Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

1. Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008 Università di Trento Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e delle Tecnologie Industriali Gruppo di ricerca Area Costruzione di macchine Vigilio Fontanari Prof. associato Matteo Benedetti Ricercatore Bernardo Monelli Dottorando Andrea Rao Dottorando Area Metallurgia Giovanni Straffelini Prof. Associato Area Materiali Polimerici e Compositi Alessandro Pegoretti Prof. Associato

2. Introduzione • Sommario • Attività svolte e competenze acquisite, principali pubblicazioni • Attrezzature disponibili • Filoni di ricerca di interesse in prospettiva • Attività svolte • Le attività svolte nell’ambito dei sistemi di giunzione hanno riguardato due filoni principali: • Caratterizzazione meccanica e microstrutturale di giunti saldati • Caratterizzazione meccanica di giunti incollati e degli adesivi • L’attività è stata principalmente condotta nell’arco di tempo tra il 1996 e il 2004 Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

3. Attività svolta: principali filoni di ricerca Saldature • Effetto di trattamenti ‘post-welding’ sul comportamento a fatica di giunti saldati in lega Al6063 (1996-1999) • Previsione della vita a fatica di ponti saldati a piastra ortotropa (1996-1999) • Comportamento a fatica di giunzioni tubolari saldate per applicazioni ciclistiche (2000-2003) • Comportamento a frattura in regime oligociclico di collegamenti saldati per strutture in acciaio operanti in zona sismica (1998-2002) Incollaggi • Effetto della geometria sulla resistenza a taglio di giunti adesivi (1999-2001) • Analisi del comportamento a creep di giunti incollati (2001-2003) • Analisi termo-meccanica di giunti tubolari incollati per applicazioni in circuiti frigoriferi (2002-2004) Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

4. Effetto di trattamenti ‘post-welding’ sul comportamento a fatica di giunti saldati in lega Al6063 Obiettivo del lavoro: Studio dell’effetto di trattamenti termici (invecchiamento, solubilizzazione ed invecchiamento) e meccanici (pallinatura 1 e 2) sul comportamento a fatica di giunti saldati Attività sperimentale Modellazione numerica Giunzione saldata ad X con la tecnica GMAW, materiale di apporto Al4043 (Al-Si) • Modellazione del profilo di tensione residua • Simulazione del rilassamento delle tensioni residue • Caratterizzazione microstrutturale,analisi TEM dei precipitati coerenti, tensioni residue superficiali (diffrattometria X), profili microdurezza • Curve di fatica: fino a 5.106 cicli Effettivo ciclo di sollecitazione nei punti critici Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

5. Effetto di trattamenti ‘post-welding’ sul comportamento a fatica di giunti saldati in lega Al6063 Materiale come saldato (a.w.) Informazioni ottenute dall’osservazione T.E.M Materiali a.w. e inv. precipitati incoerenti Precipitati coerenti e semicoerenti solubilizzazione dei precipitati Confronto diversi trattamenti Tensioni residue (XRD) Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

6. Effetto di trattamenti ‘post-welding’ sul comportamento a fatica di giunti saldati in lega Al6063 Risultati della modellazione numerica Profili di tensione residua dovuti a locale plasticizzazione Evoluzione dei profili di tensione residua preesistenti Curve di resistenza a fatica a numero di cicli costante Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

7. Previsione della vita a fatica di ponti saldati a piastra ortotropa Obiettivo del lavoro: sviluppo di una funzione peso per la previsione della propagazione per fatica di fessure in piastre ortotrope saldate. Effetto delle tensioni residue di saldatura Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

8. Previsione della vita a fatica di ponti saldati a piastra ortotropa Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

9. Comportamento a fatica di giunzioni tubolari saldate per applicazioni ciclistiche Obiettivo del lavoro: studio, mediante prove di laboratorio, del comportamento a fatica delle giunzioni saldate di un telaio ciclistico: influenza di modifiche microstrutturali locali indotte dalla saldatura ed effetto della pallinatura e della geometria del tubo. Attività sperimentale Modellazione numerica Su telaio Definizione di un’attrezzatura di prova per lo studio del giunto tubo obliquo/tubo sterzo Prove di fatica su diverse varianti di giunto diversificate per condizioni metallurgiche e per geometria Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

10. Comportamento a fatica di giunzioni tubolari saldate per applicazioni ciclistiche Geometria circolare Geometria a goccia Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

11. Comportamento a fatica di giunzioni tubolari saldate per applicazioni ciclistiche Analisi dei risultati mediante approccio basato su tensioni di hot-spot e su weld stress intesity factor Miglior razionalizzazione dei dati ottenuti, miglior interpretazione dei fenomeni di danno locale Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

12. Comportamento a frattura in regime oligociclico di collegamenti saldati per strutture in acciaio operanti in zona sismica Obiettivo del lavoro: definire criteri utili per la progettazione antisismica di collegamenti flangiato-bullonato in considerazione dell’alta vulnerabilità sismica delle connessioni saldate Curva ciclica del materiale de finizione dei parametri del modlelo di Lemaitre Caboche Caratterizzazione sperimentale Prove di meccanica della frattura in regime elastoplastico Prove in piena scala su particolare di collegamenti trave-colonna Simulazione ad elementi finiti del raggiungimento delle condizioni di collasso elastoplastico del giunto a seguito della propagazione di fessure alla radice del cordone di saldatura Modellazione numerica Modello coesivo di propagazione Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

13. Comportamento a frattura in regime oligociclico di collegamenti saldati per strutture in acciaio operanti in zona sismica Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

14. Comportamento a frattura in regime oligociclico di collegamenti saldati per strutture in acciaio operanti in zona sismica Cicli di isteresi per diversi livelli di ampiezza di deformazione Modello FEM di uno dei giunti studiati Curva ciclica e parametri del modello di Lemaitre Caboche Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

15. Giunti saldati: principali pubblicazioni M. Beghini, L. Bertini, V. Fontanari: “Fatigue life evaluation by weight functions for orthotropic bridge decks” Theoretical and applied fracture mechanics, Vol. 28, 1997, pp. 41-50 L. Bertini, V. Fontanari, G. Straffelini: “Influence of post weld treatments on the fatigue behaviour of Al-alloy welded joints” International journal of fatigue, Vol. 20, 1998, No. 10, pp. 749-755 Benedetti M., Fontanari V., Valenari A., "Fatigue behaviour of Al-alloy bike frames welded joints". A cura di Blom A., EMAS, Vol. 1, p. 405-412. Atti del convegno "Fatigue 2002 (Eighth International Fatigue Congress)", Stockholm (Sweden), 3-7 June, 2002 O. Bursi, F. Ferrario, V. Fontanari: “Numerical analysis of the low-cycle fatigue behaviour of bolted steel connections”, 5th Int. Conference on Computational Structures Technology, 6-9 September 2000, Leuven, Belgium, Civil-Comp Press:Edimburgh, 2000, pp. 385-396 Bursi O. S., Ferrario F., Fontanari V., "Non-linear Analysis of the Low-cycle Fracture Behaviour of Isolated Tee Stub Connections". Computers & structures : an international journal, 2002, v. 80, n. 27-30, p. 2333-2360. Benedetti M., Fontanari V., Slaghenaufi S., Valenari A., "Modellazione numerica e caratterizzazione a fatica di giunzioni tubolari saldate". Atti del convegno "AIAS 2003", Salerno, 3-6 settembre, 2003 Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

16. Effetto della geometria sulla resistenza a taglio di giunti adesivi Obiettivo del lavoro: definizione di una procedura di prova per caratterizzare a taglio diverse geometrie di incollaggio Caratterizzazione sperimentale Prove di resistenza statica a taglio su ‘doublelapjoints’ Messa a punto delle procedure di incollaggio e caratterizzazione delle proprietà dell’adesivo Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

17. Effetto della geometria sulla resistenza a taglio di giunti adesivi Modellazione numerica EF del giunto incollato: analisi dello stato tensionale ed interpretazione dei dati sperimentali Rapporto tensione di picco / tensione nominale Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

18. Analisi del comportamento a creep di giunti incollati 2500 E'' 150 E' 2000 Transducer Furnace 1500 100 E' (MPa) E'' (MPa) 1000 50 500 Vibrophore Specimen 0 0 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Basement log(frequency) Hz Moving device Drive Obiettivo del lavoro: valutazione della risposta a creep del giunto sulla base di definizione di un modello di risposta viscoelastico lineare dell’adesivo Sperimentazione in bulk su adesivo Analisi dinamo-meccanica (DMTA) Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

19. Analisi del comportamento a creep di giunti incollati Shear double lap joint Principio di sovrapposizione tempo temperatura: curve maestre del modulo di rilassamento E(t) e della cedevolezza a creep D(t)’ Previsione della risposta a creep del giunto Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

20. Analisi termo-meccanica di giunti tubolari incollati per applicazioni in circuiti frigoriferi Obiettivo del lavoro: identificazione di nuove formulazioni di adesivi in grado di garantire la tenuta dell’incollaggio negli intervalli di temperatura previsti nel circuito Analisi sperimentali: prove di tenuta sui giunti in opera e rilevazioni estensimetriche durante il ciclo termico Analisi FEM: Distribuzione della temperatura e tensione in uno dei giunti Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

21. Giunti incollati: altre attività Partecipazione ad un round robin in ambito ESIS TC4 per definizione procedura di prova su double cantilever e tapered double cantilever beam finalizzati all’ottenimento della curva Gc vs crack length Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

22. Giunti incollati: altre attività Giunti incollati: principali pubblicazioni L. Bertini, V. Fontanari, P. Mauri Influenza della forma sulla resistenza a taglio di giunti incollati XXIX ConvegnoAIAS, Lucca , 2000 V. Fontanari, A. Pegoretti, M. Tassan: Relazione tra proprietà viscoelatiche dell'adesivo e comportamento a creep di giunti incollatiXXX Convegno AIAS, Alghero, 2001 M. Tassan, V. Fontanari, P. Mauri: Viscoelastic properties and creep of adhesive jointsEuropean Coatings, 78(14), 2002, pp. 53-61 Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

23. Attrezzature disponibili • Instron 8516 servoidraulica 100 kN con camera climatica per prove ad alta temperatura (fino 1000 °C) • MTS bionic servoidraulica 25 kN con camera climatica per prove in temperatura su materiali polimerici • Instron 4502 servomeccanica 10 kN con camera climatica ed estensimetro per grandi deformazioni • Vibroforo Rumul Mikroton 20 kN per prove di fatica ad elevata frequenza • WolpertPendolo strumentato 300 J • Microscopio ESEM • DSC Differential scanning calorimeter Mettler DSC 30/TC15 TA • DMTA macchina per analisi termo-dinamo-meccanica • Diffrattometri per misure XRD (tensioni residue) Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

24. Attività in prospettiva Attualmente siamo coinvolti con i colleghi di tecnica della costruzioni (prof. Bursi, ing. Zonta) e macchine (Prof. Battisti) in un progetto finanziato dalla Provincia Autonoma di Trento per la messa a punto di un sistema di monitoraggio del danneggiamento a fatica dei giunti flangiati delle torri eoliche Recentemente è stata anche ripresa, mediante una tesi di laurea, l’attività di analisi del comportamento a creep dei giunti incollati Intendiamo contribuire alle attività del neocostituito gruppo di lavoro AIAS puntando sulle competenze finora acquisite: • Caratterizzazione meccanica e microstrutturale, nonché modellazione numerica dei giunti saldati • Caratterizzazione meccanica dei giunti incollati e studio microstrutturale dell’adesivo Completa disponibilità ad affrontare nuovi argomenti di ricerca: partecipare ad altri progetti che dovessero essere avviati Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008