Tesi Alice Bertoncelli

433 Pages·2017·25.44 MB·Italian

ALMA MATER STUDIORUM - UNIVERSITÀ DI BOLOGNA

SCUOLA DI INGEGNERIA E ARCHITETTURA

DICAM – Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Civile – curriculum Strutture

TESI DI LAUREA

in
PROGETTO DI PONTI

VERIFICHE A FATICA DI UN PONTE AD ARCO IN ACCIAIO

CANDIDATA: RELATORE:

Alice Bertoncelli Chiar.mo Prof. Ing. Stefano Silvestri

CORRELATORE:

Ing. Michele Bianchini

Anno Accademico 2016/2017

II Sessione

INDICE
1. INTRODUZIONE ............................................................................................... 1
1.1. Oggetto e finalità della tesi ......................................................................... 1
1.2. Organizzazione della tesi ............................................................................ 2
2. LA FATICA ........................................................................................................ 3
2.1. Cenni storici ................................................................................................ 3
2.2. Aspetti generali ........................................................................................... 4
2.2.1. Parametri tipici ...................................................................................... 7
2.2.2. Sollecitazioni......................................................................................... 9
2.2.3. Resistenze ........................................................................................... 13
2.2.3.1. Acciaio ......................................................................................... 13
2.2.3.2. Calcestruzzo armato .................................................................... 20
3. PROCEDURA INDIVIDUATA PER LE VERIFICHE DI FATICA SUL
PONTE ...................................................................................................................... 22
3.1. Individuazione dei carichi da fatica .......................................................... 23
3.1.1. Influenza della tensione media sulla vita a fatica ............................... 23
3.2. Determinazione dell’oscillogramma e dell’istogramma delle tensioni .... 25
3.3. Verifiche ................................................................................................... 26
4. INDIVIDUAZIONE DEI CARICHI DA FATICA ........................................... 27
4.1. Calcestruzzo .............................................................................................. 27
4.2. Acciaio ...................................................................................................... 29
5. DETERMINAZIONE DELL’ OSCILLOGRAMMA E DELL’ ISTOGRAMMA
DELLE TENSIONI .................................................................................................. 31
5.1. Individuazione dello schema statico ......................................................... 32
5.2. Linea di influenza tradizionale.................................................................. 32
5.3. Linea di influenza “speciale” .................................................................... 33
I
5.4. Dalla linea di influenza “speciale” all’oscillogramma delle tensioni ........ 37
5.5. Conteggio dei cicli ..................................................................................... 38
5.6. Costruzione dell’istogramma delle tensioni .............................................. 40
6. VERIFICHE DI FATICA .................................................................................. 41
6.1. Acciaio ....................................................................................................... 41
6.1.1. Verifica a vita illimitata ....................................................................... 42
6.1.2. Verifiche a danneggiamento ................................................................ 43
6.1.2.1. Verifica a danneggiamento cumulativo (regola di Palmgren-
Miner) ...................................................................................................... 44
6.1.2.2. Verifica a danneggiamento semplificata ...................................... 46
6.2. Calcestruzzo............................................................................................... 49
7. CASO STUDIO: PONTE AD ARCO IN ACCIAIO A VIA INFERIORE ....... 53
7.1. Descrizione dell’opera e concezione strutturale ........................................ 53
7.2. Descrizione geometrica ............................................................................. 55
7.2.1. Impalcato ............................................................................................. 55
7.2.2. Archi .................................................................................................... 56
7.3. Materiali .................................................................................................... 57
7.4. Azioni – analisi dei carichi ........................................................................ 57
7.5. Funzionamento statico del sistema arco-trave ........................................... 60
7.5.1. Cenni storici ......................................................................................... 60
7.5.2. Aspetti generali .................................................................................... 63
7.5.3. Introduzione al problema ..................................................................... 66
7.5.4. Ipotesi per il calcolo e ruolo delle rigidezze ........................................ 67
7.5.5. Caso limite 1: EaJa/EtJt (cid:1) 0, Arco infinitamente flessibile rispetto alla
trave ............................................................................................................. 72
II
7.5.6. Caso limite 2: EaJa/EtJt (cid:1) ∞, arco infinitamente rigido rispetto alla
trave ............................................................................................................. 79
7.5.7. Caso 3: EaJa/EtJt ≈ 1 .......................................................................... 80
7.5.7.1. Componenti di spostamento dell’arco ......................................... 81
7.5.7.2. Equazione della linea elastica dell’arco ....................................... 84
7.5.7.3. Il sistema combinato arco-trave ................................................... 85
7.5.8. Applicazione: ponte ad arco a via inferiore, calcolo manuale della spinta
............................................................................................................. 88
7.5.8.1. Calcolo manuale della spinta. Caso limite 1 (EaJa/EtJt (cid:1) 0) ..... 88
7.5.8.2. Calcolo manuale della spinta per il caso limite 2 (EaJa/EtJt(cid:1)∞) 89
7.6. Individuazione dei dettagli costruttivi secondo normativa ....................... 91
7.6.1. Soletta ................................................................................................. 91
7.6.2. Travi longitudinali principali .............................................................. 92
7.6.3. Traversi ............................................................................................... 96
7.6.4. Travi longitudinali secondarie (IPE 240) .......................................... 102
7.6.5. Angolari (controventamento impalcato) ........................................... 106
7.6.6. Archi ................................................................................................. 107
7.6.7. Controventamento superiore (archi) ................................................. 109
7.6.8. Pendini .............................................................................................. 113
8. VERIFICHE A FATICA DI SELEZIONATI ELEMENTI STRUTTURALI 116
8.1. Soletta di impalcato................................................................................. 116
8.1.1. Azioni ................................................................................................ 117
8.1.2. Individuazione dello schema statico ................................................. 118
8.1.3. Calcolo delle sollecitazioni dovute ai carichi permanenti ................ 118
8.1.4. Linea di influenza tradizionale di M all’appoggio I ......................... 119
III
8.1.5. Linea di influenza “speciale” di ML/2(appoggio centrale) a due assi a
distanza costante (modello di fatica n.1) .......................................................... 124
8.1.6. Linearizzazione .................................................................................. 125
8.1.7. Verifica del calcestruzzo compresso, sezione d’appoggio ................ 126
8.1.7.1. Linea di influenza “speciale” delle tensioni linearizzata e
oscillogramma delle tensioni ....................................................................... 126
8.1.7.2. Calcolo dello stress range massimo e verifica ........................... 131
8.1.8. Verifica dell’armatura tesa, sezione d’appoggio ............................... 135
8.1.8.1. Linea di influenza “speciale” delle tensioni linearizzata e
oscillogramma delle tensioni ....................................................................... 135
8.1.8.2. Calcolo dello stress range massimo e verifica ........................... 136
8.1.9. Linea di influenza tradizionale di M in campata ............................... 138
8.1.10. Linea di influenza “speciale” di M a due assi a distanza costante
campata
(modello di fatica n.1) ...................................................................................... 139
8.1.11. Linearizzazione .............................................................................. 140
8.1.12. Verifica del calcestruzzo compresso, sezione di campata ............. 141
8.1.12.1. Linea di influenza “speciale” delle tensioni linearizzata e
oscillogramma delle tensioni ....................................................................... 141
8.1.12.2. Calcolo dello stress range massimo e verifica ........................... 144
8.1.13. Verifica dell’armatura tesa, sezione di campata ............................ 147
8.1.13.1. Linea di influenza “speciale” delle tensioni linearizzata e
oscillogramma delle tensioni ....................................................................... 147
8.1.13.2. Calcolo della variazione di tensione massima e verifica ........... 148
8.2. Pendini ..................................................................................................... 151
8.2.1. Azioni ................................................................................................ 152
8.2.2. Individuazione dello schema statico .................................................. 153
IV
8.2.3. Linea di influenza tradizionale, N ..................................................... 153
8.2.4. Linea di influenza “speciale” di N a due assi a distanza costante
(modello di fatica n.1) ..................................................................................... 158
8.2.5. Linea di influenza “speciale” di N a quattro assi a distanza costante
(modello di fatica n.3) ..................................................................................... 162
8.2.6. Linearizzazione ................................................................................. 164
8.2.7. Verifica del cavo ............................................................................... 165
8.2.7.1. Verifica a vita illimitata ............................................................. 166
8.2.7.1.1. Oscillogramma delle tensioni ............................................... 166
8.2.7.1.2. Calcolo della variazione di tensione massima e verifica...... 166
8.2.7.2. Verifica a danneggiamento cumulativo ..................................... 168
8.2.7.2.1. Oscillogramma delle tensioni ............................................... 168
8.2.7.2.2. Calcolo delle variazioni di tensione e verifiche ................... 169
8.2.8. Verifica della saldatura della piastra di ancoraggio .......................... 172
8.2.8.1. Verifica a vita illimitata ............................................................. 173
8.2.8.2. Verifica a danneggiamento cumulativo ..................................... 176
8.2.9. Verifica del perno di aggancio alla piastra di ancoraggio ................. 179
8.2.9.1. Verifica a vita illimitata ............................................................. 179
8.2.9.2. Verifica a danneggiamento cumulativo ..................................... 181
8.3. Travi principali........................................................................................ 184
8.3.1. Azioni ................................................................................................ 186
8.3.2. Individuazione dello schema statico ................................................. 186
8.3.3. Linea di influenza tradizionale della spinta, calcolo manuale, trave
Langer ........................................................................................................... 186
8.3.4. Linea di influenza tradizionale della spinta, calcolo automatico, ponte
reale ........................................................................................................... 189
V
8.3.5. Linea di influenza tradizionale del momento e del taglio ad L/2, calcolo
manuale, trave Langer ...................................................................................... 191
8.3.6. Linea di influenza tradizionale del momento a L/2, calcolo automatico,
ponte reale ........................................................................................................ 194
8.3.7. Linea di influenza “speciale” di N a due assi a distanza costante
L/2
(modello di carico di fatica n.1) ....................................................................... 196
8.3.8. Linearizzazione .................................................................................. 199
8.3.9. Linea di influenza “speciale” di M e di V a due assi a distanza
L/2 L/2
costante (modello di carico di fatica n.1) ......................................................... 200
8.3.10. Linearizzazione .............................................................................. 203
8.3.11. Verifiche a vita illimitata, sezione di mezzeria .............................. 204
8.3.11.1. Verifica a flessione .................................................................... 204
8.3.11.1.1. Verifica del piatto metallico (trazione) ............................... 210
8.3.11.1.2. Verifica degli irrigidimenti ................................................. 210
8.3.11.1.3. Verifica delle saldature longitudinali .................................. 211
8.3.11.2. Verifica a taglio ......................................................................... 211
8.3.11.2.1. Verifica del piatto metallico................................................ 214
8.3.11.2.2. Verifica degli irrigidimenti ................................................. 215
8.3.11.2.3. Verifica delle saldature longitudinali .................................. 215
8.3.11.3. Verifica combinata (flessione + taglio) ..................................... 216
8.3.12. Linea di influenza “speciale” di N a quattro assi a distanza costante
L/2
(modello di carico di fatica n.3) ....................................................................... 217
8.3.13. Linearizzazione .............................................................................. 219
8.3.14. Linea di influenza “speciale” di M e di V a quattro assi a distanza
L/2 L/2
costante (modello di carico di fatica n.3) ......................................................... 220
8.3.15. Linearizzazione .............................................................................. 223
VI
8.3.16. Verifiche a danneggiamento cumulativo, sezione di mezzeria ..... 224
8.3.16.1. Verifica a sforzo normale .......................................................... 224
8.3.16.1.1. Verifica dei piatti metallici ................................................. 226
8.3.16.1.2. Verifica degli irrigidimenti................................................. 227
8.3.16.1.3. Verifica delle saldature longitudinali ................................. 228
8.3.16.2. Verifica a flessione .................................................................... 228
8.3.16.2.1. Verifica dei piatti metallici ................................................. 231
8.3.16.2.2. Verifica degli irrigidimenti................................................. 232
8.3.16.2.3. Verifica delle saldature longitudinali ................................. 233
8.3.16.3. Verifica N+M ............................................................................ 233
8.3.16.3.1. Verifica dei piatti metallici ................................................. 237
8.3.16.3.2. Verifica degli irrigidimenti................................................. 237
8.3.16.3.3. Verifica delle saldature longitudinali ................................. 238
8.3.16.4. Verifica a taglio ......................................................................... 239
8.3.16.4.1. Verifica dei piatti metallici ................................................. 242
8.3.16.4.2. Verifica degli irrigidimenti................................................. 243
8.3.16.4.3. Verifica delle saldature longitudinali ................................. 243
8.3.17. Linea di influenza tradizionale di M e di V , calcolo manuale,
x=6m x=6m
trave Langer ..................................................................................................... 244
8.3.18. Linea di influenza tradizionale di M e di V , calcolo
x=6m x=6m
automatico, ponte reale .................................................................................... 246
8.3.19. Linea di influenza “speciale” di N a due assi a distanza costante
x=6m
(modello di carico di fatica n.1) ....................................................................... 249
8.3.20. Linearizzazione ............................................................................. 250
8.3.21. Linea di influenza “speciale” di M e V a due assi a distanza
x=6m x=6m
costante (modello di carico di fatica n.1) ........................................................ 250
VII
8.3.22. Linearizzazione .............................................................................. 254
8.3.23. Verifica a vita illimitata, sezione x=6m ......................................... 255
8.3.23.1. Verifica a flessione .................................................................... 255
8.3.23.1.1. Verifica dei piatti metallici ................................................. 258
8.3.23.1.2. Verifica delle saldature testa a testa .................................... 258
8.3.23.2. Verifica a taglio ......................................................................... 259
8.3.23.2.1. Verifica dei piatti ................................................................ 263
8.3.23.2.2. Verifica delle saldature testa a testa .................................... 263
8.3.23.3. Verifica combinata (flessione + taglio) ..................................... 263
8.3.24. Linea di influenza “speciale” di N a quattro assi a distanza
x=6m
costante (modello di carico di fatica n.3) ......................................................... 264
8.3.25. Linearizzazione .............................................................................. 265
8.3.26. Linea di influenza “speciale” di M e V a quattro assi a distanza
x=6m x=6m
costante (modello di carico di fatica n.3) ......................................................... 266
8.3.27. Linearizzazione .............................................................................. 269
8.3.28. Verifiche a danneggiamento cumulativo, sezione x=6m ............... 271
8.3.28.1. Verifica a sforzo normale........................................................... 271
8.3.28.1.1. Verifica dei piatti metallici ................................................. 273
8.3.28.1.2. Verifica delle saldature testa a testa .................................... 273
8.3.28.2. Verifica a flessione .................................................................... 274
8.3.28.2.1. Verifica dei piatti metallici ................................................. 277
8.3.28.2.2. Verifica delle saldature testa a testa .................................... 277
8.3.28.3. Verifica N+M ............................................................................. 278
8.3.28.3.1. Verifica dei piatti metallici ................................................. 281
8.3.28.3.2. Verifica delle saldature testa a testa .................................... 282
8.3.28.4. Verifica a taglio ......................................................................... 282
VIII