsilon

sig

ma

[k

N/m

mq

]S12_02

S12_03

S12_04

S12_05

S12_01

Il grafico caratteristico del materiale dei piatti da 10 mm è stato ottenuto utilizzando i valori medi relativi ai cinque provini, analogamente per i piatti da 12 mm.

PROVE SULLE UNIONI CHIODATE

DESCRIZIONE PROVE

Provini

I provini sono rappresentativi delle unioni elementari di due strutture:

Ponte ferroviario sul fiume Gesso (FG)

Galleria “Umberto I” di Napoli

Ad ogni provino è stato assegnato un codice identificativo

SymmetricUnsymmetric Diametro

dei chiodiSpessore della lamiera

Numero dei chiodi

S 116 10

• Provini con chiodo singolo, simmetrici e non simmetrici • Provini con chiodi in fila singola,simmetrici e non simmetriciS-16-10-1_A S-16-10-1_B S-16-10-1_C

U-19-10-2-90U-19-10-2-60

Per ogni tipologia di collegamento sono stati realizzati tre provini

Per i provini non simmetrici con diametro dei chiodi pari a 19 mm e spessore della lamiera di 10 mm con due e quattro chiodi avremo una stessa etichetta ma differenti caratteristiche geometriche.

U-19-10-4-90U-19-10-4-60

DESCRIZIONI PROVE

Provini simmetrici con chiodo singolo Provini non simmetrici con chiodo singolo

45

90

45

19

S-19-10-1

19

S-19-12-1

19

35

35 7

0

35

4422

S-22-10-1

22

35

35 7

0

35

3819

S-22-12-1

44

45

45

90

45

3819

35

35 7

0

35

16

16

32

35

230

70

160

90

150

240

150

240

160

230

160

230

35

23070

35

23070

45

38

90

240

45

38

90

240

70230

32

38

4422

10

10

10

10

12

12

10

10

10

10

12

12

12

12

10

45

S-16-10-1

35

3235

16

35

35 7

0

230

160

70

70230

32

16

10

10

19

45

45

90

45

3819 45

90

150

240

38

90240

10

10

45

19

38

45

45

90

45

3819

150

240

90240

12

12

35

35 7

0

35

4422

44

160

230

35

230 70

22

10

10

35

35 7

0

35

3819 35

160

230

23070

4422

12

12

U-19-10-1

U-19-12-1

U-22-10-1

U-22-12-1

DESCRIZIONE PROVE

Provini non simmetrici con chiodi in fila singola Provini simmetrici con chiodi in fila singola

45

118

45208

118 4545

4545444

118 4545

3544

3544

35160

35160

35

35

35340

35340

44

90 90 90

90 90 90

90

45

45 9

0

38 38

38 38

430

430

45

45 9

0118354

38 38 38 38118 118

38383838665

665

44

44

380

380

35

35 7

0

444444

35

35 7

0

560

44444444560

10

10

10

10

10

10

12

12

12

12

12

12

90

S-19-10-2

S -22-12-2

S -22-12-4

S -19-10-4

118118

19 19

19 19 19 19

19 19

19 19 19 19

22 22

22 22 22 22

22 22

22 22 22 22

U-16-10-2

35

35

32

35210 32

21032

16

140

35

430

430

35

35 7

0

32 101

0

140

35

35

140

35490

490

140 140

3532 32 32 32

35

35 7

0

32323232

710

710

101

0

140 140 140

45

45

45

3819

118

45208

45 118 45

90

38430

430

38 38 101

0U-19-10-2-90

U-19-10-2-60

30

30

175

30235

30

30 30235

60

3838455

4553838 1

010

45

118

45444

45

45 9

0118 118354

38 38 38 38118 4545 118 118

38

665

38 38 38665

101

0

U-19-10-4-90

U-19-10-4-60

175

30 30

30 175 30585

175 175

175 17538 38 38 38

585 38 38 3819

38

805

805

30

30 6

0

101

0

U-22-12-2

3535160

35 35160

90

444422

380

38044 44 1

212

90

U-22-12-4

35

35

35

90 90 90

35340

34090 90 9044444444

35

35 7

0

2244444444

560

560

121

2

U-16-10-43

53

5 70

19

19 19

19 19 19 19

19 19 19 19

16

16 16 16 16

22

22 22 22 22

222222

22 22

191919

19191919

1919

19 19

16161616

16 16

PROGRAMMA PROVE

CHIODI SINGOLI mm mm mm mm mm

S-16-10-1 o 16 10 70 35 - 1 3 (A-B-C)

U-16-10-1 o 16 10 70 35 - 1 3 (A-B-C)

S-19-10-1 o 19 10 90 45 - 1 3 (A-B-C)

U-19-10-1 o 19 10 90 45 - 1 3 (A-B-C)

S-19-12-1 o 19 12 90 45 - 1 3 (A-B-C)

U-19-12-1 o 19 12 90 45 - 1 3 (A-B-C)

S-22-10-1 o 22 10 70 35 - 1 3 (A-B-C)

U-22-10-1 o 22 10 70 35 - 1 2 (A-B)

S-22-12-1 o 22 12 70 35 - 1 2 (A-B)

U-22-12-1 o 22 12 70 35 - 1 3 (A-B-C)

CHIODI IN FILA SINGOLA

U-16-10-2 o 16 10 70 35 140 2 3 (A-B-C)

U-16-10-4 o 16 10 70 35 140 4 3 (A-B-C)

S-19-10-2 o 19 10 90 45 118 2 3 (A-B-C)

U-19-10-2-90 o 19 10 90 45 118 2 3 (A-B-C)

U-19-10-2-60 o 19 10 60 30 175 2 3 (A-B-C)

S-19-10-4 o 19 10 90 45 118 4 3 (A-B-C)

U-19-10-4-90 o 19 10 90 45 118 4 3 (A-B-C)

U-19-10-4-60 o 19 10 60 30 175 4 3 (A-B-C)

S-22-12-2 o 22 12 70 35 90 2 3 (A-B-C)

U-22-12-2 o 22 12 70 35 90 2 3 (A-B-C)

S-22-12-4 o 22 12 70 35 90 4 3 (A-B-C)

U-22-12-4 o 22 12 70 35 90 4 3 (A-B-C)

Totale Prove

64

N° Prove N° ChiodiTIPO DI PROVASimmetrico (Symmetric)

Non simmetrico (Unsymmetric)

Diametro Chiodi

Spessore Piatto

Larghezza Piatto

Distanza dal bordo

Interasse

PROVE SULLE UNIONI CHIODATE

Macchina di prova

La macchina utilizzata è una Zwick/Roell elettromeccanica

Strumentazione

La strumentazione è costituita da due LVDT (Linear Variable Differential Transformer), tramite i quali è possibile leggere gli spostamenti lungo la direzione di applicazione della forza.

Tali dispositivi vengono posizionati per mezzo di squadrette e rimandi incollati al provino stessoProvino inserito nella macchina di prova con e senza la strumentazione.

DESCRIZIONE DEI RISULTATI

PARAMETRI SIGNIFICATIVI

Picco

Limite ultimo

Limite elastico

Rigidezza 0,8 * Fp

F [ kN ]

d [ mm ]

Fp

dp2 du2

Fu

Curva LVDT 2

0,8 * Fp

d [ mm ]

Fp

dp1 du1

Fu

Curva LVDT 1

Curva LVDT 2

F [ kN ]

0,8 * Fp

d [ mm ]

Fp

dpm dum

Fu

Curva macchina

Curva LVDT 1

Curva LVDT 2

F [ kN ]

dy2

Fy2

F [ kN ]

d [ mm ]

Curva LVDT 2

dy1

Fy1

d [ mm ]

Curva LVDT 1

Curva LVDT 2

F [ kN ]

dym

Fym

d [ mm ]

Curva macchina

Curva LVDT 1

Curva LVDT 2

F [ kN ]

Fymedio

dy2med

d [ mm ]dy1med dymmed

Curva macchina

Curva LVDT 1

Curva LVDT 2

F [ kN ]

KLVDT2 KLVDT1 Km

F [ kN ]

d [ mm ]

Curva macchina

Curva LVDT 1

Curva LVDT 2

y

x0

Curva macchina

y'

x'0'


MECCANISMI DI COLLASSO

La rottura è avvenuta per tre tipologie di collasso

TAGLIO DEI CHIODI RIFOLLAMENTO DELLA LAMIERA TRAZIONE DELLA LAMIERA

TIPO PROVINOMECCANISMI DI COLLASSO

(Sperimentali)

CHIODI SINGOLI

S-16-10-1 Taglio chiodo

U-16-10-1 Taglio chiodo

S-19-10-1 Rifollamento lamiera








TIPO PROVINOMECCANISMI DI COLLASSO

(Sperimentali)

CHIODI IN FILA SINGOLA

U-16-10-2 Taglio chiodi

U-16-10-4 Trazione lamiera

S-19-10-2 Trazione lamiera

U-19-10-2-90 Taglio chiodi

U-19-10-2-60 Trazione lamiera





U-22-12-2 Taglio chiodi


U-22-12-4 Trazione lamiera



Provino U-19-12-1_B

Provino S-16-10-1_A

Taglio del chiodo

Provino S-19-10-1_C

Con conseguente rottura a taglio del chiodo

Provino S-19-10-1_B

Con conseguente rottura della lamiera



Rifollamento lamiera


Taglio dei chiodi

Trazione della lamiera

Provino U-19-10-2-90_A

Provino U-19-10-2-60_A


Provino S-22-12-2_A

Provino U-22-12-4_C


Trazione della lamiera

Provino S-22-12-4_B


Informazioni generali, provino, modalità di prova Informazioni generali Etichetta provino: S-19-12-1_B Data prova: 25/06/2008

Informazioni provino Tipo provino: asimmetrico simmetrico Numero chiodi 1 2 4

Diametro chiodi (mm) 16 19 22

Spessore lamiera t (mm) 10 12 Larghezza lamiera w (mm) 60 70 90 Distanza dal bordo a (mm) 30 35 45

Interasse s (mm) 90 118 140 175 Disegno provino

19

4545

90

45

3819

150

45

38

90240

1212

12

Elenco fotografie eseguite Fotografie provino – apparato di prova

Informazioni prova Note: Il foro del piatto interno si è rifollato ed è di dimensioni 19x22,5 mm

Numero Carico [ kN ]

1 0

2 120

3 150

4 175

5 200

6 Rottura

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20


SCHEDA DI PROVA

Risultati prova Curve carico – spostamento

Parametri significativi

Picco: [kN]

Fp = 207,19 dpm = 12,13 dp1 = 7,28 dp2 = 6,58

Limite elastico: [kN]

Fymedio = 125,35 dymmedio= 3,74 dy1medio = 0,56 dy2medio = 0,44

Limite ultimo: [kN]

Fu = 165,74 dum = 13,00 du1 = 8,30 du2 = 7,59

Rigidezze [kN/mm]

Km = 33,67 KLVDT1 = 257,15 KLVDT2 = 239,94

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Car

ico

(kN

)

Spostamento (mm)

Macchina S-19-12-1_B

LVDT 1 S-19-12-1_B

LVDT 2 S-19-12-1_B

Fotografie significative

Meccanismo di collasso Meccanismo prevalente Taglio chiodo Rifollamento lamiera Trazione lamiera Taglio lamiera Meccanismo secondario Taglio chiodo Rifollamento lamiera Trazione lamiera Taglio lamiera


SCHEDA DI PROVA

CONFRONTO SPERIMENTAZIONE – PREVISIONE TEORICA

RESISTENZA A TRAZIONE DELLA LAMIERA

RESISTENZA A RIFOLLAMENTO DELLA LAMIERA

Resistenze secondo la normativa prEN 1993-1-8

Resistenze sperimentali

Sono stati ricavati, per ogni provino, il valore massimo, minimo e medio.

COEFFICIENTE DI VARIAZIONE ( CV )

Fv,Rd = 0,6 fur A0

Mr

Ft,Rd = fu Anetta Fb,Rd = M

r

2,5 fu d0 t

RESISTENZA A TAGLIO

DEVIAZIONE STANDARD ( σ )

( xi – x )2

n – 1i=1

n

xi n i=1

n

= x 1σ =s

MediaCV =

Inoltre, sono stati calcolati, come segue, la deviazione standard e il coefficiente di variazione:


TIPO PROVINOMECCANISMI DI

COLLASSO (Sperimentali)

CHIODI SINGOLI MAX MIN MEDIA s CV Fv,Rd Ft,Rd Fb,Rb

S-16-10-1 147,99 131,43 141,83 9,06 0,06 99,31 233,65 126,20 Taglio chiodo

U-16-10-1 83,95 76,71 80,22 3,62 0,05 49,66 233,65 126,20 Taglio chiodo

S-19-10-1 232,35 180,45 206,64 25,95 0,13 140,05 307,21 162,26 Rifollamento lamiera

U-19-10-1 108,93 86,99 101,48 12,55 0,12 70,02 307,21 162,26 Taglio chiodo


U-19-12-1 145,28 100,63 117,58 24,18 0,21 70,02 368,65 194,71 Taglio chiodo


U-22-10-1 146,43 143,13 144,78 2,33 0,02 93,88 207,69 126,20 Taglio chiodo


U-22-12-1 148,61 128,74 140,25 10,30 0,07 93,88 249,23 151,44 Taglio chiodoCHIODI IN FILA

SINGOLAU-16-10-2 162,23 141,87 155,16 11,52 0,07 99,31 233,65 252,40 Taglio chiodi

U-16-10-4 242,85 236,56 240,18 3,25 0,01 187,46 233,65 504,80 Trazione lamiera

S-19-10-2 346,02 332,60 338,41 6,89 0,02 280,10 307,21 324,51 Trazione lamiera

U-19-10-2-90 232,35 196,22 210,04 19,50 0,09 140,05 307,21 324,51 Taglio chiodi

U-19-10-2-60 190,09 184,23 187,74 3,10 0,02 140,05 177,40 216,34 Trazione lamiera





U-22-12-2 280,77 255,24 271,69 14,27 0,05 187,77 249,23 302,88 Taglio chiodi


U-22-12-4 308,94 303,59 305,40 3,07 0,01 375,53 249,23 605,76 Trazione lamiera

RESISTENZA SPERIMENTALE RESISTENZA TEORICA


VV

VV

V V

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

U-1

6-10

-1U

-19-

10-1

U-1

9-12

-1U

-22-

10-1

U-2

2-12

-1S-

16-1

0-1

S-19

-10-

1S-

19-1

2-1

S-22

-10-

1S-

22-1

2-1

U-1

6-10

-2U

-19-

10-2

-90

U-1

9-10

-2-6

0U

-22-

12-2

S-19

-10-

2S-

22-1

2-2

U-1

6-10

-4U

-19-

10-4

-90

U-1

9-10

-4-6

0U

-22-

12-4

S-19

-10-

4S-

22-1

2-4

Meccanismo di collasso(Osservazione sperimentale)

Taglio chiodi

• Rifollamento lamiera

Trazione lamiera

Media

Meccanismo teorico previsto(Se diverso da quello sperimentale)

V Taglio chiodi

B Rifollamento lamiera

T Trazione lamiera

F exp

/ F t

eo

Numero sezioni resistenti

< 2 > 2

2 2 4 4 81

CONCLUSIONI

E’ stata condotta una campagna sperimentale al fine di approfondire il comportamento meccanico delle unioni chiodate, soggette a taglio. Tre meccanismi di collasso sono stati riscontrati sperimentalmente:

Taglio del chiodo o dei chiodi,

Rifollamento della lamiera;

Trazione della lamiera.

E’ stato effettuato un confronto tra la sperimentazione e le previsioni teoriche. Da tale confronto è emerso che le previsioni teoriche sottostimano quelle sperimentali. In particolare:

Nel caso di provini con un numero di sezioni resistenti minori di 2, le previsioni teoriche sottostimano in media di 1,5 volte quelli sperimentali;

Nel caso di provini con un numero di sezioni resistenti maggiori di 2, le previsioni teoriche sottostimano in media di 1,2 volte quelli sperimentali.

Inoltre, si può riconoscere un andamento simile per i provini costituiti da due e quattro chiodi (collasso per trazione della lamiera).

In aggiunta una sperimentazione numerica sarà intrapresa per approfondire la risposta meccanica dei collegamenti chiodati.

SVILUPPI FUTURI

I risultati dell’indagine sperimentale hanno fornito i dati preliminari che porteranno alla messa a punto di modelli teorici, predittivi della risposta in termini di resistenza, rigidezza e deformazione ultima.

Pertanto, analisi ad elementi finiti saranno condotte su modelli che, calibrati sulla base dei risultati ottenuti sperimentalmente, consentiranno una analisi di dettaglio.

RINGRAZIAMENTI

L’attività di ricerca presentata è stata sviluppata grazie ai seguenti soggetti:

PROHITECH project “Earthquake Protection of Historical Buildings by Reversible Mixed Technologies”co-ordinated by Prof. F.M.Mazzolani;

PRIN prot. 2005087058_004 “Vulnerability and reversible consolidation techniques for historical metal structures”; Responsabile unità di ricerca: Prof. R. Landolfo

Eng. Antonio D’Aniello, Direttore compartimentale di Napoli di rete ferroviaria italiana (RFI).

GRAZIE PER L’ATTENZIONE

Università degli Studi di Napoli FEDERICO II DIST – Dipartimento di Ingegneria Strutturale...

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