STAFFA PER CONTROROTAIA ANTISVIO

Lo scopo della presente analisi è la verifica di un elemento in acciaio predisposto per consentire il funzionamento in sicurezza di una linea ferrata con speciale riguardo alla stabilità in curva in fase di transito.

L’azione nominale ortogonale alla controrotaia è stata considerata applicata su 4 posizioni differenti in pianta; l’azione nominale parallela alla controrotaia é considerata applicata a livello dell’asola centrale.
Il valore di progetto delle azioni per le verifiche nei confronti dello SLU è stato ricavato amplificando il valore nominale con coefficienti di amplificazione e correlazione.

Modellazione della struttura
Lo stato tensionale dell’elemento è stato indagato a mezzo di un modello matematico agli elementi finiti con il quale si è schematizzato il comportamento tenso-deformativo dei vari elementi strutturali, in particolare:
Corpo metallico della staffa: schematizzato con elementi tipo piastra con comportamento flessionale e membranale;
Bulloni e caviglie: schematizzati con elementi tipo biella, con rigidezza esclusivamente assiale;
Corpo della controrotaia: è stata schematizzata con elementi tridimensionali solidi (brick) per la porzione affacciante la staffa e successivamente con elementi tipo trave (con comportamento sia assiale che flessionale) collegata con opportuni link nodali;
Supporto della traversina: il supporto rappresentato dalla traversina in legno è stato schematizzato come un letto di molle reagenti esclusivamente a compressione;
Contatto controrotaia – staffa: il contatto tra controrotaia e la staffa è stato schematizzato con opportuni elementi non lineari del tipo rigido con comportamento a sola compressione non attritivi;

Schematizzazione dei vincoli
Per quanto riguarda le condizioni di vincolo esterne nei riguardi delle componenti di spostamento orizzontale, si è imposto, a livello dei nodi rappresentanti il baricentro delle caviglie, spostamento nullo in direzione X e Y.
Relativamente al vincolo agli spostamenti verticali, si è considerato la presenza della traversina in legno, simulandola come letto di molle elastiche alla Winkler.
Si è inoltre considerato il supporto come reagente unicamente a compressione.
Alle aste rappresentanti le caviglie è stato imposto un vincolo bilaterale agli spostamenti verticali.

Modellazione dei materiali
Le aste rappresentanti le caviglie sono state modellate con un materiale elastico lineare reagente a sola trazione.
Gli elementi metallici sono stati modellati utilizzando un legame costituivo del tipo elastico plastico, con limite di plasticizzazione coerente con le caratteristiche dei materiali assunte:

Schematizzazione delle azioni
Le azioni sono state introdotte direttamente a mezzo di forze nodali

Verifica per gli Stati Limite Ultimi

Tensioni ideali di Von Mises con F in posizione 1 senza F// per la combinazione allo Stato Limite Ultimo (step1)

Tensioni ideali di Von Mises con F in posizione 2 con F// per la combinazione allo Stato Limite Ultimo (step 3)

Tensioni ideali di Von Mises solo applicata F// per la combinazione allo Stato Limite Ultimo (step 6)

In condizione di Stato Limite Ultimo, globalmente le tensioni ideali di Von Mises si mantengono al di sotto del limite elastico ad esclusione di alcune zone locali di picco in cui ha una modesta plasticizzazione locale.
Relativamente quindi alla resistenza del corpo metallico il coefficiente di sicurezza globale è superiore a quello di amplificazione dei carichi.

Verifica per gli Stati Limite di Esercizio

Inviluppo delle massime tensioni ideali di Von Mises per le condizioni di carico allo Stato Limite di Esercizio

Inviluppo dello stato di plasticizzazione per le combinazioni di carico allo Stato Limite di Esercizio

Relativamente al controllo delle tensioni sull’elemento metallico in condizioni di esercizio, si osserva come le tensioni ideali si mantengono al di sotto della tensione caratteristica di snervamento.
L’indice di plasticizzazione massimo di picco risulta di 0.75 < 1.0 verificando quindi il comportamento reversibile in esercizio.

Conclusioni
Le analisi condotte dimostrano che l’elemento garantisce il livello di sicurezza minimo previsto nella Normativa Tecnica vigente nei confronti dello Stato Limite Ultimo di Collasso (ovvero con le azioni amplificate di un coefficiente F = 1.5).
Per tale scenario di verifica, il livello di sicurezza risulta determinato dal sistema resistente più debole, che in questo caso risulta essere lo sfilamento della caviglia sulla traversina in legno.
Per quanto riguarda le condizioni di esercizio della controrotaia, (con le azioni al valore nominale), l’analisi dimostra come le tensioni sull’elemento metallico risultino ampiamente inferiori al limite di snervamento.