La prova di compressione permette di ricavare i valori delle tensioni di rottura e dei moduli elastici a compressione. Rispetto alla prova di trazione risulta certamente più complessa per le difficoltà legate alla possibile insorgenza di instabilità nel provino.
A tale proposito, si possono distinguere due tipi di instabilità: la macroinstabilità e la microinstabilità. Nel primo caso, si ha l’instabilità euleriana dell’intera sezione trasversale
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mentre nel secondo sono solamente le fibre ad instabilizzarsi. La microinstabilità può portare all’insorgenza di tensioni tangenziali molto pericolose per la matrice, [16].
Figura 2.13: Microinstabilità
A seguito di ciò, i test a compressione sono realizzati in modo tale da ritardare il più possibile il fenomeno di instabilità e assicurare che il provino si rompa per reale compressione.
Le principali normative seguite per l’esecuzione delle prove di compressione sono:
ASTM D3410, [17]
ASTM D695, [18]
La prima prevede l’introduzione del carico per attrito. Questo può avvenire in due modi differenti: Celanese o Celanese modificato (IITRI).
La strumentazione Celanese è composta da afferraggi di forma troncoconica composti da due metà che vengono serrate una volta inserito il provino. L’allineamento complessivo è assicurato da un manicotto che viene fatto scorrere sugli afferraggi dopo il serraggio.
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La Celanese modificata o IITRI, dal nome dell’istituto che la introdusse (IIT Research Institute), venne realizzata per far fronte ad alcuni problemi di instabilità che si venivano a creare con la strumentazione Celanese. Vengono utilizzati afferraggi trapezoidali che garantiscono un totale contatto superficiale, minimizzando gli scorrimenti relativi che erano causa di instabilità nel caso di afferraggi troncoconici. Questa strumentazione permette di testare provini di maggiori dimensioni e spessore.
Figura 2.15: Apparecchiatura IITRI.
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La normativa ASTM D695 prevede lo svolgimento di prove a compressione su provini sostenuti lateralmente e caricati ad una estremità. La strumentazione utilizzata è mostrata in figura.
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2.5 Prova di flessione
Spesso i laminati compositi sono utilizzati per la realizzazione di strutture soggette a flessione. In questi casi è utile conoscere la resistenza a flessione di tali laminati.
Le prove più utilizzate sono la prova di flessione a 3 punti e la prova di flessione a 4 punti.
Figura 2.18: Prova di flessione a 3 punti (a) e 4 punti (b.)
La prova a 3 punti è più semplice di quella a 4 ma dà luogo ad un momento flettente variabile lungo l’asse della trave, mentre la prova a 4 punti permette di ottenere nella zona centrale l, mostrata in figura, un momento flettente costante senza sforzi di taglio.
Nella prova a 3 punti la presenza del taglio può indurre rotture per delaminazione invece che per flessione. Questo fenomeno si può anche verificare nelle zone laterali della prova a 4 punti.
Per evitare questi inconvenienti occorre aumentare il più possibile il rapporto tra la massima sollecitazione di flessione e la massima sollecitazione di taglio:
Nel caso di laminati non simmetrici, dove si ha un accoppiamento tra flessione e torsione, si possono verificare distacchi parziali del provino dagli appoggi causati dalla
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deformazione di torsione; per minimizzare questi effetti si utilizzano provini allungati e appoggi bilaterali.
Questo tipo di prove è regolamentato dalla normativa ASTM D790.
2.6 Prova di frattura
I concetti della meccanica della frattura sviluppati per i materiali tradizionali possono essere estesi anche ai materiali anisotropi come i compositi a fibre lunghe.
La resistenza alla frattura di un composito viene determinata utilizzando provini simili a quelli utilizzati per i materiali metallici. In particolare, il provino può avere una singola cricca laterale (single edge notched, SEN) o doppia cricca laterale (double edge notched,
DEN) ed essere sottoposto a trazione, altrimenti può essere sottoposto a flessione per tre
punti con la cricca in mezzeria (notched bond test; NBT), [10].
Figura 2.19: Geometria dei provini utilizzata per la prova di frattura.
Per ciascuna prova, il valore critico del valore di intensificazione delle tensioni viene determinato attraverso la nota relazione che lo lega al carico, alla geometria e alle dimensioni della cricca:
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dove è la tensione media di rottura a trazione per i provini di tipo SEN e DEN e la massima tensione di flessione per i provini di tipo NBT mentre può essere ottenuto con le stesse relazioni utilizzate per i materiali isotropi.
2.7 Analisi statistica
Per ogni serie di prove, a prescindere dal tipo di normativa seguita, deve infine essere calcolato il valore medio, la deviazione standard e il coefficiente di variazione per ogni proprietà determinata, utilizzando le formule
CV= Dove:
= valore medio della proprietà
= deviazione standard
CV = coefficiente di variazione percentuale n = numero di campioni
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2.8 Assorbimento di umidità
L’assorbimento di umidità da parte dei provini avviene in camera climatica. La normativa ASTM D5229, [19], stabilisce per il condizionamento un livello di umidità relativa del 85±5% ad una temperatura di 60±15°C fino al raggiungimento dell’equilibrio, cioè fintanto che la differenza tra due pesate consecutive intervallate da 7±0.5 giorni sia minore dello 0.05%.
dove è il peso attuale, il peso precedente e il peso di partenza.
Per ottimizzare i tempi del processo di pesata e per evitare di togliere i provini dalla camera climatica, con il rischio di un eventuale rilascio di umidità precedentemente assorbita, si accompagnano i provini con un traveler, proveniente dallo stesso pannello dei provini e che verrà pesato settimanalmente.
La normativa suggerisce, inoltre, che la prova deve essere effettuata entro due ore da quando il provino viene rimosso dalla camera climatica.
2.9 Ammissibili di progetto
Gli ammissibili di progetto devono essere calcolati nella condizione climatica più sfavorevole, cioè hot/wet e cold/dry. Viene testato un sufficiente numero di coupon sia a temperatura ambiente che nella condizione più gravosa di umidità/temperatura. Il confronto tra i valori ottenuti fornisce un coefficiente di sicurezza di tipo ambientale. Lo sviluppo degli ammissibili di progetto attraverso una campagna di prove di caratterizzazione è un passaggio molto importante e dispendioso del processo di certificazione di un materiale.
Vi sono due diversi livelli statistici per gli ammissibili di progetto:
Base A: valore raggiunto dal 99% della popolazione con un livello di confidenza del 95%.
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Base B: valore raggiunto dal 90% della popolazione con un livello di confidenza del 95%.
La scelta del tipo di base da utilizzare dipende dal tipo di applicazione. La Base A, ad esempio, viene utilizzata per la progettazione di strutture primarie, in cui sono necessari maggiori margini di sicurezza, mentre la Base B viene utilizzata per la progettazione di strutture fail-safe.
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Capitolo 3
Svolgimento della prova
L’esecuzione delle prove è un passo fondamentale per la certificazione di un materiale. Nel seguente capitolo verrà illustrato lo svolgimento delle prove di trazione e taglio e la strumentazione utilizzata presso il laboratorio del Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale- Sezione Aerospaziale.
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I materiali testati in questo lavoro sono dei tessuti preimpregnati laminati in autoclave (satin wave). In questa tipologia di materiale trama e ordito si intrecciano ogni 8 o 5 tow (8-Harness o 5-Harness).
Figura 3.2: Tessuto 8H
Figura 3.3: Tessuto 5H
Le fibre resistenti sono disposte lungo la direzione del carico (provini di tipo C1) o perpendicolarmente ad essa (tipo C2) per i provini sottoposti a trazione, mentre sono inclinate di ±45° per le prove di taglio (provini E1).
Si sono testati i seguenti provini.
C1.1 120w 8H1.1 C1.2 120w 8H1.1 C1.3 120w 8H1.1
67 C1.4 120w 8H1.1 C1.5 120w 8H1.1 C1.6 120w 8H1.1 C1.1 120w 8H1.2 C1.2 120w 8H1.2 C1.3 120w 8H1.2 C1.4 120w 8H1.2 C1.5 120w 8H1.2 C1.6 120w 8H1.2 C1.1 120w 8H2.2 C1.2 120w 8H2.2 C1.3 120w 8H2.2 C1.4 120w 8H2.2 C1.5 120w 8H2.2 C1.6 120w 8H2.2 C2.1 120w 8H1.1 C2.2 120w 8H1.1 C2.3 120w 8H1.1 C2.4 120w 8H1.1 C2.5 120w 8H1.1 C2.6 120w 8H1.1 C2.1 120w 8H1.2 C2.2 120w 8H1.2 C2.3 120w 8H1.2 C2.4 120w 8H1.2 C2.5 120w 8H1.2 C2.6 120w 8H1.2 C2.1 120w 8H2.2 C2.2 120w 8H2.2 C2.3 120w 8H2.2 C2.4 120w 8H2.2 C2.5 120w 8H2.2
68 C2.6 120w 8H2.2 C1.1 120w 5H 1.1 C1.2 120w 5H 1.1 C1.3 120w 5H 1.1 C1.4 120w 5H 1.1 C1.5 120w 5H 1.1 C1.6 120w 5H 1.1 C1.1 120w 5H 1.2 C1.2 120w 5H 1.2 C1.3 120w 5H 1.2 C1.4 120w 5H 1.2 C1.5 120w 5H 1.2 C1.6 120w 5H 1.2 C2.1 120w 5H 1.1 C2.2 120w 5H 1.1 C2.3 120w 5H 1.1 C2.4 120w 5H 1.1 C2.5 120w 5H 1.1 C2.6 120w 5H 1.1 C2.1 120w 5H 1.2 C2.2 120w 5H 1.2 C2.3 120w 5H 1.2 C2.4 120w 5H 1.2 C2.5 120w 5H 1.2 C2.6 120w 5H 1.2 E1.1 120w 5H1.1 E1.2 120w 5H1.1 E1.3 120w 5H1.1 E1.4 120w 5H1.1 E1.5 120w 5H1.1 E1.6 120w 5H1.1 E1.1 120w 5H1.2
69 E1.2 120w 5H1.2 E1.3 120w 5H1.2 E1.4 120w 5H1.2 E1.5 120w 5H1.2 E1.6 120w 5H1.2 E1.1 120w 8H1.1 E1.2 120w 8H1.1 E1.3 120w 8H1.1 E1.4 120w 8H1.1 E1.5 120w 8H1.1 E1.6 120w 8H1.1 E1.1 120w 8H1.2 E1.2 120w 8H1.2 E1.3 120w 8H1.2 E1.4 120w 8H1.2 E1.5 120w 8H1.2 E1.6 120w 8H1.2
Il primo numero dopo la sigla “8H” o “5H” serve ad identificare il batch dal quale proviene il provino, mentre il secondo numero identifica il pannello. La sigla 120w sta ad indicare che la prova è stata effettuata ad una temperatura di 120° C su provini condizionati.
Come si può notare dalla tabella precedente sono stati testati 6 provini per ogni pannello e per ciascun tipo di tessuto e prova, per un totale di 84 provini. Altri provini, necessari alla certificazione, erano già stati testati in lavori di tesi precedenti.
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