Massive fatigue assessment of welded megastructures by advanced methods

Nelle megastrutture in acciaio la saldatura è una tecnica di giunzione ampiamente utilizzata. Tuttavia, le saldature rappresentano delle discontinuità geometriche e introducono elevati gradienti tensionali locali che influiscono negativamente sulla resistenza a fatica dei componenti. Secondo la letteratura scientifica recente, le analisi di resistenza a fatica più avanzate si basano sugli stati di tensione o deformazione locali calcolati in prossimità dei punti singolari. Ciononostante, le normative vigenti mancano di fornire una guida reale su come eseguire tali stime della resistenza fatica: la maggior parte di esse non fa riferimento agli approcci locali e prevede l'impiego del metodo della tensione nominale. Tuttavia, non esistono raccomandazioni su come ottenere la tensione nominale mediante un modello agli elementi finiti ed è demandato alla capacità ingegneristica del progettista stabilire quale sia quella adeguata. In questo contesto, la presente tesi di dottorato, focalizzata sul rendere possibile la stima della resistenza a fatica delle grandi strutture in acciaio, è divisa in dieci capitoli. Scopo della tesi è sia fornire un contributo scientifico ad alcuni tra i più avanzati approcci locali per la stima della resistenza fatica, che sviluppare un metodo pienamente conforme alle normative vigenti, al fine di poter essere impiegato nel contesto industriale. Il primo capitolo rappresenta l'introduzione generale sul tema trattato, lo stato dell'arte in materia di progettazione a fatica delle strutture saldate e le motivazioni della presente ricerca. Nel secondo capitolo vengono introdotti gli approcci locali adottati e le loro basi teoriche: l'approccio basato sui fattori di intensificazione delle tensioni (NSIF), il criterio della densità di energia di deformazione (SED) e il metodo della tensione di picco (PSM). Il terzo capitolo riguarda la caratterizzazione a fatica dei coprigiunti saldati, tipicamente impiegati come rinforzo nelle travi da ponte, per i quali è stata evidenziata una non uniforme classificazione a fatica a livello normativo. Mediante l'impiego dell'approccio locale SED e adottando modelli agli elementi finiti sia bidimensionali che tridimensionali, sono stati isolati i parametri che influiscono sensibilmente la resistenza e proposte soluzioni ottimizzate rispetto a quelle fornite dalle normative. I dati sperimentali ottenuti testando a fatica quattro differenti soluzioni geometriche sono sintetizzati con successo in un'unica banda di dispersione in termini di SED, indipendentemente dalla geometria della saldatura. L'approccio locale SED e la relativa curva di progettazione si sono dimostrati quindi adatti a stimare la resistenza a fatica dei coprigiunti saldati in acciaio. Il quarto capitolo è incentrato sul calcolo numerico del SED. La principale criticità dell'approccio, rappresentata dalla necessità di uno specifico il volume di controllo localizzato all'apice di un intaglio strutturale (al piede e alla radice dei cordoni di saldatura, nel caso dei giunti saldati), entro il quale l'energia di deformazione deve essere calcolata e mediata, è superata mediante l'utilizzo di maglie di calcolo (mesh) rade e generate in maniera completamente automatica da un generico algoritmo di meshatura. La soluzione proposta e le relative limitazioni di applicabilità sono stati formalizzati. La robustezza in termini di insensibilità alla tipologia di mesh, alla sua raffinatezza e alla formulazione degli elementi finiti sono alcuni dei vantaggi provati. La generalità del metodo è dimostrata anche mediante alcune applicazioni pratiche con l'impiego di differenti software agli elementi finiti. Il quinto capitolo stabilisce un collegamento tra i campi di tensione locali, in prossimità del piede e della radice dei cordoni di saldatura, e le componenti di tensione nominale valutate ad una adeguata distanza dalla saldatura stessa. Nel capitolo viene fornita una relazione analitica tra tale distanza e lo spessore della piastra caricata; inoltre, viene presentato un criterio per stimare il valore del SED, sia al piede che alla radice dei cordoni di saldatura, e, a posteriori, i relativi NSIFs, come esplicita funzione delle componenti di tensione nominale (sollecitazione membranale, flessionale e tagliante). Tale metodo si presta all'automatizzazione e, quindi, a condurre l'enorme quantità di verifiche a fatica richieste per una complessa struttura saldata in acciaio. Tuttavia, l'attuale mancanza di conformità normativa degli approcci locali SED e NSIF rappresenta un possibile ostacolo nelle applicazioni industriali. Per questo motivo nel sesto capitolo viene proposto un metodo, conforme alle normative vigenti e alla letteratura scientifica, per modificare il classico approccio nominale, che tuttora è il metodo di riferimento ampiamente accettato e riconosciuto. Il problema metodologico della definizione di tensione nominale in un modello agli elementi finiti viene superato attraverso un approccio originale che tiene conto sia degli effetti membranali che di quelli di flessionali. Viene presentata una validazione sperimentale e vengono discusse le implicazioni nella progettazione a fatica delle grandi strutture in acciaio. I capitoli settimo e ottavo presentano un post-processore ad elementi finiti, sviluppato per automatizzare l'analisi della resistenza a fatica di una struttura di grandi dimensioni. Il post-processore è basato sul solutore ad elementi finiti Straus7® ed è compatibile con modelli di tipo shell per essere adatto ai grandi assiemi strutturali. Molte delle proposte illustrate nella presente tesi sono state quindi automatizzate: gli approcci locali SED e NSIF, il metodo della tensione nominale modificato e, infine, gli approcci classici basati sulla tensione nominale e di hot spot. È inoltre mostrato un ottimo accordo tra le analisi condotte "manualmente", sia attraverso approcci globali che locali, e quelle eseguite rapidamente utilizzando il post-processore, riscontrando generalmente un ottimo accordo tra la vita a fatica stimata mediante l'approccio locale SED e quella stimata attraverso il metodo della tensione nominale modificata. Il nono capitolo tratta la stima rapida dei fattori di intensificazione delle tensioni residue (R-NSIFs), conseguenti al processo di saldatura, utilizzando il PSM e il software agli elementi finiti dedicato Sysweld®. Innanzitutto, viene presentata la calibrazione del PSM in ambiente Sysweld®; quindi vengono illustrate alcune applicazioni pratiche. Infine, il decimo capitolo riporta alcune osservazioni conclusive di carattere generale e la discussione dei principali risultati ottenuti.