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”
RELATORI
Ch.mo. Prof. Ing. Federico M. Mazzolani
Ch.mo. Prof. Ing. Raffaele Landolfo
CORRELATORE
Dr. Ing. Mario D’Aniello
CANDIDATO
Giuseppe La Manna Ambrosino
Matr. 344/85
MOTIVAZIONI
Le strutture storiche in carpenteria metallica 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.
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.
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
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.
1
2
3
4
5
• Calcolo sollecitazioni per ciascun treno di carico considerato, con
disposizione dei carichi tale da massimizzare le escursioni di tensione.
• Tracciamento oscillogrammi delle tensioni.
• Calcolo n° di cicli totali per il periodo di riferimento in esame.
• Calcolo N° di cicli a fatica sulla diagramma S-N
• Calcolo del coefficiente η (sommatoria del rapporto fra n° cicli agenti e
N° di cicli a fatica)
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.
Velocità media di corrosione [μm/anno]
Legge di degrado
d1 (t) =rav*t
d (t)=rav*10+rlin*(t-10)
1000
Classe di
corrosività C3
Limite
inferiore
500
Limite
superiore
0
0
50
100
Anni
150
t<10 anni
t≥10 anni
d1(t) profondità media corrosione primi
10 anni esposizione
d(t) profondità media corrosione
nell’intervallo di tempo considerato
rav velocità media corrosione
rlin velocità media corrosione stabilizzata
t tempo di esposizione
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
FATICA E CORROSIONE
METODOLOGIA DI CALCOLO
1
2
• Suddivisione intervallo temporale di riferimento in sub-intervalli pari a 10 anni.
• Determinazione stato tensionale relativo al decennio di riferimento tenendo
conto della riduzione di sezione.
ESEMPIO: corrente inferiore – Treno di carico n°3
Per
Δσ=110.98 N/mm
ni =0 di uno
Ni=∞stato
Pert=0anni
tener Riduzione:0%
conto nelle verifiche
a 2 fatica
Per t=10anni Riduzione:23.2%
Δσ=144.57 N/mm2
ni =25550
Ni=929994
tensionale
che evolve nelΔσ=145.11
tempo,N/mm
in seguito
alla riduzione
2
Per t=20anni Riduzione:23.5%
ni =51100
Ni=919556
Per
t=30anni
Riduzione:23.8%
N/mm2
ni =76650
Ni=909200
dello
spessore
dei piattiΔσ=145.66
determinata
dalla
presenza
di
• Calcolo del
di danneggiamento
relativo al decennio
in esame: ni/Ni
corrosione,
si livello
è proposta
la seguente
METODOLOGIA
3
ESEMPIO: corrente inferiore – Treno di carico n°3
DI CALCOLO:
Per t=0anni η=0
Per t=10anni η=0.041
Per t=20anni η=0.042
Per t=30anni η=0.043
4
• Sommatoria estesa all’intero periodo di riferimento dei livelli di
danneggiamento relativi a ciascun decennio
Per t=150anni η=0.725<1
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.
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.
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
Deformata Flessione
lungo Y:
6.3 Hz
Le travi metalliche sono accoppiate
dalle sole rotaie.
Collegamenti fra correnti
principale e aste diagonali di tipo
cerniera
Deformata Flessione
lungo Z:
8.0 Hz
MODELLO MECCANICO
Deformata Torsionale:
12.2 Hz
Modulo di Elasticità Normale:
200000 N/mm2
Modulo di Poisson:
0.3
Peso specifico:
7850 kg/m3
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
PROVE SUI MATERIALI
Acciaio delle lamiere
Acciaio dei chiodi
500
s
450
(N/mm2)
Confronto curve
0,5
0,45
400
0,4
350
0,35
sigma [kN/mmq]
300
250
0,3
S10_01
0,25
S10_02
200
C16-01
C16-02
C16-03
150
C19-01
C19-02
C19-03
0,15
100
C22-01
C22-02
C22-03
0,1
50
0
0,00
e
0,04
0,08
0,12
0,16
0,20
0,24
0,28
0,32
0,36
0,40
0,2
S10_03
S10_04
S10_05
0,05
0
0
0,05
0,1
0,15
epsilon
0,2
0,25
0,3
PROVE SULLE UNIONI CHIODATE
Le prove condotte
sulle
unioni chiodate sono relative a:
Numero,
diametro
Numero e spessore
 Unioni
chiodatedei
storiche
sul Torrente Gesso)
e interasse
chiodi(prelevate Ponte
delle lamiere
 Unioni chiodate riprodotte in officina con materiali d’epoca
La rottura è avvenuta per tre tipologie di collasso
TAGLIO DEI CHIODI
RIFOLLAMENTO DELLA LAMIERA
TRAZIONE DELLA LAMIERA
CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO
DEFINIZIONE DEGLI SCENARI
L’analisi della struttura
è stataA1condotta definendo 28 scenari
di progetto
Scenario
Scenario
C1
Scenario A
Scenario B
Scenario A2
Scenario C2
Scenario A3
Scenario C3
Scenario A4
Scenario C
Scenario C4
Scenario A5
Scenario C5
Scenario A6
Scenario C6
Scenario B1
Scenario D1
Scenario B2
Scenario D2
Scenario B3
Scenario D3
Scenario B4
Scenario D
Scenario D4
Scenario B5
Scenario D5
Scenario B6
Scenario D6
CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO
Treni di carico
effettivi
Scenario A
DEFINIZIONE DEGLI SCENARI
Treni di carico
Treni di carico
Treni di carico
da norma
effettivi
solo passeggeri
Scenario B
Scenario C
Treni di carico
da norma
solo passeggeri
Scenario D
Corrosione limite inf.
Corrosione limite inf.
Corrosione limite inf.
Manutenzione: non presente Manutenzione: primi 30 anni Manutenzione: costante nel tempo
Scenario A1
Scenario A2
Scenario A3
Scenario B1
Scenario B2
Scenario B3
Scenario C1
Scenario C2
Scenario C3
Scenario D1
Scenario D2
Scenario D3
Periodo di
riferimento:
T=44 anni (2010)
T=100 anni (2066)
T=150 anni (2116)
CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO
Treni di carico
effettivi
Scenario A
DEFINIZIONE DEGLI SCENARI
Treni di carico
Treni di carico
Treni di carico
da norma
effettivi
solo passeggeri
Scenario B
Scenario C
Treni di carico
da norma
solo passeggeri
Scenario D
Corrosione limite sup.
Corrosione limite sup.
Corrosione limite sup.
Manutenzione: non presente Manutenzione: primi 30 anni Manutenzione: costante nel tempo
Scenario A4
Scenario A5
Scenario A6
Scenario B4
Scenario B5
Scenario B6
Scenario C4
Scenario C5
Scenario C6
Scenario D4
Scenario D5
Scenario D6
Periodo di
riferimento:
T=44 anni (2010)
T=100 anni (2066)
T=150 anni (2116)
CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO
COLLEGAMENTI VERIFICATI
Collegamento corrente
inferiore
CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO
COLLEGAMENTI VERIFICATI
Collegamento diagonali
CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO
COLLEGAMENTI VERIFICATI
Collegamento corrente
superiore
CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO
COLLEGAMENTI VERIFICATI
Collegamento traversone
CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO
COLLEGAMENTI VERIFICATI
Collegamento longherina
ANALISI DEI RISULTATI
VERIFICHE A FATICA
La crisi si manifesta per collasso del collegamento del corrente inferiore
2934
5
η
Vita di esercizio: 50 anni
4
3
2
1
0
2010
2030
2016
2050
2070
2090
Vita di esercizio
2110
A
A1
A2
A3
A4
A5
A6
B
B1
B2
B3
B4
B5
B6
C
C1
C2
C3
C4
C5
C6
D
D1
D2
D3
D4
D5
D6
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;
La corrosione gioca un ruolo
fondamentale, in sua assenza non
si manifesta mai la crisi;
Gli scarti percentuali variano in
media fra il 150 ed il 300%.
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.
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 corrosivo
sulla vita residua a fatica.
È stato impiegato un approccio integrato in grado di considerare
contemporaneamente l’evoluzione dello stato tensionale dovuto al degrado da
corrosione ed il danno cumulato nell’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.
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
RINGRAZIAMENTI
Il lavoro presentato è stato sviluppato grazie ai seguenti contributi:
1. PROHITECH project “Earthquake Protection
of Historical Buildings by Reversible Mixed
Technologies”, coordinato dal Prof. Ing. F. M.
Mazzolani
2. Dott. Ing. Antonio D’Aniello, Direttore
Territoriale Produzione di Rete Ferroviaria
Italiana (RFI).