Un’analisi numerica preliminare ed un dispositivo sperimentale per lo studio del comportamento di collegamenti bullonati in strutture composite laminate

Il crescente successo applicativo dei profili pultrusi di materiale composito fibrorinforzato (FRP) per la realizzazione di strutture civili e la conseguente innovazione tecnologica hanno attirato la comunità scientifica internazionale, focalizzandone l’interesse sull’approfondimento degli aspetti peculiari connessi all’utilizzo dei nuovi materiali [1]. I metodi di calcolo messi a punto nel corso degli anni per le strutture realizzate con materiali tradizionali non sempre possono essere utilizzati anche per le strutture di FRP, caratterizzate da un diverso comportamento costitutivo con proprietà di simmetria e valori di rigidezza e resistenza notevolmente diversi. Un tema molto complesso e di centrale importanza, non ancora adeguatamente investigato, attiene ai problemi di progetto e verifica delle connessioni strutturali. A tal proposito va tenuto presente che la vasta letteratura esistente sui collegamenti di strutture composite in campo aeronautico, meccanico e navale, non può essere direttamente utilizzata per quello civile. Ciò dipende soprattutto dalle diverse proprietà dei materiali compositi utilizzati nei vari ambiti applicativi. In particolare, studi significativi, sia a carattere teorico-numerico che sperimentale, sono stati recentemente condotti in campo civile da diversi ricercatori su alcuni tipi di collegamenti bullonati. Meritano soprattutto attenzione i risultati conseguiti da Hassan, Mohamedien e Rizkalla [2], Camanho e Matthews [3], Lie, Yu e Zhao [4], Ekh, Schön e Melin [5, 6], Vangrimde e Boukhili [7], Xiao e Ishikawa [8], Ireman [9], Yan, Wen, Chang e Shyprykevich [10]. Essi hanno evidenziato le modalità di rottura delle connessioni bullonate individuando i principali fattori che ne sono responsabili: - i valori dei rapporti tra le dimensioni geometriche caratteristiche dell’unione (diametro e passo dei bulloni, distanze dei fori dai bordi, larghezza e spessore degli elementi da collegare); - il tipo di matrice e la natura delle fibre; - l’orientazione delle fibre all’interno delle singole lamine; - lo schema di laminazione. Il presente lavoro si inserisce nell’ambito delle attività del programma di ricerca PRIN2005 dal titolo “Strutture in materiali con microstruttura. Una sfida per la moderna ingegneria civile”, di cui uno degli autori è Coordinatore Scientifico Nazionale. Tra i diversi obiettivi che il suddetto programma si prefigge rientra l’analisi del comportamento delle connessioni bullonate in strutture di FRP, con lo scopo di formulare criteri semplificati per la loro progettazione e verifica. A tal riguardo gli autori stanno predisponendo un’articolata campagna di prove sperimentali su diversi tipi di giunzioni bullonate da eseguirsi presso il Laboratorio Ufficiale Prove Materiali e Strutture del Dipartimento di Ingegneria Civile dell’Università degli Studi di Salerno, dove è operante una delle Unità di Ricerca del suddetto programma. Il primo aspetto che si intende analizzare con l’attività di ricerca oggetto del presente lavoro è uno studio numerico agli elementi finiti sull’influenza esercitata dall’angolo di fibratura, rispetto a quello dello sforzo sollecitante, sulla resistenza al rifollamento del collegamento bullonato. Tale studio è preliminare alla progettazione del setup di prova consentendo di prevedere, sia pure in maniera approssimata, la distribuzione e l’entità dello stato di tensione nell’intorno dei fori, informazioni queste ultime indispensabili ai fini di una scelta opportuna della strumentazione più adeguata per lo svolgimento dell’indagine sperimentale