Sviluppo e validazione di un codice per il calcolo e la verifica di edifici industriali in acciaio

In questa Tesi di Laurea viene presentata un’interessante esperienza di implementazione numerica: lo sviluppo di un codice agli elementi finiti in grado di calcolare, verificare e ottimizzare edifici industriali in acciaio. Al giorno d’oggi, la tendenza delle imprese nel campo dell’ingegneria strutturale ed in particolare nel campo dell’edilizia industriale, è quella della specializzazione. E’ sempre più frequente, ad esempio nel campo dei capannoni industriali, che le aziende concentrino la loro attività solo su determinate tipologie costruttive, sulle quali ottimizzano il lavoro riducendo al massimo i tempi di progettazione, di costruzione e abbassando il prezzo. Il mondo dei programmi di calcolo, per la maggior parte, sembra aver preso una direzione di sviluppo opposta. Le case di produzione software mettono a disposizione dei progettisti strumenti sempre più raffinati, capaci di modellare dettagliatamente qualsiasi tipo di struttura, materiale, azione statica o dinamica; spesso questi programmi contengono anche un codice integrato CAD per il disegno della struttura e altri tools per lasciare all’utente la più grande libertà di azione possibile. Se da un lato questi strumenti danno al progettista la possibilità di una modellazione sempre più dettagliata, dall’altra parte hanno il limite di essere poco pratici per un tipo di progettazione standardizzato. Spesso quello di cui le imprese hanno bisogno è invece un programma creato ‘ad hoc’ per le loro attività che, grazie all’inserimento di pochi parametri, possa garantire una progettazione rapida e magari gestire non solo la fase di calcolo, ma anche quella di verifica e di ottimizzazione. In quest’ottica si inserisce lo sviluppo del codice eseguito in questa tesi. L’esposizione si articola in quattro parti. La prima, introduttiva, è dedicata alla descrizione delle tipologie di edifici monopiano in acciaio maggiormente diffuse, dei diversi tipi materiale, dei principali aspetti della normativa per queste costruzioni. Viene inoltre descritta la tipologia costruttiva implementata nel codice sviluppato. Il secondo capitolo è dedicato alla descrizione del metodo agli elementi finiti, esponendone i fondamenti teorici e le principali fasi della costruzione di un codice di calcolo numerico per elementi monodimensionali. Nella terza parte è illustrato il codice sviluppato. In particolare vengono dettagliatamente descritti i moduli di generazione del modello, del solutore, del post-processore in grado di eseguire le verifiche secondo le normative vigenti, e quello dedicato all’ottimizzazione strutturale. In fine, nell’ultimo capitolo viene illustrato un esempio progettuale con il quale si è potuta effettuare la validazione del codice confrontando i risultati ottenuti con quelli di riferimento forniti da programmi attualmente in commercio. La presente dissertazione non mira alla “certificazione” di un software che sia in grado di fare calcoli complessi nell’ambito dell’ingegneria strutturale, ma lo scopo è piuttosto quello di affrontare le problematiche e gestire le scelte operative che riguardano la scrittura di un codice di calcolo. Programmatori non si nasce, ma si diventa attraverso anni di esperienza che permettono di acquisire quella sensibilità numerica che è definibile come una vera e propria “arte”. Ed è in questa direzione che si è svolta la Tesi, ovvero comprendere prima di tutto l’atteggiamento da assumere nei confronti di un elaboratore elettronico e, solo successivamente, passare ad un utilizzo consapevole per scopi progettuali.

Corrosione atmosferica in area urbana-costiera di un acciaio Cor-Ten: studio del rilascio in ambiente dei metalli di lega

Cor-Ten is a particular kind of steel, belonging to low-alloyed steel; thanks to his aesthetic features and resistance to atmospheric corrosion, this material is largely used in architectural, artistic and infrastructural applications. After environmental exposure, Cor-Ten steel exhibits the characteristic ability to self-protect from corrosion, by the development of a stable and adherent protective layer. However, some environmental factors can influence the formation and stability of the patina. In particular, exposure of Cor-Ten to polluted atmosphere (NOx, SOx, O3) or coastal areas (marine spray) may cause problems to the protective layer and, as a consequence, a release of alloying metals, which can accumulate near the structures. Some of these metals, such as Cr and Ni, could be very dangerous for soils and water because of their large toxicity. The aim of this work was to study the corrosion behavior of Cor-Ten exposed to an urban-coastal site (Rimini, Italy). Three different kinds of commercial surface finish (bare and pre-patinated, with or without a beeswax covering) were examined, both in sheltered and unsheltered exposure conditions. Wet deposition brushing the specimens surface (leaching solutions) are monthly collected and analyzed to evaluate the extent of metal release and the form in which they leave the surface, for example, as water-soluble compounds or non-adherent corrosion products. Five alloying metals (Fe, Cu, Cr, Mn and Ni) and nine ions (Cl-, NO3-, NO2-, SO42-, Na+, Ca2+, K+, Mg2+, NH4+) are determined through Atomic Absorption Spectroscopy and Ion Chromatography, respectively. Furthermore, the evolution and the behaviour of the patina are periodically followed by surface investigations (SEM-EDS and Raman Spectroscopy). After two years of exposure, the results show that Bare Cor-Ten, cheaper than the other analyzed specimens, even though undergoes the greater mass variation, his metal release is comparable to the release of the pre-patinated samples. The behavior of pre-patinated steel, with or without beeswax covering, do not show particular difference. This exposure environment doesn’t allow a completely stabilization of the patina; nevertheless an estimate of metal release after 10 years of exposure points out that the environmental impact of Cor-Ten is very low: for example, the release of chromium in the soluble fraction is less than 10 mg if we consider an exposed wall of 10 m2.

Valutazione numerica degli effetti di tensioni di compressione sulla vita a fatica di componenti metallici

Breve introduzione sulla meccanica della frattuta, in particolare la propagazione delle cricche a fatica e le tensioni residue. Processo di Laser Shock Peening per l'introduzione di stress residui di compressione e relative prove su software Afgrow.

Valutazione sperimentale dell'influenza del rapporto lunghezza/diametro sulla resistenza di giunti realizzati per interferenza ed incollaggio

Valutazione della resistenza a taglio di un adesivo anaerobico forte, nel nostro caso Loctite 648, impiegato in un giunto albero-mozzo accoppiato per interferenza alla pressa al variare del rapporto lunghezza di accoppiamento su diametro di accoppiamento (L/D), nei casi in cui L/D valga 0,5, 1, 1,5 e 2.

Definizione di una metodica per il controllo in continuo delle proprietà meccaniche su prodotti di acciaio laminati e zincati mediante sensore di rilevamento della magnetizzazione residua e sviluppo del ciclo produttivo di un materiale bifasico

Questo elaborato presenta un metodo per lo sviluppo di correlazioni lineari con lo scopo di determinare le proprietà meccaniche di un acciaio laminato e zincato utilizzando un sensore che percepisce la magnetizzazione residua del materiale. Vengono utilizzati metodi statistici di analisi della varianza per lo studio delle funzioni di regressione lineari. Lo studio effettuato è stato sviluppato per la lavorazione di zincatura di coils presso Marcegaglia spa, stabilimento di Ravenna. È risultato evidente che la sola misurazione della magnetizzazione residua non fosse sufficiente per la determinazione delle proprietà meccaniche, a tale proposito sono stati sviluppati dei modelli di calcolo con funzioni multivariabili e, attraverso risolutori che minimizzano la differenza quadratica dell'errore, si sono determinati i coefficienti di regressione. Una delle principali problematiche riscontrate per la definizione delle correlazioni è stato il reperimento dei dati necessari per considerare affidabili i risultati ottenuti. Si sono infatti analizzate solamente le famiglie di materiale più numerose. Sono stati sviluppati tre modelli di calcolo differenti per parametri di processo di produzione utilizzati per la definizione delle correlazioni. Sono stati confrontati gli errori percentuali medi commessi dalle funzioni, gli indici di regressione che indicano la qualità della correlazione e i valori di significatività di ogni singolo coefficiente di regressione delle variabili. Si è dimostrato che la magnetizzazione residua influisce notevolmente, così come i parametri dei processo di ricottura del materiale, come le temperature in forno, lo spessore e le velocità. Questo modello di calcolo è stato utilizzato direttamente in linea per lo sviluppo di un ciclo ottimale per la produzione di un nuovo materiale bifasico. Utilizzando il modello per la predizione delle proprietà meccaniche si è concluso che per limiti impiantistici la chimica del materiale utilizzata non fosse idonea. Si è perciò utilizzato un acciaio con percentuali di carbonio, manganese e cromo differenti. In conclusione del progetto si sono formulate delle possibili alternative di funzioni di regressione che utilizzano il valore della durezza piuttosto che il valore di magnetizzazione residua. Si è appurato che l'utilizzo di un durometro, anziché il sensore studiato, potrebbe risultare una valida alternativa al sensore studiato.

Sviluppo di un'attrezzatura per prove di fatica ultrasonica

Nella prima parte di questo lavoro di tesi è stata effettuata una ricerca sullo stato dell’arte attuale delle macchine per prove a fatica con principio di risonanza. Pertanto viene riportata una descrizione delle necessità che portarono all’interesse verso questa metodologia di prove a fatica oltre che una descrizione delle macchine ad ultrasuoni di concezione moderna, delle loro caratteristiche e dei loro componenti tipici. Successivamente si sono riportati i dibattiti principali riguardanti la validità delle prove ottenute con questa tipologia di macchine. Si è, di seguito, utilizzata la teoria classica delle onde elastiche per illustrare il principio di funzionamento della macchina. Si sono ottenute le soluzioni esatte dei campi di spostamento, deformazione e sforzo nel caso di provini o sonotrodi a sezione costante confrontando successivamente i risultati così ottenuti con soluzione in ambito FEM per dimostrare la validità degli stessi. Lo stesso tipo di analisi è stata effettuata anche per il provino tipico di prove a fatica, ossia il provino circolare, dove la soluzione esatta è stata ottenuta per similitudine nel provino, catenoidale. Sono riportati un breve riassunto dei nuovi fenomeni di fatica che si sono riscontrati grazie alle possibilità di effettuare test in regione VHCF, laddove non era possibile con le macchine convenzionali, e le conclusioni del presente lavoro di tesi.

Il fenomeno del fretting in elementi albero-mozzo soggetti a flessione rotante indagato tramite controlli non distruttivi e analisi al microscopio

L'usura da fretting è un fenomeno che accompagna il comportamento a fatica dei componenti, in accoppiamenti per interferenza. Essa è dovuta allo slittamento relativo delle superfici accoppiate e comporta la riduzione della vita a fatica. In questo elaborato si parte da conoscenze pregresse riguardanti la morfologia delle superfici soggette a fretting e si cerca di individuare caratteristiche peculiari in provini albero-mozzo soggetti a flessione rotante, con prove di fatica a vita interrotta. Vengono utilizzati i fluidi penetranti per individuare cricche in fase di propagazione e per determinare un piano di sezione longitudinale ottimale dei provini, per poter osservare le superfici periferiche dei pezzi usurati. Infine vengono sfruttati i microscopi ottico e multifocale per osservare più approfonditamente il fenomeno.

Disamina dell'effetto dei trattamenti superficiali sulle prestazioni a fatica di diversi materiali metallici

Lo studio del comportamento a fatica dei componenti è uno degli aspetti principali della progettazione. I trattamenti superficiali permettono di migliorare la resistenza dei componenti sollecitati a fatica. A tale scopo, in questo documento sono stati analizzati alcuni trattamenti superficiali applicati a differenti materiali metallici per valutarne una eventuale applicazione.

Sviluppo di trattamenti termici per l'ottenimento di una struttura ausferritica ad alta resistenza e tenacità nell'acciaio 56SiCr7

L’attività di tesi è stata rivolta allo sviluppo e messa a punto del trattamento termico di austempering per un acciaio ad alto contenuto di Si. Scopo della ricerca è stato valutare la possibilità di effettuare il trattamento termico secondo metodiche industriali analoghe a quelle utilizzate per il trattamento delle ghise sferoidali austemperate (ADI). Si sono studiati in particolare gli effetti dei tempi e delle temperature del trattamento sulle microstrutture e le proprietà meccaniche dell'acciaio. I risultati della sperimentazione e delle analisi hanno permesso di definire i parametri ottimali del processo di austempering, al fine di ottenere una microstruttura ausferritica in grado di garantire al contempo elevata resistenza e buona tenacità e duttilità.

Monitoraggio di sorgenti e verifica della potenziale interferenza idrogeologica di una galleria: Il caso della tratta stradale Grosseto-Siena

Questo studio è stato sviluppato attraverso il monitoraggio idrogeologico di sorgenti e piezometri al fine di individuare il rischio di eventuali influenze causate dai lavori di ampliamento a 4 corsie di un tratto della S.S. 223 di Paganico (tratta Grosseto – Siena ) che prevede la costruzione di nuovi tratti di galleria ubicati nell’area. Il tratto di interesse per la presente tesi va dal km 30+040 al km 41+600 della tratta Siena-Grosseto, corrispondente ai lotti 5, 6, 7 e 8. I lavori riguardano i comuni di Monticiano (provincia di Siena) e Civitella Paganico (provincia di Grosseto), lungo la valle del Fiume Merse in un’area ad elevato pregio ambientale presso la confluenza con il Torrente Farma. Le attività di cantiere nel tratto interessato sono iniziate nel Dicembre 2013; si stima che le opere saranno completate per Luglio 2015. Il lavoro di tesi sul campo è stato svolto con il supporto tecnico della società di consulenza geo-ingegneristica di Bologna Studio Mattioli s.r.l. la quale ha ricevuto l’incarico del monitoraggio idrogeologico dal Gruppo Strabag che si occupa di costruzione di grandi infrastrutture. Il lavoro sul campo è consistito in un’attività di monitoraggio idrogeologico, anche tramite sensori in continuo, per più di 1 anno idrologico (novembre 2013- Gennaio 2015), su sorgenti e piezometri captanti acque sia fredde che termali. Il monitoraggio è stato basato sia su un approccio in discontinuo che in continuo. I punti di monitoraggio sono situati presso la località dei Bagni di Petriolo a cavallo tra la provincia di Siena e di Grosseto. I dati relativi alle sorgenti raccolti mensilmente sono la portata ed i parametri fisico-chimici in situ. Per piezometri i dati raccolti mensilmente sono il livello piezometrico ed i medesimi dati fisico-chimici raccolti per le sorgenti. I dati raccolti sono serviti a formulare il modello idrogeologico concettuale del sito ed a valutare le potenzialità d’interferenza idrogeologica delle gallerie sul sistema idrico sotterraneo.

Analisi di sensibilità della grammatura sulla vita a fatica di un laminato in CFRP

In letteratura sono presenti numerosi studi che descrivono i fattori che influenzano la vita a fatica di un laminato in CFRP e le modalità di propagazione ed accrescimento a fatica di un difetto. Tuttavia non sono presenti studi approfonditi che leghino l’effetto che può avere la grammatura, sulla vita a fatica del laminato. Il lavoro sperimentale oggetto di questa tesi vuole intendersi un lavoro preliminare, a carattere esplorativo, sullo studio della sensibilità della grammatura sulla resistenza a fatica di laminati in CFRP, attraverso test di flessione a fatica su due configurazioni di provini di grammature differenti (600 e 800 gr/m^2), con e senza inserimento di un difetto artificiale rappresentato da un intaglio sugli ultimi strati del laminato e test di flessione eseguito in accordo allo standard ASTM D2344/D2344M. I test a fatica hanno evidenziato una sensibile riduzione della vita per i provini senza difetto realizzati con l’800 gr/m^2 rispetto a quelli realizzati con il 600 gr/m^2. Per quanto concerne la tolleranza al danno, i provini realizzati con 600 gr/m^2 hanno evidenziato una sensibilità maggiore all’effetto di intaglio, pur avendo un comportamento migliore rispetto a quelli realizzati con l’800 gr/m^2.

Analisi del comportamento a fatica di un laminato al variare della sequenza di impilamento e delle dimensioni

I materiali compositi rivestono un ruolo fondamentale nell’industria aeronautica e nel settore delle competizioni automobilistiche. La possibilità di progettare i materiali in funzione della loro applicazione permette una crescente diffusione del loro utilizzo, e l’ampliamento delle applicazioni a moltissimi altri settori, sia per componenti di tipo strutturale, sia di tipo estetico. Nonostante la quantità di studi sul comportamento a fatica dei compositi, non sono ancora presenti risultati attendibili per la previsione della resistenza e della vita a fatica in relazione ad un determinato tipo di sollecitazione; non almeno a livello dei materiali tradizionali. L’obiettivo della tesi è indagare eventuali variazioni del comportamento a fatica di un laminato in CFRP in relazione al variare di parametri quali dimensioni e sequenza di impilamento delle ply. Per tale scopo sono state realizzate delle prove per il calcolo del comportamento a fatica, in particolare prove di flessione in 3 punti, e si sono poi confrontati tra loro i risultati sperimentali e correlati al variare dei parametri di interesse.

Valutazione dell'attrito e della procedura di serraggio ottimale di prigionieri in acciaio e lega di titanio su teste di un motore motociclistico da competizione

Studio di una procedura ottimale per il serraggio delle teste dei motori destinati alle moto che concorrono nel campionato mondiale Moto GP, svolto presso Ducati Corse. Lo studio era rivolto a prigionieri in acciaio e prigionieri in lega di titanio. Sono state svolte prove di serraggio per valutare le caratteristiche dell'accoppiamento, in termini di stima dei coefficienti di attrito, coppie di serraggio, precarichi e materiali. Per i prigionieri in acciaio sono state proposte modifiche alle attuali procedure in uso in azienda ed è stata approvata una procedura di serraggio che porta i migliori risultati possibili in termini di stabilità dei precarichi di serraggio raggiunti. Per i prigionieri in titanio lo studio ha riguardato la scelta del lubrificante migliore e l'utilizzo di diverse tipologie di dadi. Con le attrezzature attualmente presenti in Ducati Corse non è stato possibile approvare una procedura di serraggio ottimale. Si è comunque definito il miglior accoppiamento di materiali per poter testare in seguito una procedura di serraggio proposta.

Caratterizzazione meccanica di un incollaggio acciaio-CFRP per applicazione automotive

Nella tesi viene caratterizzato meccanicamente un giunto incollato acciaio-CFRP usato nella produzione di un componente automotive. In particolare viene analizzata l'influenza data da trattamenti termici di invecchiamento e sono messe a confronto diverse tipologie di adesivi.

Inserimento di controventi dissipativi in acciaio in un capannone in calcestruzzo armato prefabbricato a due piani

In questa tesi si propone il miglioramento sismico di un capannone in calcestruzzo armato prefabbricato a due piani a pilastri isostatici mediante l'inserimento di controventi dissipativi in acciaio con forma speciale (Crescent-Shaped-Braces). PREMESSA In primo luogo si dimostra come la struttura studiata soddisfi già i requisiti del DM 2008, sia allo SLD (spostamenti d’ interpiano) che allo SLV (elementi strutturali verificati). OBIETTIVO Migliorare le caratteristiche prestazionali di un edificio in calcestruzzo armato prefabbricato a due piani, sottoposto ad azione sismica. STRATEGIA Inserimento di dispositivi dissipativi di tipo Crescent Shaped Brace in alcune specchiature del capannone prefabbricato, in entrambe le direzioni. PROGETTAZIONE DELLA STRUTTURA RINFORZATA 1) Identificazione delle caratteristiche (rigidezza e resistenza) dei dispositivi CSB, sulla base di obiettivi scalati al livello superiore (deformabilità allo SLV e resistenza allo SLC) per il sistema «struttura + dispositivi», attraverso lo sviluppo di una procedura specifica per capannoni prefabbricati a 2 piani. 2) Progettazione dei dispositivi CSB (scelta della geometria e della sezione) 3) Verifica delle effettive prestazioni ottenute mediante simulazioni numeriche time-history