Robusto telaio reticolare per una fontana - cosa può andare storto?

Betoniera

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Come al solito presento casi curiosi che mi sono capitati nel corso della mia attività.
E' stata realizzata una fontana del diametro di 12 m da posizionare nel centro di un lago per giochi di acqua.
La fontana aveva dei galleggianti al bordo che la tenevano in superficie e svolgeva uno spettacolare programma sia diurno, sia notturno.
Il telaio che la reggeva era formato da robuste travi reticolari in acciaio inox con sezione mm 100*100*3.
In figura 1 si vede la fontana, in figura 2 si vedono i giochi d'acqua, in figura 3 si vede il robusto telaio.
Il lago è abbastanza tranquillo, non ci sono onde rilevanti, salvo qualche barca, ogni tanto, che produce onde basse.
Nei tubi del telaio viene pompata acqua a 3 atmosfere di pressione.
Le tensione in un tubo tondo diametro 100 mm, spessore 3 provoca una tensione di 50 kg/cm2 assolutamente sicura per l'acciaio inox che si snerva a circa 2100 kg/cm2 (A 304).
Cosa può andare storto con una struttura del genere?.
Eppure qualcosa è andato storto perchè, dopo un certo periodo di funzionamento si sono verificate fessure nei tubi.
L'errore sta nella forma: quadrata, anzichè tonda.
Nelle figure 4,5, 6 e 7 c'è la simulazione di un tubo quadro (mm 100*100*3) e di un tubo tondo (d=100 mm sp=3 mm).
I risultati sono alquanto diversi, il tubo tondo lavora a 50 kg/cm2, il tubo quadro lavora a 1450 kg/cm2 in SLE e a 2175 in SLU negli spigoli.
Le fessure, ovviamente, si sono verificate proprio negli spigoli.
A questo va aggiunto la fatica a cui è sottoposto il profilo a causa del programma dello spettacolo con continue variazioni di pressione.
Questo discorso ha una valenza generale.
Un tubo, un serbatoio, una cisterna lavorano bene con forma tonda, ma sono un disastro se si vuole dagli una forma quadrata.
Non è raro il caso di chi vuole fare i serbatoi di forma quadrata e si domanda perchè mai non si possono fare.
Ciao, alla prossima

Fontana1.jpg


Fontana2.jpg
 
Ciao betoniera, come al solito caso molto interessante, come hai fatto a tenere conto della pressione interna in sede di verifica? Hai modellato tutti i tubi o hai usato delle formule per trovare le tensioni nei tubi quadri? E poi neanche i serbatoi si possono fare quadrati? Tengono su solo il peso del fluido...
 
Ma infatti io non ho ancora visto alcun tubo dove scorre qualcosa di sezione con spigoli... ! :)
 
Ciao betoniera, come al solito caso molto interessante, come hai fatto a tenere conto della pressione interna in sede di verifica? Hai modellato tutti i tubi o hai usato delle formule per trovare le tensioni nei tubi quadri? E poi neanche i serbatoi si possono fare quadrati? Tengono su solo il peso del fluido...

Mattymecc.
Le lastre curve, tonde, di serbatoi hanno solo sforzi membranali per cui sono sufficienti piccoli spessori per resistere alla pressione.
Se, invece, le lastre sono piane, subentrano momenti flettenti che mandano in crisi i piccoli spessori.
Relativamente alla simulazione, con qualsiasi software agli elementi finiti, si può simulare la pressione come carico locale. Per cui, su una superficie curva il carico risulterà radiale.
Ciao.

jagermaister
Eppure quella struttura è stata fatta con rubi quadri. Probabilmente chi l'ha assemblata avrà pensato che un tubo tondo e un tubo quadro del 100 sono equivalenti. Poi è più facile assemblarli perchè il taglio delle giunzioni del tubo quadro è piano.
Il problema è: una volta capito che il tubo non tiene (fessure ai bordi), come fare a sistemare la struttura, visto che c'è una grossa lavorazione sul quel telaio per installare gli ugelli, i computer, le valvole, i galleggianti.
In quel caso abbiamo saldato diversi rinforzi a fascetta su tutto il telaio e abbiamo risolto. Ma è una pezza, in realtà si sarebbe dovuto rifare il telaio con tubi tondi.
Ciao
 
Mattymecc.
Le lastre curve, tonde, di serbatoi hanno solo sforzi membranali per cui sono sufficienti piccoli spessori per resistere alla pressione.
Se, invece, le lastre sono piane, subentrano momenti flettenti che mandano in crisi i piccoli spessori.
Relativamente alla simulazione, con qualsiasi software agli elementi finiti, si può simulare la pressione come carico locale. Per cui, su una superficie curva il carico risulterà radiale.
Ciao.

jagermaister
Eppure quella struttura è stata fatta con rubi quadri. Probabilmente chi l'ha assemblata avrà pensato che un tubo tondo e un tubo quadro del 100 sono equivalenti. Poi è più facile assemblarli perchè il taglio delle giunzioni del tubo quadro è piano.
Il problema è: una volta capito che il tubo non tiene (fessure ai bordi), come fare a sistemare la struttura, visto che c'è una grossa lavorazione sul quel telaio per installare gli ugelli, i computer, le valvole, i galleggianti.
In quel caso abbiamo saldato diversi rinforzi a fascetta su tutto il telaio e abbiamo risolto. Ma è una pezza, in realtà si sarebbe dovuto rifare il telaio con tubi tondi.
Ciao
Sicuramente l'intervento è adeguato, in quanto i rinforzi anulari sono efficaci: era giusto una considerazione, perché non mi aspetterei qualcosa in pressione a forma non circolare. Magari inizialmente era diverso e poi hanno pensato di fare passare tutto dentro il telaio direttamente, non lo so
 
Ciao betoniera, grazie delle indicazioni, avresti qualche indicazione su libri che trattano di lastre (piane e curve)? È un argomento che sinceramente non conosco, e mi piacerebbe approfondire...
 
Per le lastre piane penso il bares sia ottimo. Sennò puoi orientarti su Timoshenko oppure in italiano, se vuoi proprio roba curva, il volume della iuss Press di calvi nascimbene
 
Ciao Mattymecc
E' evidente la passione per le strutture e, quindi, la voglia di imparare.
Purtroppo non ho un singolo testo da indicarti, ma una plurarità di pubblicazioni che riguardano tanti argomenti.
Quando ho cominciato a lavorare io era tutto più semplice e c'erano pochi testi di riferimento:
Quelli dell'università e alcuni testi ritenuti sacri e universalmente riconosciuti come affidabili (Odone Belluzzi - Pozzati - Leonarth e pochi altri).
Non c'erano i computer, si usava il regolo calcolatore (guarda su internet cos'è). Le calcolatrici facevano la prima timida comparsa.
I fabbricati si calcolavano a pezzi: una trave per volta.
C'erano ancora ingegneri che calcolavano le travi con momenti fittizi (1/10 p*l^2 in campata e 1/12 o*l^2 all'appoggio).
Le piastre nessuno era capace di calcolarle con precisione. Si utilizzavano le tabelle del Bares.
E' evidente che in quelle condizioni eri costretto a calcolare a mano ogni cosa e a capire quello che si stava facendo.
Così c'è stata la possibilità di capire, di evolvere, di passare poi, gradatamente alle piastre e poi anche agli elementi di volume meccanici. Il tutto con gradualità.
Oggi, i nuovi ingegneri, sono tempestati di informazioni non sempre affidabili. Si mescola il vecchio (tensioni ammissibili) e il nuovo (stati limite) in un enorme overdose di informazioni che non si capisce come utilizzare.
Da soli è pressochè impossibile venirne fuori.
A quelli, come te, che vogliono intraprendere l'attività di strutturista, auguro di andare a fare un tirocinio di qualche anno in uno studio dove si progettano strutture, in modo da potersi formare con la supervisione di un esperto.
Il nostro lavoro è diventato difficile e molto burocratizzato, ma, al tempo stesso, lo ritengo bello e gratificante.
L'unica cosa che possiamo fare, sul forum, è soffermare l'attenzione su un esempio e descrivere la metodologia per arrivare al risultato.
Non ho quindi testi da consigliarti. Ne occorrerebbe uno che utilizzi un linguaggio semplice e, soprattutto con molti esempi pratici.
Ciao
 
Grazie mille a entrambi per i vostri consigli.

Riguardo a Timoshenko ho visto che ha scritto diversi libri, ora dovrò capire quale può andare bene per quello che voglio studiare...

Betoniera, il Belluzzi ed il Pozzati li ho, ma non ho avuto ancora tempo di studiarli sul serio, penso che comincerò a leggere il Belluzzi, mi sembra il libro più completo sulle costruzioni in circolazione...

Il Bares mi era già stato consigliato per risolvere un problema che mi era stato sottoposto da alcuni amici: una piccola vasca per accumulo acqua irrigazione, di cui avrei dovuto fare il disegno per poi farla costruire. Alla fine avevo fatto qualche calcolo con un altro libro, ma non ho mai terminato il "progetto".

Spero di riuscire nel mio intento di diventare strutturista, anche se frequento un Itis meccanico e penso di continuare con Ingegneria meccanica, in quanto credo che meccanica e ingegneria strutturale condividano molti concetti di base e che spesso debbano essere applicate insieme per risolvere problemi pratici.

P.S. Il regolo so cos'è e vorrei acquistarne uno, ma nuovi non ne fanno più purtroppo...
 
Gran bel progetto. Ovviamente il tubo quadro è di più facile gestione in officina per tutte le lavorazioni, però e anche facilmente soggetto a concentrazione di tensione e cricche a fatica. Sarebbe molto interessante vedere anche lo studio degli anelli di rinforzo
 
... Sarebbe molto interessante vedere anche lo studio degli anelli di rinforzo

Ciao paolo.scarparo
Ecco la simulazione
Sotto ho riportato le mie conclusioni

Come si vede nella mappa degli sforzi, nel tubo così rinforzato soggetto alla pressione di 6 atmosfere si ottengono sforzi nella lamiera di 3 mm di 1000 kg/cmq.
Questa tensione è ammissibile per il materiale usato.
In conclusione si suggerisce il seguente intervento di ripristino:
Là dove possibile si sostituiscono i tubi quadri con tubi tondi.
Là dove non è possibile questa sostituzione si deve rinforzare il tubo con collari (formati da 2 U) di spessore 8 mm e larghezza 50 mm).

Ciao.

Rinforzo569.jpg
 
... Sarebbe molto interessante vedere anche lo studio degli anelli di rinforzo

Ciao paolo.scarparo
Ecco la simulazione
Sotto ho riportato le mie conclusioni

Come si vede nella mappa degli sforzi, nel tubo così rinforzato soggetto alla pressione di 6 atmosfere si ottengono sforzi nella lamiera di 3 mm di 1000 kg/cmq.
Questa tensione è ammissibile per il materiale usato.
In conclusione si suggerisce il seguente intervento di ripristino:
Là dove possibile si sostituiscono i tubi quadri con tubi tondi.
Là dove non è possibile questa sostituzione si deve rinforzare il tubo con collari (formati da 2 U) di spessore 8 mm e larghezza 50 mm).

Ciao.

Rinforzo569.jpg
Grazie mille per la risposta, avrei immaginato dei collari "ortogonali" al tubo, come se fossero delle alette dissipative per il calore. Però in effetti questa soluzione risulta essere di più facile messa in opera non dovendo tenere il pezzo di aletta ortogonale al tubo ma appoggiando la U, e soprattutto confinano una porzio maggiore. Grazie mille della condivisione.

Ultima domanda. Mettendo in opera una soluzione simile, si salda sul contorno e solamente in quel punto le due lamiere sono connesse, mentre nel tratto centrali sono a contatto ma possono scorrere tra di loro. Sostanzialmente è la situazione di una trave mista piolata, e la distanza tra le due saldature potrebbe essere il passo dei pioli.

Non è di certo questo il caso essendo molto piccolo il collare, ma se per ipotesi fosse molto esteso e saldato solo alle estremità, sarebbe più corretto cambiare lo spessore solo ad una fascia di plate, lasciando inalterata la fascia centrale? (Intervento inutile visto che si avrebbe una porzione Centrale di rinforzo non collaborante e converrebbe spezzarlo in due il collare, ma è un puro ragionamento didattico)
 
Ciao Paolo.scarparo
Tieni presente che questo è un lavoro di molti anni fa.
Non ricordo neppure se ho poi visto l'intervento che è stato fatto.
Mi hanno poi mandato la sequenza della danza fatta dagli zampilli della fontana. Era spettacolare.
Di notte la stessa fontana era illuminata con un bell'effetto scenografico.
Era stata messa davanti al casinò di Campione, lago di Lugano.
Di travi miste collegate con pioli, magari parleremo in un post dedicato.
Ciao.
 
Ciao Paolo.scarparo
Tieni presente che questo è un lavoro di molti anni fa.
Non ricordo neppure se ho poi visto l'intervento che è stato fatto.
Mi hanno poi mandato la sequenza della danza fatta dagli zampilli della fontana. Era spettacolare.
Di notte la stessa fontana era illuminata con un bell'effetto scenografico.
Era stata messa davanti al casinò di Campione, lago di Lugano.
Di travi miste collegate con pioli, magari parleremo in un post dedicato.
Ciao.
Allora l'ho vista quella fontana, mia zia abitava a campione e per anni sono andato in vacanza lì.
 
Qualche lavoro l'ho fatto a Campione. Non dirmi che tua zia è una mia cliente?.
Ciao.
Dubito fortemente, abitava in una malga in mezzo al bosco senza elettricità solo con l'acqua corrente e lo scaldabagno a legna. Non si è mai capito se fosse italia o svizzera il suo giardino. La malga l'han fatta i contrabbandieri nel 800 e da allora nessuno ha mai spostato na pietra
 
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