La fatica oligociclica di strutture metalliche: metodi di valutazione e applicazioni numeriche

Abstract

La fatica è un fenomeno di danneggiamento progressivo indotto da carichi ciclici che può portare al cedimento prematuro delle strutture metalliche.Esistono due categorie:fatica ad alto numero di cicli in cui i carichi generano stati elastici di tensione/deformazione e fatica oligociclica in cui gli stati di tensione/deformazione sono plastici.Nella progettazione di strutture civili, esistono codici consolidati che forniscono metodi per l'analisi della fatica HCF;la formulazione della resistenza è espressa in termini di tensione. Per il problema LCF,gli approcci teorici e sperimentali si basano sugli studi di Coffin e Manson,che schematizzarono la resistenza in termini di cicli di deformazione plastica.L'effettiva applicabilità dei metodi teorici incontra difficoltà,legate alla scarsa disponibilità di informazioni sperimentali sulla resistenza del materiale e dei giunti a basso numeri di cicli e sulla significativa complessità dell'analisi non lineare della struttura per ricavare la deformazione plastica indotta dai cicli di carico.Le raccomandazioni tecniche attualmente disponibili sono limitate e portano a risultati diversi.Questa tesi affronta il problema partendo da una revisione sistematica degli approcci di letteratura delineandone l'evoluzione logica e cronologica.Dai metodi proposti nei codici internazionali,la tesi propone un semplice caso studio di un giunto a T,analizzato mediante analisi FEM lineare e non lineare,al fine di confrontare le previsioni ottenute dai diversi approcci ed indagare l’onere computazionale e le incertezze associate alla modellazione numerica della struttura.La terza fase della tesi tratta l'applicazione ad un caso reale di una struttura che ha sofferto di fatica oligociclica dovuta ad effetti termici differenziali,presentando cricche diffuse a pochi mesi dalla costruzione;i risultati delle analisi con i metodi selezionati vengono successivamente confrontati con la reale vita a fatica dei dettagli critici della struttura.

Fatigue is a phenomenon of progressive damage induced by load cycles which can lead to the premature fail of metal structures.There are two categories: High Cycle Fatigue in which loads generate elastic stress/strain states and the Low Cycle Fatigue in which stress/strain states are plastic.In the design of civil structures,there are established codes which provide methods for the analysis of HCF fatigue;the strength formulation is expressed in stress amplitude.For the LCF problem, theoretical and experimental approaches are based on the studies of Coffin and Manson, who schematised the strength in terms of number of plastic strain cycles.The actual applicability of the theoretical methodologies encounters considerable difficulties,linked to the poor availability of experimental information on the strength of material and joints at low numbers of cycles and on the significant complexity of the non-linear analysis of the structure to derive the plastic strain induced by the load cycles.The technical recommendations currently available are limited and lead to very different results.This thesis propose a work which tackles the problem starting from a systematic review of the literature approaches outlining their logical and chronological evolution.From the methods proposed in international codes,the thesis proposes a very simple case study of a T-joint,analysed by means of linear and non-linear FEM analysis,in order to compare the expectation obtained from the different approaches and to investigate the computational burden and uncertainties associated with the numerical modelling of the structure.The third phase of the thesis is the application to a real case of a structure that suffered from oligocyclic fatigue due to differential thermal deformations,presenting diffuse cracks a few months after its construction;the outcomes of the analysis using the selected methods are compared with the real fatigue life of the critical details of the structure.