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Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Civile
Anno Accademico 2015/2016
RELAZIONE DI FINE TIROCINIO :
Allestimento, esecuzione ed analisi dei dati di prove per verificare la resistenza
residua ai carichi verticali a seguito di danno sismico di nodi impalcato/pila in
acciaio-calcestruzzo riprodotti in scala 1:2
Tutor: Fabrizio Paolacci
Tirocinante: Stefano Caprinozzi
Sommario 1. Introduzione ....................................................................................................................................... 1
2. Caratteristiche del Provino ................................................................................................................ 1
3. Definizione della prova ...................................................................................................................... 5
4. Allestimento ..................................................................................................................................... 11
5. Disposizione sensori ........................................................................................................................ 15
6. Esecuzione della prova, raccolta e analisi dei dati .......................................................................... 20
7. Conclusioni ...................................................................................................................................... 35
Figura 1Tipologia di nodo Impalcato-Pila ................................................................................................ 2
Figura 2 Particolare nodo “DOMI-2” ....................................................................................................... 3
Figura 3Dettaglio CCB tipo "DOMI-1" .................................................................................................... 4
Figura 4Modello 3D del nodo ................................................................................................................... 5
Figura 5 Vista frontale del setup di prova ................................................................................................. 6
Figura 6 Schema statico di trave semplicemente appoggiata ................................................................... 7
Figura 7 Schema statico di trave continua ................................................................................................ 7
Figura 8 Inviluppo dei momenti flettenti .................................................................................................. 8
Figura 9 Modello statico del provino ........................................................................................................ 8
Figura 10 Carico Verticale ........................................................................................................................ 9
Figura 11 Provino "DOMI-2" ................................................................................................................. 10
Figura 12 Allestimento alla base ............................................................................................................ 11
Figura 13 Movimentazione provino ........................................................................................................ 12
Figura 14 Ancoraggio provino ................................................................................................................ 13
Figura 15 Allestimento finale ................................................................................................................. 14
Figura 16 Strain gauge ............................................................................................................................ 15
Figura 17 Potenziometri a filo ................................................................................................................ 16
Figura 18 Potenziometro lineare ............................................................................................................. 17
Figura 19 LVDT...................................................................................................................................... 18
Figura 20 Esempio di deformazione ....................................................................................................... 19
Figura 21 Celle di carico ......................................................................................................................... 20
Figura 22 Fessure CCB - Soletta............................................................................................................. 21
Figura 23 Fessure estradosso CCB ......................................................................................................... 22
Figura 24 Fessure CCB sezione di testa.................................................................................................. 23
Figura 25 Fessure estradosso CCB ......................................................................................................... 24
Figura 26 Letture celle di carico ............................................................................................................. 25
Figura 27 Spostamenti verticali estremità della soletta .......................................................................... 26
Figura 28 Spostamenti verticali alla base del povino ............................................................................. 27
Figura 29 Deformazioni tiranti di contrasto ............................................................................................ 28
Figura 30 Deformazioni travi metalliche ................................................................................................ 29
Figura 31 Deformazioni armature nella soletta ....................................................................................... 30
Figura 32 Scorrimenti tra estradosso della trave metallica e intradosso soletta ..................................... 31
Figura 33 Spostamento relative tra la pila e la soletta ............................................................................ 32
Figura 34 Deformazioni estradosso soletta ............................................................................................. 33
Figura 35 Spostamenti tra CCB e travi in acciaio ................................................................................... 34
1
1. Introduzione
Il tirocinio è stato svolto presso il laboratorio “PRiSMa” dove si eseguono prove e ricerche su strutture
e materiali, situato all’interno dell’Università degli Studi di Roma Tre, presso la facoltà di Ingegneria.
Tale tirocinio si è svolto nel periodo che va dal 01/04/2016 al 13/05/2016.
L’obbiettivo di tale attività è stato l’allestimento e l’esecuzione di un ultimo test all’interno del più ampio
progetto di ricerca Europea SEQBRI “Performance-based earthquake engineering analysis of short-
medium span steel-concrete composite bridges” e, successivamente, l’analisi dei dati raccolti.
In particolare, il test da me condotto ha riguardato la verifica della resistenza residua ai carichi verticali
di nodo impalcato-pila per ponti in acciaio-calcestruzzo già danneggiato.
2. Caratteristiche del Provino
Come già detto l’attività fa parte del progetto di ricerca SEQBRI che ha lo scopo di investigare e
descrivere nuove tipologie di nodi impalcato-pila per ponti in acciaio-calcestruzzo (SCC).
I nodi studiati erano composti da una CCB (Concrete Cross Beam), ovvero una trave trasversale in
calcestruzzo, nella quale convergono le travi longitudinali in acciaio e la soletta in calcestruzzo.
2
Figura 1Tipologia di nodo Impalcato-Pila
Sono stati eseguiti test su tre diverse tipologie di nodi, che differiscono tra loro per le diverse
caratteristiche di connessione tra trave in acciaio e CCB:
DIN-FB104 Var.C;
DOMI-1
DOMI-2
3
L’ultimo test, che è quello da me seguito durante il tirocinio, è stato eseguito sulla tipologia di nodo
DOMI-2.
Tale tipologia di nodo prevede l’anima della trave HEB600/S460 inserita di 360 mm all’interno della
CCB e 2x6D25 pioli (shear-studs) Nelson posti perpendicolarmente alla superficie dell’anima in modo
da garantire la connessione a taglio tra la trave d’acciaio e la CCB.
La flangia superiore finisce prima della CCB ed è saldata ad una piastra di testa 15x280x415mmm che è
usata come una protezione per la connessione dalla penetrazione dell’umidità. La flangia inferiore invece
è saldata ad una piastra spessa 70 mm, larga 460 mm ed alta 280 mm con una parziale penetrazione nella
CCB. In tale piastra vengono inserite 4 barre di precompressione che fungono da tirante, per evitare il
distacco delle flange inferiori di entrambe le travi dalla CCB, in caso momento positivo sul nodo.
Figura 2 Particolare nodo “DOMI-2”
Per entrambi i calcestruzzi della soletta e della Cross-Beam è stato utilizzato il calcestruzzo C35/45 e
sono state utilizzate barre di armatura in acciaio B450C.
4
La trave a doppio T è una IPE 330 ed è stato utilizzato un acciaio ad alta resistenza S460, mentre per i
pioli Nelson l’acciaio S235-J2G3+C450. Infine le barre di precompressione sono di tipo Dywidag
835/1030 e sono utilizzati bulloni M30/10.9.
Figura 3Dettaglio CCB tipo "DOMI-1"
5
3. Definizione della prova
Le prova viene realizzata su una porzione di ponte, composta dal nodo centrale e da un'unica trave
longitudinale, in scala 1:2.
Figura 4Modello 3D del nodo
L’obbiettivo è quello di applicare al provino delle sollecitazioni verticali, dovute al peso proprio ed ai
carichi verticali, per verificarne cosi la capacità portante residua.
E’ stato quindi necessario realizzare una particolare e articolata attrezzatura in grado di trasferire tali
azioni all’elemento considerato.
6
Figura 5 Vista frontale del setup di prova
La forza verticale è trasmessa attraverso due martinetti allineati al di sotto della pila, posizionati a 0.5 m
tra di loro, in modo da ottenere una diffusione uniforme delle forze di compressione nel calcestruzzo.
Tale forza spinge verso l’alto il provino che è pero tenuto in posizione da quattro tiranti, trasmettendo
cosi la forza (in senso opposto) dei due martinetti alla soletta e permettendo di simulare i carichi verticali
eventualmente presenti.
A causa delle fasi costruttive con le quali il ponte viene realizzato, l’impalcato cambia il suo schema
statico per le differenti condizioni di carico verticale. Dopo che la trave in acciaio viene posata in opera
sulla pila e gli appoggi, solo il peso proprio agirà su di essa e lo schema è quello di trave semplicemente
appoggiata.
7
Figura 6 Schema statico di trave semplicemente appoggiata
Una volta effettuato il getto di calcestruzzo ed avvenuta la sua maturazione, lo schema static cambia e
diventa quello di trave continua. Il momento flettente dovuto ai sovraccarichi permanenti e variabili è
mostrato in figura:
Figura 7 Schema statico di trave continua
Conseguentemente il momento flettente finale è illustrato di seguito:
8
Figura 8 Inviluppo dei momenti flettenti
E’ da notare come il punto di momento nullo si sia spostato verso la pila, dalla fase 2 a quella 3. La parte
di trave con momento negativo può essere facilmente riprodotto, accettando però una approssimazione
lineare del momento, che può essere generato spingendo in alto il provino con i due martinetti posti sotto
la pila e mantenendo fissate le due estremità.
Osservando attentamente la struttura del provino è possibile identificare un modello statico a T:
Figura 9 Modello statico del provino
9
Questo ovviamente rappresenta un parte dell’intero ponte, e comprende la connessione di tipo monolitico
fino al punto di momento nullo, sia sulle travi longitudinali che sulla pila. Per riprodurre correttamente
il comportamento statico dell’elemento devono essere rispettate le condizioni di carico verticali.
Gli effetti delle forze verticali, applicate alla base della pila, sono una distribuzione lineare del momento
sulla trave longitudinale, mentre non è presente momento sulla pila.
Figura 10 Carico Verticale
Anche se ci si aspetta una distruzione non lineare del momento flettente, un’approssimazione lineare è
considerata accettabile.
Questo schema strutturale permetterà di identificare il giusto fattore di scala compatibile con la capacità
del laboratorio. Il fattore di scala S scelto per il test è 1:2, quindi tutte le dimensioni degli elementi
verranno moltiplicate per questo valore, mentre la masse e le altre grandezze verranno modificate come
mostrato in tabella:
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In definitiva la lunghezza delle due campate adiacenti al nodo è di 1.5 m, per un totale di 3.0 m, mentre
la larghezza efficace della trave composta è di 1.325 m. Per quanto riguarda la CCB questa ha una
larghezza di 1.325 m, una lunghezza di 0.45 m ed un’altezza di 0.705 m. Infine la pila presenta un’altezza
di 1.42 m, una larghezza di 1.325 m ed una lunghezza di 0.3 m.
Figura 11 Provino "DOMI-2"
11
4. Allestimento
Le fasi di montaggio sono state molteplici, e data la complessità e le dimensioni della prova hanno
richiesto svariati giorni di lavoro. Per prima cosa si è proceduto con l’installazione dei blocchi a terra, fissati
con opportuni perni filettati, e poi con il posizionamento delle varie cerniere che permetteranno le rotazioni
dei tiranti verticali e della base d’appoggio della pila:
Figura 12 Allestimento alla base
A questo punto è stato possibile posizionare il provino su un’apposita “culla” metallica in grado di
sollevarsi nella parte sua centrale. Tale movimentazione è stata possibile grazie all’utilizzo di un apposito
carroponte.
12
Affinché si potesse realizzare un vincolo il più congruo possibile con quello reale, la base della pila è
stata stretta tra una “scarpa” in acciaio ancorata sulla piastra metallica come mostrato nella figura
seguente.
Figura 13 Movimentazione provino
13
Figura 14 Ancoraggio provino
Una volta fissata la base della pila si è proceduto all’installazione dei quattro tiranti di contrasto
appositamente posizionati per simulare i carichi verticali. Una volta sistemati quest’ultimi, ottenendo una
configurazione come nell’immagine seguente, si è pronti per procedere al posizionamento di tutti gli
strumenti necessari.
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5. Disposizione sensori
A causa dell’ingente quantità di informazioni utili, è stato necessario predisporre un elevato numero di
sensori, distribuiti sul provino.
I sensori utilizzati sono:
Strain Gauges: è uno strumento di misura utilizzato per rilevare piccole deformazioni
dimensionali di un corpo sottoposto a sollecitazioni meccaniche o termiche. Conoscendo a priori
le caratteristiche meccanico/fisiche del materiale, misurando le deformazioni si possono
facilmente ricavare le tensioni a cui il corpo e soggetto. Gli SG consistono in un sostegno
flessibile ed isolato che supporta un foglio metallico. Il misuratore è attaccato all’oggetto
attraverso un appropriato adesivo. Quando l’oggetto si deforma, la lamina metallica si deforma,
causando una variazione della resistenza elettrica.
Figura 16 Strain gauge
Gli SG quindi sono stati posti nei punti in cui interessava la storia tensionale del provino, ma anche
dell’intero sistema metallico di prova. In particolare questi sono stati posizionati:
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Potenziometri a Filo: sono trasduttori di posizioni potenziometrici a filo, che convertono
spostamenti lineari in variazioni di resistenza. Sono costituiti da un potenziometro rotativo di
precisione azionato mediante l'avvolgimento o lo svolgimento di un filo in acciaio inox. Una volta
agganciata l’estremità del filo ad un oggetto in movimento, permettono di determinare con
precisione millimetrica i suoi spostamenti.
Figura 17 Potenziometri a filo
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Tali potenziometri sono stati utilizzati sia come controllo in spostamento orizzontale e verticale per i
martinetti, che come misuratori di spostamento in varie posizioni del provino:
Potenziometri lineare: il funzionamento di questi strumenti ed il loro scopo è identico ai
potenziometri a filo, con l’unica differenza che al posto del filo è presente un braccetto rigido. In
funzione dello spostamento di quest’ultimo, il sensore è in grado di misurare gli spostamenti.
Figura 18 Potenziometro lineare
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Questi sensori sono stati utilizzati per le misurazioni degli scorrimenti tra soletta e trave d’acciaio e per
la misurazione dell’apertura delle fessure del calcestruzzo della soletta superiore ed inferiore.
Viene riportata in seguito una tabella riassuntiva:
LVDT: trasduttori di movimento induttivo, sono dei dispositivi elettromagnetici usati per la
misura di piccoli spostamenti. Tali dispositivi vengono utilizzati per la misurazione della
rotazione relativa delle piastre di testa delle travi d’acciaio rispetto la cross-beam.
Figura 19 LVDT
Gli LVDT posti in prossimità dell’ala superiore misurano il distacco superiore della piastra dalla CCB in
caso di momento negativo sul nodo.
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Celle di carico : due celle di carico per lato posizionate sotto le travi di collegamento tra i tiranti
Figura 21 Celle di carico
6. Esecuzione della prova, raccolta e analisi dei dati
Durante la giornata di prova sono state eseguite quattro prove monotone per una durata complessiva di
circa trenta minuti, raccogliendo dati ogni decimo di secondo.
Il danneggiamento finale del provino è stato abbastanza evidente, in particolare si è notata l’apertura di
nuove fessure sul nodo e sulla soletta, oltre all’allargamento di quelle già presenti.
24
Figura 25 Fessure estradosso CCB
Una volta eseguito il test e dunque acquisiti i dati, oggetto del mio tirocinio è stata la loro elaborazione.
In particolare ho verificato la corretta acquisizione degli stessi, andando quindi a verificare la congruenza
tra quanto acquisito da un sensore e dal suo omologo posizionato opportunamente.
Di seguito sono riportati i vari grafici che mostrano l’andamento nel tempo delle varie quantità misurate.
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7. Conclusioni
Considerando i risultati ottenuti e, nello specifico, osservando attentamente l’andamento nel tempo delle
varie misure effettuate, vista l’ottimale congruenza l’uno con l’altro dei grafici dei vari sensori installati,
si può tranquillamente affermare che l’intero test è stato svolto correttamente e che tutti i risultati ottenuti
possono quindi ritenersi attendibili.
È bene ricordare che qualora in alcuni grafici si notasse un andamento negativo di alcune quantità, questo
è dovuto esclusivamente alle convenzioni dei segni utilizzate e alla posizione dei sensori (dx o sx).
Quanto raccolto sarà poi successivamente elaborato e post-processato per ottenere ulteriori informazioni,
ma questa fase esula dal mio tirocinio.