Studio comparativo del comportamento a fatica di elementi tesi in acciaio rinforzati con tessuti preimpregnati e lamine pultruse

Present work is part of the development of remedial measures and structural reinforcement of metallic elements through fiber reinforced composite materials. Attention is focused on the analysis of fatigue behavior, which are of several constructions such as vehicular bridges, railways and runways, and the effectiveness of the reinforcement in this area. The aim is the determination of the most efficient type of reinforcement between the fabrics of carbon fibers pre-impregnated and the pultruded CFRP plates, which are applied to steel plates notched to the edge, submitted to cyclic loading of traction. The research is carried out entirely in the linear elastic range, using fracture mechanics principles in order to investigate steel material fatigued behavior before and after application of reinforcement. The comparative study regards the numerical modeling implemented and experimental results derived from the testing campaign, performed at Laboratorio Prove Materiali of Politecnico of Milan. It was also carried out a comparison with a simplified analytical formulation, found in the literature, for the determination of Stress Intensity Factor of the reinforced elements. Attention is directed to the evaluation of the best configuration of reinforcement, in terms of materials, dimensions and section of fiber reinforced and relative position to the crack, identifying the degree of damage. Comparisons between possible solutions are carried out on the basis of propagation curves, which summarize the effect of the load of reinforced system, and efficiency, absolute and specific. First one is meant to be as pure increase of fatigue life, while second one is weighed to the amount of material used for the intervention towards the element affected.

Il presente lavoro di tesi si inserisce nell’ambito dello sviluppo di interventi di ripristino e di rinforzo strutturale di elementi metallici attraverso materiali compositi fibrorinforzati. L’attenzione è focalizzata sull’analisi del comportamento a fatica, a cui sono soggette le costruzioni come ponti veicolari, ferroviari e passerelle, e sull’efficacia del rinforzo in tale ambito. L’obiettivo è la determinazione della più efficiente tipologia di rinforzo tra i tessuti di fibre di carbonio pre-impregnati e le lamine pultruse di CFRP, applicati ai piatti di acciaio intagliati al bordo, sottoposti a carico ciclico di trazione. La ricerca è svolta interamente in campo elastico lineare, applicando i principi della meccanica della frattura all’indagine del comportamento pre e post rinforzo del materiale metallico affaticato. Lo studio comparativo riguarda la modellazione numerica implementata e le risultanze sperimentali derivanti da campagna prove, eseguita presso il Laboratorio Prove Materiali del Politecnico di Milano. È stato svolto, inoltre, un confronto con una formulazione analitica semplificata, presente in letteratura, per la determinazione dello Stress Intensity Factor degli elementi rinforzati. L’attenzione è rivolta alla valutazione della migliore configurazione di rinforzo, in termini di materiali, dimensioni e sezione del fibrorinforzato, posizione rispetto alla cricca, identificativa del grado di danneggiamento. I confronti tra le possibile soluzioni sono svolti sulla base della curve di propagazione, immagini della risposta al carico del sistema rinforzato, e dell’efficienza, assoluta e specifica. La prima è intesa come puro incremento della vita a fatica, mentre la seconda è soppesata alla quantità di materiale utilizzato per l’intervento rispetto all’elemento leso.