Università degli Studi di Napoli “Federico II”

1. 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” CANDIDATO Giuseppe La Manna Ambrosino Matr. 344/85 RELATORI Ch.mo. Prof. Ing. Federico M. Mazzolani Ch.mo. Prof. Ing. Raffaele Landolfo CORRELATORE Dr. Ing. Mario D’Aniello

2. MOTIVAZIONI Le strutture storiche in carpenteriametallica 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.

3. 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.

4. 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

5. 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.

6. 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. d1 (t) =rav*t t<10 anni d(t)=rav*10+rlin*(t-10) t≥10 anni d1(t) profondità media corrosione primi 10 anni esposizione d(t)profondità media corrosione nell’intervallo di tempo considerato ravvelocità media corrosione rlinvelocità media corrosione stabilizzata t tempo di esposizione

7. 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

8. FATICA E CORROSIONE METODOLOGIA DI CALCOLO ESEMPIO: corrente inferiore – Treno di carico n°3 Per t=0anni Riduzione:0% Δσ=110.98 N/mm2 ni =0 Ni=∞ Per t=10anni Riduzione:23.2% Δσ=144.57 N/mm2 ni =25550 Ni=929994 Per t=20anni Riduzione:23.5% Δσ=145.11 N/mm2 ni =51100 Ni=919556 Per t=30anni Riduzione:23.8% Δσ=145.66 N/mm2 ni =76650 Ni=909200 Per tener conto nelle verifiche a fatica di uno stato tensionale che evolve nel tempo, in seguito alla riduzione dello spessore dei piatti determinata dalla presenza di corrosione, si è proposta la seguente METODOLOGIA DI CALCOLO: ESEMPIO: corrente inferiore – Treno di carico n°3 Per t=0anni η=0 Per t=10anni η=0.041 Per t=20anni η=0.042 Per t=30anni η=0.043 Per t=150anni η=0.725<1

9. 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.

10. 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.

11. 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 Le travi metalliche sono accoppiate dalle sole rotaie. Collegamenti fra correnti principale e aste diagonali di tipo cerniera Deformata Flessione lungo Y: 6.3 Hz Deformata Flessione lungo Z: 8.0 Hz MODELLO MECCANICO Modulo di Elasticità Normale: 200000 N/mm2 Modulo di Poisson: 0.3 Peso specifico: 7850 kg/m3 Deformata Torsionale: 12.2 Hz

12. 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

13. PROVE SUI MATERIALI Acciaio delle lamiere Acciaio dei chiodi

14. PROVE SULLE UNIONI CHIODATE • Le prove condotte sulle unioni chiodate sono relative a: • Unioni chiodate storiche (prelevate Ponte sul Torrente Gesso) • Unioni chiodate riprodotte in officina con materiali d’epoca Numero, diametro e interasse dei chiodi Numero e spessore delle lamiere La rottura è avvenuta per tre tipologie di collasso TAGLIO DEI CHIODI RIFOLLAMENTO DELLA LAMIERA TRAZIONE DELLA LAMIERA

15. CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO DEFINIZIONE DEGLI SCENARI L’analisi della struttura è stata condotta definendo 28 scenari di progetto Scenario A1 Scenario C1 Scenario A2 Scenario C2 Scenario A3 Scenario C3 Scenario A Scenario C Scenario A4 Scenario C4 Scenario A5 Scenario C5 Scenario A6 Scenario C6 Scenario B1 Scenario D1 Scenario B2 Scenario D2 Scenario B3 Scenario D3 Scenario B Scenario D Scenario B4 Scenario D4 Scenario B5 Scenario D5 Scenario D6 Scenario B6

16. CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO DEFINIZIONE DEGLI SCENARI Treni di carico Treni di carico effettivi Treni di carico da norma Treni di carico effettivi solo passeggeri Treni di carico da norma solo passeggeri Scenario A Scenario B Scenario C Scenario D Corrosione limite inf. Manutenzione: non presente Corrosione limite inf. Manutenzione: costante nel tempo Corrosione limite inf. Manutenzione: primi 30 anni Scenario A1 Scenario A3 Scenario A2 Scenario B1 Scenario B3 Scenario B2 Scenario C1 Scenario C3 Scenario C2 Scenario D1 Scenario D3 Scenario D2 T=44 anni (2010) T=100 anni (2066) T=150 anni (2116) Periodo di riferimento:

17. CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO DEFINIZIONE DEGLI SCENARI Treni di carico Treni di carico effettivi Treni di carico da norma Treni di carico effettivi solo passeggeri Treni di carico da norma solo passeggeri Scenario A Scenario B Scenario C Scenario D Corrosione limite sup. Manutenzione: non presente Corrosione limite sup. Manutenzione: costante nel tempo Corrosione limite sup. Manutenzione: primi 30 anni Scenario A4 Scenario A6 Scenario A5 Scenario B4 Scenario B6 Scenario B5 Scenario C4 Scenario C6 Scenario C5 Scenario D4 Scenario D6 Scenario D5 T=44 anni (2010) T=100 anni (2066) T=150 anni (2116) Periodo di riferimento:

18. CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO COLLEGAMENTI VERIFICATI Collegamento corrente inferiore

19. CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO COLLEGAMENTI VERIFICATI Collegamento diagonali

20. CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO COLLEGAMENTI VERIFICATI Collegamento corrente superiore

21. CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO COLLEGAMENTI VERIFICATI Collegamento traversone

22. CASO STUDIO: PONTE FERROVIARIO SUL TORRENTE GESSO COLLEGAMENTI VERIFICATI Collegamento longherina

23. ANALISI DEI RISULTATI VERIFICHE A FATICA La crisi si manifesta per collasso del collegamento del corrente inferiore Vita di esercizio: 50 anni 2016

24. 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; Gli scarti percentuali variano in media fra il 150 ed il 300%. La corrosione gioca un ruolo fondamentale, in sua assenza non si manifesta mai la crisi;

25. 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.

26. 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 corrosivosulla vita residua a fatica. È stato impiegato un approccio integrato in grado di considerare contemporaneamente l’evoluzione dello stato tensionaledovuto al degrado dacorrosioneed ildanno cumulatonell’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.

27. 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

28. RINGRAZIAMENTI Il lavoro presentato è stato sviluppato grazie ai seguenti contributi: PROHITECH project “EarthquakeProtectionofHistoricalBuildingsbyReversibleMixed Technologies”, coordinato dal Prof. Ing. F. M. Mazzolani Dott. Ing. Antonio D’Aniello, Direttore Territoriale Produzione di Rete Ferroviaria Italiana (RFI).