Università degli Studi di Napoli “FEDERICO II”

1. Università degli Studi di Napoli “FEDERICO II” Facoltà di Ingegneria DIST – Dipartimento di Ingegneria Strutturale Tesi di laurea INDAGINE SPERIMENTALE SUL COMPORTAMENTO A TAGLIO DI UNIONI CHIODATE IN ACCIAIO RELATORI Ch.mo. Prof. Ing. Federico M. Mazzolani Ch.mo. Prof. Ing. Raffaele Landolfo CANDIDATO Fabio Papa Matr. 520/541 CORRELATORI Dr. Ing. Luigi Fiorino Dr. Ing. Mario D’Aniello

2. MOTIVAZIONE E OBIETTIVI 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.

3. STRUTTURE METALLICHE STORICHE 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 1779 Coalbrookdale Bridge Primo ponte in ferro, simbolo della rivoluzione industriale e del progresso dell’industria siderurgica . 1890 Forth Bridge Per la costruzione del ponte furono utilizzati otto milioni di chiodi. 1889 Torre Eiffel 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.

4. SISTEMI CLASSICI DI UNIONE IN CARPENTERIA METALLICA CHIODATURA Primo sistema di collegamento nelle strutture metalliche. Utilizzato fino alla prima metà del XX secolo. 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. SALDATURA • - 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.

5. TECNOLOGIA CHIODATURA: 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.

6. INDAGINE SPERIMENTALE 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. Materiale dei Chiodi Prove sui materiali Materiale delle lamiere Prove sulle unioni chiodate 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.

7. PROVE SUI MATERIALI Materiale dei chiodi I chiodi risalgono agli anni ’50 – ’60 e provengono dal deposito della RFI (Rete Ferroviaria Italiana). 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.

8. PROVE SUI MATERIALI Materiale delle lamiere 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. 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.

9. PROVE SULLE UNIONI CHIODATE DESCRIZIONE PROVE Provini Ad ogni provino è stato assegnato un codice identificativo I provini sono rappresentativi delle unioni elementari di due strutture: S 16 10 1 • Galleria “Umberto I” di Napoli • Ponte ferroviario sul fiume Gesso (FG) Symmetric Unsymmetric Numero dei chiodi Spessore della lamiera Diametro dei chiodi Per ogni tipologia di collegamento sono stati realizzati tre provini • Provini con chiodo singolo, simmetrici e non simmetrici S-16-10-1_A S-16-10-1_B S-16-10-1_C • Provini con chiodi in fila singola,simmetrici e non simmetrici 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-19-10-2-90 U-19-10-2-60 U-19-10-4-90 U-19-10-4-60

10. DESCRIZIONI PROVE Provini simmetrici con chiodo singolo Provini non simmetrici con chiodo singolo

11. DESCRIZIONE PROVE Provini non simmetrici con chiodi in fila singola Provini simmetrici con chiodi in fila singola

12. PROGRAMMA PROVE

13. PROVE SULLE UNIONI CHIODATE Macchina di prova 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 stesso La macchina utilizzata è una Zwick/Roell elettromeccanica Provino inserito nella macchina di prova con e senza la strumentazione.

14. DESCRIZIONE DEI RISULTATI PARAMETRI SIGNIFICATIVI • Picco • Limite ultimo • Limite elastico • Rigidezza

15. DESCRIZIONE DEI RISULTATI MECCANISMI DI COLLASSO La rottura è avvenuta per tre tipologie di collasso TAGLIO DEI CHIODI RIFOLLAMENTO DELLA LAMIERA TRAZIONE DELLA LAMIERA

16. DESCRIZIONE DEI RISULTATI MECCANISMI DI COLLASSO Taglio del chiodo Provino U-19-12-1_B Provino S-16-10-1_A

17. DESCRIZIONE DEI RISULTATI MECCANISMI DI COLLASSO Rifollamento lamiera Provino S-19-10-1_C Con conseguente rottura a taglio del chiodo Provino S-19-10-1_B Con conseguente rottura della lamiera

18. DESCRIZIONE DEI RISULTATI MECCANISMI DI COLLASSO Taglio dei chiodi Provino U-19-10-2-90_A Trazione della lamiera Provino U-19-10-2-60_A

19. DESCRIZIONE DEI RISULTATI MECCANISMI DI COLLASSO Trazione della lamiera Provino S-22-12-2_A Provino S-22-12-4_B Provino U-22-12-4_C

20. DESCRIZIONE DEI RISULTATI SCHEDA DI PROVA

21. DESCRIZIONE DEI RISULTATI SCHEDA DI PROVA

22. CONFRONTO SPERIMENTAZIONE – PREVISIONE TEORICA 0,6 fur A0 Resistenze sperimentali Fv,Rd= gMr s Sono stati ricavati, per ogni provino, il valore massimo, minimo e medio. CV= Inoltre, sono stati calcolati, come segue, la deviazione standard e il coefficiente di variazione: Media DEVIAZIONE STANDARD ( σ) COEFFICIENTE DI VARIAZIONE ( CV) σ = n S n S ( xi – x )2 x 1 xi = n i=1 n – 1 i=1 Resistenze secondo la normativa prEN 1993-1-8 RESISTENZA A TAGLIO RESISTENZA A TRAZIONE DELLA LAMIERA RESISTENZA A RIFOLLAMENTO DELLA LAMIERA Ft,Rd= fu Anetta 2,5abfu d0 t Fb,Rd = gMr

23. CONFRONTO SPERIMENTAZIONE – PREVISIONE TEORICA

24. CONFRONTO SPERIMENTAZIONE – PREVISIONE TEORICA

25. 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).

26. 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. In aggiunta una sperimentazione numerica sarà intrapresa per approfondire la risposta meccanica dei collegamenti chiodati. Pertanto, analisi ad elementi finiti saranno condotte su modelli che, calibrati sulla base dei risultati ottenuti sperimentalmente, consentiranno una analisi di dettaglio.

27. 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).

28. GRAZIE PER L’ATTENZIONE