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STUDIO NUMERICO E SPERIMENTALE DEL COMPORTAMENTO MECCANICO DI GIUNTI CON
INSERTI FIBRORINFORZATI PER ELEMENTI STRUTTURALI LIGNEI
Tesi di Laurea Specialistica di: Elisa Sala
Relatore: Prof. Carlo Poggi
Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Civile
Anno accademico 2009/2010
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
2Unioni incollate con inserti a scomparsa
Fresatura degli elementi in legno da giuntare Inserimento dei connettori
In ACCIAIO barre ad aderenza migliorata, lamiere preforate, lamiere striate sabbiate e similari
In FRP inserti laminati, inserti sciolti Percolazione della resina epossidica
Il presente lavoro si inserisce nell’ambito del contratto di ricerca “Studio di collegamenti innovativi per elementi strutturali lignei” tra il Politecnico di Milano e la ditta Cenci Legno s.a.s.
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
3Indice
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Modellazione del legno
Tipologie di connessione tra elementi lignei
Resina Epossidica
Materiali Fibrorinforzati
Sperimentazione
Interpretazione numerica dei risultati
Interpretazione analitica dei risultati
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
4Legno massiccio e legno lamellare
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Le proprietà meccaniche sono in stretta relazione con le tre direzioni anatomiche del materiale:
Longitudinale: parallela alla direzione del troncoRadiale: parallela alla direzione degli anelliTangenziale: parallela alla tangente dei cerchi concentrici
Un elemento in legno privo di difetti è localmente schematizzabile come materiale ortotropo rispetto ai tre piani
Considerando un cubo di legno lontano dall’asse midollare
è possibile sostituire gli anelli con strati piani
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
5Legno massiccio e legno lamellare
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Ulteriore semplificazione: riferirsi ad un’unica direzione anatomica con due orientazioni:
Parallela alla fibraturaPerpendicolare alla fibratura
Comportamento elastico lineare a trazione e elasto-plastico a compressione
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
6Strutture in legno lamellare
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
7Tipologie di connessione
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Unioni tradizionali
Unioni meccaniche
unioni legno/legno in cui le sollecitazioni si trasmettono direttamente tramite sforzi di compressione o trazione
la trasmissione degli sforzi avviene in maniera indiretta, attraverso l'inserimento di elementi metallici eventualmente con la presenza di colla
connettori metallici a gambo cilindricochiodi, bulloni, perni, viti
connettori metallici di superficiecaviglie, anelli, piastre dentate
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
8Sperimentazione
n. 3 Capriate a ginocchio n. 1 con inserti in lamiera sabbiata
n. 1 con inserti in FRP scioltin. 1 con inserti in FRP laminati
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
n. 3 Capriate a gomito n. 1 con inserti in lamiera sabbiatan. 1 con inserti in FRP scioltin. 1 con inserti in FRP laminati
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
9Sperimentazione
n. 3 Travi a tre vie n. 1 con inserti in piastre di acciaion. 2 con inserti in FRP
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
n. 6 Travi rettilinee n. 3 con inserti in FRP scioltin. 3 con inserti in FRP laminati
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
10Adesivo strutturale epossidico
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Sono polimeri termoindurenti
dopo la reazione di reticolazione viene prodotto un reticolo 3D infusibile e indeformabile plasticamente
Gli adesivi sono forniti in coppie di fustini predosati
Componente A (resina)Componente B (indurente)
Caratteristiche:
Elevata resistenza agli agenti chimici Invariabilità volumetrica e della struttura molecolare Capacità di adesione su superfici senza velo d’acqua
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
11Materiali fibrorinforzati - FRP
Materiali non presenti in natura, costituiti da almeno due sostanze (fasi) con proprietà chimiche e caratteristiche meccaniche diverse
Fase continua (matrice) di natura polimericaFORMA
Fase dispersa (rinforzo) costituita da fibre lungheRESISTENZA
Tessuti unidirezionali fibre “secche” disposte in una sola direzione
Lamine bidirezionali fibre “pre-apprettate” disposte ad intreccio nelle due direzioni ortogonali
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
12Tipologie di inserti in FRP utilizzati
Stuoia bidirezionale in vetro pre-apprettata
Stuoia bidirezionale in carbonio pre-apprettata
Nastri unidirezionali in carbonio
Inserti sciolti Costituiti da singole stuoie, eventualmente rinforzate con nastri di carbonio
Inserti laminati Costituiti da più strati di stuoie, eventualmente rinforzate con nastri di carbonio, uniti tra loro con resina epossidica
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
13Realizzazione degli inserti
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Dal rotolo di tessuto pre-apprettato si ricava la sagoma dell’inserto, poi spianata con una
pistola termica
Vengono applicati alle stuoie gli eventuali nastri di rinforzo in carbonio unidirezionali con
resina epossidica
Si procede, seguendo la sequenza di impacchettamento
Per gli inserti sciolti si procede accostando le varie stuoie con dei distanziatori; per gli
inserti laminati si procede incollando tra loro i vari strati
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
14Inserti laminati e inserti sciolti realizzati
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
3 Stuoie bidirezionali in carbonio
4 nastri unidirezionali in carbonio
Trave 25Inserti laminati
Trave 26Inserti sciolti
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
15Inserti laminati e inserti sciolti realizzati
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Trave 27Inserti laminati
Trave 28Inserti sciolti
2 Stuoie bidirezionali in vetro
6 nastri unidirezionali in carbonio
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
16Inserti laminati e inserti sciolti realizzati
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Trave 29Inserti laminati
Trave 30Inserti sciolti
9 Stuoie bidirezionali in carbonio
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
17Realizzazione delle travi
Con macchinari per taglio a controllo numerico predisporre le fresate e la tasca in mezzeria
Rendere scabre le superfici di testa con un pantografo per agevolare l’adesione della resina al legno
Accostare di testa le travi, allinearle ed unirle con viti
Posizione dell’intaglio trasversale riempito di
resina in mezzeria
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
18Realizzazione delle travi
Sigillare le possibili vie di fuga della resina: nodi in corrispondenza del giunto e spigoli vivi in mezzeria
Inserire gli inserti negli intagli, ripuliti dall’eventuale truciolame, applicando dei distanziatori per evitare che aderiscano alle pareti delle fresate
Unire i due componenti della resina epossidica e riempire il giunto
Vibrare le pareti del giunto per agevolare l’espulsione delle bolle
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
19
Appoggioa cui è stata collegata una
piastra di acciaio per non punzonare
il legno
Coltello di carico cilindrico con piastra
di acciaio per non punzonare il legno
Cavi di acciaioper controventare il
martinetto
Squadreancorate al suolo per evitare sbandamenti
laterali della trave dotate di teflon
Martinetto (250 kN)a cui è collegata una trave per ripartire il carico in due punti, rispettivamente a
1/3 e 2/3 della trave
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Attrezzatura sperimentale
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
20Posizione dei trasduttori
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Per la lettura dell’evoluzione
dell’apertura del giunto
Per la lettura degli spostamenti orizzontali
della trave
Trasduttori orizzontali
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
21Posizione dei trasduttori
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Trasduttori verticali a nucleo libero
Per la lettura delle frecce in mezzeria e in corrispondenza
dei coltelli di carico
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
22Storia di carico
UNI EN 380 – Curva 8
10.8 kN
Velocità controllo di
carico0.06 kN/sec
18.9 kN
27 kN
Velocità controllo di
spostamento0.02 mm/sec
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
23Prove sperimentali su elementi strutturali
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
24Risultati sperimentali
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Rottura dell’intaglio trasversale
riempito di resina
27 kN
Rottura 141 kN
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
25Confronto dei risultati ottenuti
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
26Confronto dei risultati ottenuti
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
27Confronto dei risultati ottenuti
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Lieve differenza tra inserti sciolti e laminati (realizzati a regola d’arte) in termini di carico raggiunto
Contributo favorevole dei nastri unidirezionali di carbonio
TRAVE CARICO [kN]
FRECCIA 1 [mm]
FRECCIA 2 [mm]
FRECCIA 3 [mm]
LVDT A [mm]
LVDT B [mm]
LVDT C [mm]
LVDT D [mm]
RETTILINEE
25 114.74 37.01 44.23 37.02 0.58 2.81 3.20 4.89 26 118.86 42.85 55.09 40.40 0.25 4.99 2.37 6.42 27 111.37 34.46 39.86 32.86 0.33 2.81 3.53 3.68 28 141.41 50.59 62.00 51.25 2.12 4.64 7.77 4.20 29 89.44 26.14 31.09 24.76 0.28 2.34 2.97 2.13 30 74.92 23.01 26.13 21.81 0.23 1.26 3.93 0.43
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
28Prove per la caratterizzazione della resina
Prova di trazione Prova di flessione
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
29Prove per la caratterizzazione della resina
Prova di compressione Prova di punch tool
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
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30Prove di pull-out
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
31Modelli ad elementi finiti – Modelli FEM
Posizionamento di carrelli sulle superfici per garantire
la simmetria
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
32Modelli FEM
“Controllo di spostamento”
“Controllo di carico”
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
33Modelli FEM
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Modelli FEM
Sperimentale
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
34Modelli FEM
Trave rettilinea in legno lamellare con inserti in lamiera di acciaio
Modello FEM senza resina
Modello FEM con resina
Modello FEM con cuscinetto di resina
Ipotesi Legno materiale ortotropoResina materiale isotropo (assenza di bolle)Acciaio materiale isotropoPerfetta aderenza
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
35Modelli FEM
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Modelli FEM Sperimentale
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
36Modellazione del composito
Determinazione dell’area e dello spessore equivalente
Area resistente
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Massa tessuto per unità di area
Densità delle fibre
Solo stuoie
Stuoie e nastri
Caratteristiche meccaniche
(Teoria dei laminati)
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37Modelli FEM
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Sperimentali
Modelli FEM
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
38Modelli FEM
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
39Calcolo degli sforzi
Con modelli FEM Analiticamente
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
40Calcolo degli sforzi
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
41Calcolo degli sforzi
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
42Modello per la determinazione delle tensioni
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Fase 1: Calcolo spessori equivalenti
Fase 2: Calcolo asse neutro
Fase 3: Verifica degli sforzi
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
43Modello per la determinazione delle tensioni
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
M = 30 kNm y = 184.24 mm
VERIFICA SODDISFATTA
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44Conclusioni
Realizzando in modo corretto gli inserti fibrorinforzati si apprezzano
buone prestazioni dei giunti in termini di resistenza meccanica
I risultati sperimentali, numerici ed analitici sono confrontabili,
assicurando la bontà dei modelli ad elementi finiti realizzati per il tratto
elastico
Implementando i modelli FEM è possibile rappresentare anche la
fase non lineare della curva Carico-Spostamento delle travi
Per quantificare l’aderenza tra gli inserti fibrorinforzati ed il legno
ottenuta con adesivo epossidico è necessario svolgere ulteriori
prove sperimentali
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Analitico Numerico Conclusioni
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
45
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Analitico Numerico Conclusioni
Grazie per l’attenzione
Conclusioni
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
46Modellazione
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Numerico Analitico Conclusioni
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
47Diagramma Momento-Curvatura
Indice Introduzione Tipologie di connessione Materiali Sperimentazione Analitico Numerico Conclusioni
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48Diagrammi Momento-Rotazione
I Stadio
II Stadio
II Stadio
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