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Sette, Francesca (2015) Un modello Strut and Tie per lo studio del fenomeno del comportamento a taglio in travi reticolari miste acciaio calcestruzzo. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

When we speak about “travi reticolari miste“ we refer to a composite steel-concrete beam made up of a steel truss encased in cast in place concrete. The steel structure is typically composed of a plate or straight bars at the bottom, straight bars at the top and diagonal web bars: all these elements are connected with welded joints in a typical pyramidal shape. These beams have a particular feature: they can bear their own weight and the weight of the slabs without any provisional support during the “first phase” and then they can collaborate with the cast in place concrete during the “second phase”.
The Italian Code - DM 14.01.2008 and Circolare 02.02.2009 n° 617/C.S.LL.PP – deals with this kind of structures in §4.6 “Other materials costructions” and then in “Linee guida per l’utilizzo di travi tralicciate in acciaio conglobate nel getto di calcestruzzo collaborante e procedure per il rilascio dell’autorizzazione all’impiego” (Sept 2011): composite beams are classified in three groups (A – B – C) depending on their features and for each group suitable norms are prescribed. In particular, for “A” beams we can refer to §4.3 of DM 2008 or to Ec4, for “B” beams we can refer to §4.1 of DM 2008 or to Ec2 while “C” beams require the authorization of Italian Superior Council of Public Works.
Welded joints are very important in encased composite steel-concrete structures: the beam behavior depends on forces and stresses that pass through these joints and weldings must have specific geometrical characteristics and dimensions in order to provide an established strength and ductility. However welding process isn’t so easy because of elements geometry: in fact joints connect rounded surfaces, weldings can’t have the exact designed features and this problem represents the weak point of these beams.
“TRR Ponte” was studied in order to realize a different type of encased composite beam in wich weldings could be achieved in a more precise way: in TRR Ponte top and web bars are not directly connected but they are jointed through a steel rectangular gusset plate that becomes a plane surface on which welding process is easier and faster. Furthermore bars are welded to the rectangular plates through corner joints that have precise geometrical characteristics and dimensions: in this way weldings can really provide the required strength and ductility. At the same time connection plates reduce the buckling lengths of compressed elements, that are diagonal and top bars: if slenderness is reduced, the design buckling resistance is higher and so the steel beam is more stable during the first phase, when concrete isn’t casted yet. Then there is another very important aspect: in TRR Ponte beams web bars can be put together and welded to the straight bars trough the connection plates working on a plane and then all the beam can be composed. In this way every step of the productive process is more efficient and functional.
TRR Ponte is made up of S355 steel type elements, so it can be considered an “A” beam following Italian Code and “Linee Guida”: this means that it should be designed as a steel truss beam to calculate its shear resistance. However, even if during the first phase there are only steel elements, in the second phase a composite beam is made up also of concrete and the struts that develop could influence and improve the shear behavior of the element. At the same time, we can’t use reinforced concrete algorithms because they are based on adherence between concrete and steel elements: in “A” composite beams we don’t use roughened steel bar so the bond stress capacity is very low and we need specific models to correctly evaluate composite beams shear resistance. In this research a new shear design model is developed and it is based on the “Strut-and-Tie method” and on the equilibrium equations applied to composite truss nodes.
Experimental tests have shown the development of concrete struts between the rigid joints of the steel truss and so the formation of a composite truss as presumed in the Strut-and-Tie model adopted was confirmed. Also the TRR Ponte failure mechanism was exactly predicted by the design analytical algorithm even if failure beams loads were higher than expected. TRR Ponte shear behavior has been studied also by FEM numerical analysis: the simplified FEM model proposed allow to know the failure mechanism in a fast way and give a collapse load very close to the experimental one.
The fatigue behavior of TRR Ponte could be another important aspect to analyze: joint connections and beam fatigue experimental tests could show new possible applications of TRR Ponte, for example integral bridges. In this type of structures, bearings and expansion joints are eliminated so that the sub-structure (piers and abutments) and the super-structure (deck slub) are made monolithic: composite beams could be used to realize the deck slab because during the first phase they could be connected to the abutments and then in the second phase casting concrete would integrate the structure.

Abstract (italiano)

Con “travi reticolari miste” si indica una particolare tipologia di travi costituite da una reticolare in acciaio inglobata in un getto di calcestruzzo completato in opera. Il traliccio è costituito da un insieme di elementi saldati in stabilimento tra i quali si può individuare un corrente superiore formato generalmente da barre, un corrente inferiore formato da barre o da un piatto, elementi diagonali in barre disposte in modo da dare alla trave la classica forma piramidale e che possono essere organizzate, ove necessario, in più pareti. Il funzionamento di questo tipo di travi avviene per fasi: Il funzionamento di questo tipo di travi avviene quindi per fasi: durante la prima fase la trave è a tutti gli effetti una reticolare in acciaio che viene posta in opera e sulla quale vengono appoggiati i solai ed è pertanto progettata, oltre che per il peso proprio, per i carichi permanenti strutturali, mentre invece durante la seconda fase avviene il getto integrativo di calcestruzzo che, una volta maturato, permetterà alla trave di portare i carichi permanenti non strutturali e accidentali.
Nel DM 14.01.2008 e Circolare 02.02.2009 n° 617/C.S.LL.PP si parla travi tralicciate in acciaio conglobate nel getto di calcestruzzo collaborante al paragrafo §4.6 “Costruzioni di altri materiali” e poi nelle “Linee guida per l’utilizzo di travi tralicciate in acciaio conglobate nel getto di calcestruzzo collaborante e procedure per il rilascio dell’autorizzazione all’impiego” (Settembre 2011): le travi reticolari miste vengono classificate in tre categorie (A – B – C) in base alle loro caratteristiche e si indica di far riferimento al §4.3 del DM 2008 o all’Ec4 (strutture composte) per le travi “A”, al §4.1 del DM 2008 o all’ Ec2 (strutture in calcestruzzo armato) per le travi “B” mentre per le travi “C” è richiesta una specifica autorizzazione da parte del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici.
Le connessioni saldate della reticolare in acciaio giocano un ruolo fondamentale per il funzionamento della trave reticolare mista: il trasferimento delle tensioni avviene attraverso i nodi del traliccio e quindi le saldature che li costituiscono devono avere precise caratteristiche in modo da garantire determinate risposte in termini di resistenza e duttilità. Tuttavia nelle travi reticolari miste le saldature vanno a collegare delle superfici curve in quanto i correnti e le anime di parete hanno sezione circolare e pertanto il cordone che si va a realizzare non ha caratteristiche geometriche precise.
La “TRR Ponte” nasce proprio dall’idea di realizzare una trave reticolare mista nella quale le saldature possano essere realizzate in modo diverso: in essa infatti gli elementi del traliccio vengono collegati mediante un fazzoletto metallico che diventa una superficie piana sulla quale è possibile eseguire a tutti gli effetti dei cordoni d’angolo con caratteristiche precise e misurabili. Non solo, il processo di saldatura risulta più veloce e agevole per l’operatore e, inoltre, il fazzoletto riduce la lunghezza libera di inflessione degli elementi compressi diagonali e del corrente superiore aumentando il carico critico che porta all’instabilità la trave e quindi ne migliora il comportamento in prima fase. Infine, gli elementi diagonali possono essere posizionati e saldati ai fazzoletti sul piano di lavoro e successivamente, una volta realizzate tutte le pareti, si può procedere con l’assemblaggio dell’intera trave, con una notevole razionalizzazione del processo produttivo.
La trave TRR Ponte è realizzata in acciaio da carpenteria e quindi, da normativa, dovrebbe essere dimensionata a taglio come una trave di categoria “A”, ovvero considerando il solo traliccio in acciaio. Tuttavia appare restrittivo trascurare completamente la presenza del getto di seconda fase in quanto la formazione di bielle di calcestruzzo potrebbe influire sul comportamento ultimo della trave e sulle modalità di collasso. Allo stesso tempo però l’applicazione degli algoritmi del cemento armato non sembra essere opportuna in quanto essi si basano sull’aderenza tra calcestruzzo e acciaio quale meccanismo di trasferimento delle tensioni: nelle travi di categoria “A” si utilizza acciaio da carpenteria e comunque si ritiene che il funzionamento generale di una trave reticolare mista si basi soprattutto sulla trasmissione degli sforzi attraverso i nodi saldati del traliccio.
Per questi motivi si è proposto un diverso modello analitico per lo studio del comportamento a taglio di queste travi: esso si basa sul metodo “Strut-and Tie”, ovvero sull’ipotesi della formazione all’interno della trave di un traliccio iperstatico composto dalla reticolare in acciaio e dalle bielle compresse in calcestruzzo del getto collaborante, e ad esso sono state applicate le equazioni di equilibrio ai nodi per la valutazione delle azioni interne.
I test sperimentali condotti hanno dimostrato la formazione delle bielle di calcestruzzo all’interno della reticolare in acciaio e quindi hanno confermato l’ipotesi di traliccio iperstatico composto formulata con il metodo “Strut-and-Tie”. Inoltre le travi TRR Ponte sono arrivate al rottura secondo le modalità previste in fase di dimensionamento anche se per carichi superiori rispetto a quelli di progetto. Il comportamento a taglio delle travi TRR Ponte è stato studiato anche attraverso analisi numerica: in particolare, si è sviluppato un modello FEM semplificato che, a fronte di un ridotto onere computazionale, si è dimostrato efficace nel descrivere i meccanismi di collasso e stimare dei carichi a rottura prossimi a quelli ottenuti dalle prove sperimentali.
Un altro importante aspetto da analizzare potrebbe essere il comportamento a fatica della trave TRR Ponte: test sulle connessioni e sull’intero elemento potrebbero portare a nuovi campi di applicazione della trave TRR Ponte come ad esempio i ponti integrali. In questa tipologia di ponti i dispositivi di appoggio e i giunti di dilatazione vengono eliminati e la sovrastruttura (impalcato) viene resa solidale con la sottostruttura (pile e spalle): dato il loro funzionamento per fasi, le travi reticolari miste potrebbero essere utilizzate per la realizzazione dell’impalcato e dei collegamenti con le altre parti strutturali del ponte.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Modena, Claudio
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 27 > scuole 27 > SCIENZE DELL'INGEGNERIA CIVILE E AMBIENTALE
Data di deposito della tesi:28 Gennaio 2015
Anno di Pubblicazione:28 Gennaio 2015
Parole chiave (italiano / inglese):travi reticolari, taglio, composite beams, shear behavior, strut and tie model
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 08 - Ingegneria civile e Architettura > ICAR/09 Tecnica delle costruzioni
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale
Codice ID:7658
Depositato il:10 Nov 2015 11:07
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Bibliografia

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