Studio numerico su elementi a sezione circolare in ca esistenti sottoposti a collisione con impatto disuguale

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 14793 (2022) Citare questo articolo

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Negli ultimi anni gli incidenti stradali e i deragliamenti ferroviari si sono verificati più spesso che mai, provocando danni economici e vittime. Le costruzioni in cemento armato (RC) spesso comportano incidenti ferroviari e automobilistici deragliati. Raramente tali collisioni laterali sono state studiate in studi precedenti. Per fare ciò, in questo documento vengono creati modelli ad elementi finiti (FE) basati su simulazione ad alta fedeltà per simulare accuratamente la collisione di elementi circolari in RC con un treno deragliato. La struttura degli elementi in cemento armato è comune nelle stazioni ferroviarie ad alta velocità. L'energia d'impatto del corpo d'urto è significativa e causa il cedimento degli elementi strutturali. Analizza il comportamento dinamico degli elementi in cemento armato sottoposti a carichi d'urto a campata diversa. Le implementazioni numeriche dei problemi di impatto vengono discusse dal punto di vista delle proprietà geometriche, di contatto e dei materiali. L'affidabilità e la precisione del codice ABAQUS per risolvere i problemi di impatto vengono verificate confrontando i risultati sperimentali delle modalità di guasto, dell'impatto e della cronologia temporale della deflessione. Analizzando le caratteristiche di risposta all'impatto, sono state utilizzate le variabili di controllo per studiare il processo e la modalità del cedimento (comprese le caratteristiche delle forze di impatto e di reazione, la curva storica del tempo di deflessione, la curva forza di impatto-deflessione e la curva forza di reazione-deflessione del cuscinetto). Il rapporto di rinforzo, la velocità di impatto, la resistenza del calcestruzzo e il rapporto di snellezza influenzano significativamente la struttura e lo sviluppo delle fessurazioni a taglio. Anche i cambiamenti nella velocità di impatto e nel rapporto di snellezza influiscono sulle modalità di cedimento degli elementi.

Le strutture in cemento armato sono suscettibili agli impatti durante il normale utilizzo o in caso di catastrofi naturali, come l'impatto di vari veicoli sui pilastri dei cavalcavia urbani e dei ponti pedonali, l'impatto sulle colonne dei parcheggi interni, l'impatto delle navi sui pilastri dei ponti, sulle infrastrutture portuali, e anche un treno deragliato sull'edificio della stazione della metropolitana. Questi impatti a volte non solo portano a danni locali alla struttura ma possono anche causare il crollo dell’intero edificio, con conseguenti vittime e perdite economiche incalcolabili. Le strutture in cemento armato saranno spesso soggette a carichi improvvisi come urti, terremoti ed esplosioni durante la vita utile.

La resistenza, la deformazione, l'elasticità e l'effetto di confinamento sono influenzati dai cambiamenti nella sezione trasversale, nel rinforzo e nel rapporto larghezza/spessore degli elementi sottoposti ai carichi di impatto laterale1,2,3,4. Ci sono state alcune indagini su questi fattori nella letteratura precedente. Sono stati studiati gli effetti dei parametri della forma geometrica (sezioni circolari, esagonali, rettangolari e quadrate)5,6,7,8,9 sulle proprietà dei materiali dei tubi cavi in ​​acciaio e dei provini CFST sottoposti a prove di compressione assiale10,11,12 ,13,14,15,16. I risultati hanno mostrato che i campioni circolari sono i campioni ideali dai valori di sollecitazione assiale e duttilità.

Hu et al.17 hanno studiato gli effetti di confinamento delle colonne tubolari in acciaio riempite di calcestruzzo sotto compressione assiale a causa del cambiamento della forma della sezione. Il tubo circolare in acciaio ha un effetto di confinamento sul calcestruzzo maggiore rispetto a quello a sezione quadrata. È meno soggetto a deformazioni locali, soprattutto quando il rapporto larghezza/spessore della sezione trasversale è relativamente piccolo. Si può riscontrare che le colonne cave in cemento armato con la stessa area della sezione trasversale sono meno inclini alla torsione rispetto alle colonne piene in cemento armato a causa della loro rigidezza torsionale relativamente elevata. La stabilità strutturale può essere effettivamente migliorata se sottoposta a carichi esterni18.

Nel frattempo, le colonne in cemento armato di forma speciale potrebbero solitamente soddisfare i requisiti delle funzioni dell'edificio. Le modalità di cedimento degli elementi in cemento armato sottoposti a impatto laterale sono molto diverse. La modalità di rottura delle travi in ​​cemento armato cambia gradualmente da rottura per flessione a rottura per taglio man mano che la velocità di impatto aumenta19,20,21, in particolare si formeranno gravi crepe diagonali generate e rotture per taglio-punzonamento nel punto di impatto al centro del provino con un breve momento in cui si subisce un impatto ad alta velocità22,23.