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Università degli Studi di Napoli “Federico II”. Facoltà di Ingegneria. Dipartimento di Ingegneria Strutturale D.I.ST. Tesi di Laurea in Teoria e Progetto delle Strutture in Acciaio. “VITA RESIDUA A FATICA DEI PONTI FERROVIARI CHIODATI”. CANDIDATO Giuseppe La Manna Ambrosino

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Presentation Transcript


Universit degli studi di napoli federico ii

Università degli Studi di Napoli “Federico II”

Facoltà di Ingegneria

Dipartimento di Ingegneria Strutturale D.I.ST

Tesi di Laurea in Teoria e Progetto delle Strutture in Acciaio

“VITA RESIDUA A FATICA

DEI PONTI FERROVIARI CHIODATI”

CANDIDATO

Giuseppe La Manna Ambrosino

Matr. 344/85

RELATORI

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

Ch.mo. Prof. Ing. Raffaele Landolfo

CORRELATORE

Dr. Ing. Mario D’Aniello


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MOTIVAZIONI

Le strutture storiche in carpenteriametallica costituiscono un patrimonio architettonico di grande rilievo nel nostro Paese.

Tra tutte, i ponti ferroviari chiodati rappresentano la tipologia strutturale più diffusa.

A distanza di oltre 50-100 anni dalla costruzione, tali strutture evidenziano un marcato stato di degrado e/o inadeguatezza strutturale.

I collegamenti (quasi sempre chiodati) sono la parte più vulnerabile e suscettibile di degrado da corrosione e fatica.


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OBIETTIVI

La valutazione della vita residua a fatica dei ponti, analizzando l’evoluzione del degrado indotto dalla corrosione, è una questione di fondamentale importanza.

Al di là della necessità di conservazione, tale studio influenza le scelte gestionali e manutentive degli enti gestori di infrastruttura.

Obiettivo di questo lavoro di tesi è la valutazione della vita residua a fatica dei ponti ferroviari chiodati in presenza di corrosione.

L’approccio seguito è stato applicato ad un caso studio:

il Ponte ferroviario sul Torrente Gesso.


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FATICA

FATICA: GENERALITA’

  • Il fenomeno della fatica si manifesta con la rottura improvvisa di elementi poco sollecitati rispetto ai limiti “statici”, ma soggetti a molti cicli di sollecitazione alternate nel tempo.

  • La rottura per fatica, a differenza di quella monotona, può avvenire per:

  • NUCLEAZIONE: partendo dal materiale integro, con una cricca che inizia da una zona ad elevata sollecitazione, e che si propaga ciclo dopo ciclo fino al collasso.

  • A PARTIRE DA UN DIFETTO: (es. inclusione, vacanza) con propagazione non necessariamente nella zona di massima sollecitazione


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FATICA

FATICA: RIFERIMENTO NORMATIVO

Istruzione 44F “Verifiche a fatica dei ponti ferroviari metallici”

dell’Ente Ferrovie dello Stato.

L’ Eurocodice 1 e l’ Eurocodice 3.

La metodologia proposta dalla norma si basa sull’applicazione della Regola di Miner.


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CORROSIONE

CORROSIONE: GENERALITA’ E RIFERIMENTO NORMATIVO

Per corrosione si intende l’ interazione chimico - fisica tra un metallo e l’ambiente esterno.

Tale interazione può determinare riduzioni consistenti degli spessori in modo da ridurre sensibilmente l’efficienza del sistema tecnico di cui questo fa parte.

Il parametro che controlla il fenomeno è la velocità di corrosione.

Per il modello di degrado si è fatto riferimento allo standard ISO 9224.

d1 (t) =rav*t t<10 anni

d(t)=rav*10+rlin*(t-10) t≥10 anni

d1(t) profondità media corrosione primi 10 anni esposizione

d(t)profondità media corrosione nell’intervallo di tempo considerato

ravvelocità media corrosione

rlinvelocità media corrosione stabilizzata

t tempo di esposizione


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FATICA E CORROSIONE

METODOLOGIA DI CALCOLO

Se si vuole analizzare la risposta strutturale, considerando in maniera accoppiata i fenomeni di fatica e corrosione, la difficoltà maggiore risiede nella scelta della opportuna sezione da prendere in considerazione per effettuare la verifica.

In accordo con la Teoria di Miner, il danno cumulato per effetto del carico ciclico è proporzionale al rapporto fra il numero di cicli ni che il componente ha subito e il numero di cicli Ni che provoca la rottura al livello di tensione σ.

Il danno complessivo cumulato dal materiale per effetto di una successione di carichi ciclici è dato dalla sommatoria dei danni relativi a ciascun livello tensionale.

La rottura si verifica se


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FATICA E CORROSIONE

METODOLOGIA DI CALCOLO

ESEMPIO: corrente inferiore – Treno di carico n°3

Per t=0anni Riduzione:0% Δσ=110.98 N/mm2 ni =0 Ni=∞

Per t=10anni Riduzione:23.2% Δσ=144.57 N/mm2 ni =25550 Ni=929994

Per t=20anni Riduzione:23.5% Δσ=145.11 N/mm2 ni =51100 Ni=919556

Per t=30anni Riduzione:23.8% Δσ=145.66 N/mm2 ni =76650 Ni=909200

Per tener conto nelle verifiche a fatica di uno stato tensionale che evolve nel tempo, in seguito alla riduzione dello spessore dei piatti determinata dalla presenza di corrosione, si è proposta la seguente METODOLOGIA DI CALCOLO:

ESEMPIO: corrente inferiore – Treno di carico n°3

Per t=0anni η=0

Per t=10anni η=0.041

Per t=20anni η=0.042

Per t=30anni η=0.043

Per t=150anni η=0.725<1


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COLLEGAMENTI CHIODATI

TECNOLOGIA E 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.


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CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO

DESCRIZIONE DELLA STRUTTURA

La struttura in esame è il Ponte sul Torrente Gesso inserito all’interno della linea ferroviaria Napoli – Foggia.

Il ponte si sviluppa su tre campate di 29m coprendo una luce totale di 87m.

Lo schema della travata è quello di trave in semplice appoggio, l’unico elemento di continuità su tutta la luce è il binario.

La tipologia strutturale è reticolare chiusa a via superiore con maglia triangolare semplice.


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CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO

CARATTERIZZAZIONE DINAMICA

I dati ottenuti dalle prove in situ hanno permesso di effettuare la caratterizzazione dinamica della struttura in esame.

Il modello strutturale agli elementi finiti è stato calibrato in modo da ottenere uno scarto percentuale tra i valori dei periodi reali e quelli ottenuti con l’analisi dinamica modale inferiori al 5%.

MODELLO GEOMETRICO

Le travi metalliche sono accoppiate dalle sole rotaie.

Collegamenti fra correnti principale e aste diagonali di tipo cerniera

Deformata Flessione

lungo Y:

6.3 Hz

Deformata Flessione

lungo Z:

8.0 Hz

MODELLO MECCANICO

Modulo di Elasticità Normale:

200000 N/mm2

Modulo di Poisson:

0.3

Peso specifico:

7850 kg/m3

Deformata Torsionale:

12.2 Hz


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CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO

CARATTERIZZAZIONE DINAMICA

Deformata Flessione

lungo Y:

6.3 Hz

Deformata Flessione

lungo Z:

8.0 Hz

Deformata Torsionale:

12.2 Hz


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PROVE SUI MATERIALI

Acciaio delle lamiere

Acciaio dei chiodi


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PROVE SULLE UNIONI CHIODATE

  • Le prove condotte sulle unioni chiodate sono relative a:

  • Unioni chiodate storiche (prelevate Ponte sul Torrente Gesso)

  • Unioni chiodate riprodotte in officina con materiali d’epoca

Numero, diametro

e interasse dei chiodi

Numero e spessore

delle lamiere

La rottura è avvenuta per tre tipologie di collasso

TAGLIO DEI CHIODI

RIFOLLAMENTO DELLA LAMIERA

TRAZIONE DELLA LAMIERA


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CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO

DEFINIZIONE DEGLI SCENARI

L’analisi della struttura è stata condotta definendo 28 scenari di progetto

Scenario A1

Scenario C1

Scenario A2

Scenario C2

Scenario A3

Scenario C3

Scenario A

Scenario C

Scenario A4

Scenario C4

Scenario A5

Scenario C5

Scenario A6

Scenario C6

Scenario B1

Scenario D1

Scenario B2

Scenario D2

Scenario B3

Scenario D3

Scenario B

Scenario D

Scenario B4

Scenario D4

Scenario B5

Scenario D5

Scenario D6

Scenario B6


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CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO

DEFINIZIONE DEGLI SCENARI

Treni di carico

Treni di carico

effettivi

Treni di carico

da norma

Treni di carico

effettivi

solo passeggeri

Treni di carico

da norma

solo passeggeri

Scenario A

Scenario B

Scenario C

Scenario D

Corrosione limite inf.

Manutenzione: non presente

Corrosione limite inf.

Manutenzione: costante nel tempo

Corrosione limite inf.

Manutenzione: primi 30 anni

Scenario A1

Scenario A3

Scenario A2

Scenario B1

Scenario B3

Scenario B2

Scenario C1

Scenario C3

Scenario C2

Scenario D1

Scenario D3

Scenario D2

T=44 anni (2010)

T=100 anni (2066)

T=150 anni (2116)

Periodo di riferimento:


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CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO

DEFINIZIONE DEGLI SCENARI

Treni di carico

Treni di carico

effettivi

Treni di carico

da norma

Treni di carico

effettivi

solo passeggeri

Treni di carico

da norma

solo passeggeri

Scenario A

Scenario B

Scenario C

Scenario D

Corrosione limite sup.

Manutenzione: non presente

Corrosione limite sup.

Manutenzione: costante nel tempo

Corrosione limite sup.

Manutenzione: primi 30 anni

Scenario A4

Scenario A6

Scenario A5

Scenario B4

Scenario B6

Scenario B5

Scenario C4

Scenario C6

Scenario C5

Scenario D4

Scenario D6

Scenario D5

T=44 anni (2010)

T=100 anni (2066)

T=150 anni (2116)

Periodo di riferimento:


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CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO

COLLEGAMENTI VERIFICATI

Collegamento corrente inferiore


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CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO

COLLEGAMENTI VERIFICATI

Collegamento diagonali


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CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO

COLLEGAMENTI VERIFICATI

Collegamento corrente superiore


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CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO

COLLEGAMENTI VERIFICATI

Collegamento traversone


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CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO

COLLEGAMENTI VERIFICATI

Collegamento longherina


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ANALISI DEI RISULTATI

VERIFICHE A FATICA

La crisi si manifesta per collasso del collegamento del corrente inferiore

Vita di esercizio: 50 anni

2016


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ANALISI DEI RISULTATI

ANALISI DEI RISULTATI

Gli elementi che vanno in crisi sono i collegamenti relativi a corrente inferiore e diagonale, soggetti a tensioni normali da sforzo normale di trazione. Non si manifestano collassi per le tensioni da flessione nel corrente superiore, traversone, longherina. Il comportamento esibito è tipico delle travature reticolari;

Gli scarti percentuali variano in media fra il 150 ed il 300%.

La corrosione gioca un ruolo fondamentale, in sua assenza non si manifesta mai la crisi;


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ANALISI DEI RISULTATI

ANALISI DEI RISULTATI

Le attività di manutenzione giocano un ruolo fondamentale sulla vita residua a fatica in quanto riescono a controllare il degrado da corrosione. La loro influenza risulta legata al n° di cicli agenti.


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CONCLUSIONI

Il lavoro svolto ha evidenziato l’estrema suscettibilità dei collegamenti chiodati rispetto ai fenomeni di fatica e corrosione.

In particolare, si è evidenziato il ruolo fondamentale del fenomeno corrosivosulla vita residua a fatica.

È stato impiegato un approccio integrato in grado di considerare contemporaneamente l’evoluzione dello stato tensionaledovuto al degrado dacorrosioneed ildanno cumulatonell’elemento causato dai fenomeni di fatica.

La presenza di corrosione accoppiata ai fenomeni di fatica riduce sensibilmente la vita residua a fatica della struttura.

È emersa l’importanza delle attività di manutenzione sulla durabilità della struttura.

Sono state fornite all’ente gestore le indicazioni per la pianificazione delle attività di manutenzione dell’infrastruttura analizzata.


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SVILUPPI FUTURI

Il lavoro presentato getta le basi per la formulazione organica di una metodologia di calcolo per la determinazione della vita residua a fatica in presenza di corrosione, basata sull’ analisi probabilistica delle variabili coinvolte, che sono:

  • Le azioni di progetto (treni di carico)

  • Le resistenze (resistenza a fatica)

  • Il conteggio dei cicli e l’ampiezza

  • delle escursioni tensionali

  • L’ evoluzione della corrosione nel tempo


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RINGRAZIAMENTI

Il lavoro presentato è stato sviluppato grazie ai seguenti contributi:

PROHITECH project “EarthquakeProtectionofHistoricalBuildingsbyReversibleMixed Technologies”, coordinato dal Prof. Ing. F. M. Mazzolani

Dott. Ing. Antonio D’Aniello, Direttore Territoriale Produzione di Rete Ferroviaria Italiana (RFI).


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