3. Materiali da scafo.
Il legno non ha avuto alternative nelle costruzioni navali fino al XIX secolo, quando si è cominciato ad impiegare prima il ferro e poi l’acciaio. Oggi il legno è riservato a costose linee di produzione per appassionati, sia per ragioni di costo, sia per il rarefarsi della manodopera specializzata, sia per motivi tecnici.
L’acciaio è oggi il materiale principe delle costruzioni navali; a ciò hanno contribuito le sue buone proprietà meccaniche, via via migliorate nel corso dei decenni, e la sua disponibilità a costi relativamente bassi.
Le leghe leggere sono utilizzate soprattutto per il favorevole valore della resistenza specifica, cioè del rapporto tra il carico a rottura e la densità. Possono essere impiegate, ad esempio, per le sovrastrutture di grandi navi da passeggeri e per l’intero scafo di piccoli traghetti veloci.
Anche i materiali compositi presentano un valore favorevole della resistenza specifica;
essi inoltre si deteriorano meno dell’acciaio nell’ambiente marino e le tecniche di costruzione sono relativamente semplici. La vetroresina è oggi il materiale più diffuso nella nautica da diporto.
Mappe di Ashby.
Si riportano le caratteristiche di alcuni materiali impiegati nelle costruzioni navali.
Caratteristiche di alcuni materiali da scafo
Vf
g/cm3 E GPa
G GPa
UT
MPa
UC
MPa
U
MPa
NSS Normal Strength Steel A 7.85 206 80 400 290 135
HSS Higher Strength Steel AH40 7.85 206 80 510 360 225
Al alloy 5083/H111 2.7 70 26 275 275 72
mahogany marine plywood .6 7 1 40 25 8
E-glass polyester CSM .18 1.5 8 3.0 100 140 75
E-glass polyester balanced WR .34 1.7 15 3.5 250 210 100
E-glass polyester UD .43 1.8 30 3.5 750 600
HM-carbon epoxy UD .62 1.7 300 20 700 650
HS-carbon epoxy balanced fabric .50 1.5 55 12.0 360 300 110
HS-carbon epoxy UD .62 1.6 140 15.0 1500 1300
kevlar 49 epoxy UD .62 1.4 50 8.0 1600 230
I pesi di materiali strutturali diversi non possono essere confrontati solo in termini di densità, ma bisogna tener conto anche delle proprietà meccaniche rappresentate dal modulo di elasticità e dal carico limite.
Sia ad esempio un’asta soggetta al carico assiale P; a questo deve commisurarsi la sua resistenza, cioè:
sP AU =
ove con A si è indicata l’area della sezione resistente e con s il grado di sicurezza. Detta l la sua lunghezza, il peso dell’asta si esprime con
U
Al sPl
W = =
Il peso risulta allora inversamente proporzionale alla resistenza specifica e due materiali diversi pesano allo stesso modo dal punto di vista strutturale se hanno la stessa resistenza specifica.
Nel caso di una trave di dimensioni lxbxh soggetta al momento flettente M, la verifica di resistenza si scrive:
bh sM
U = 6
2
Il peso della trave è
U
sM blh bl
W
6 2
=
=
Si riscontra che in questo caso il peso è inversamente proporzionale non alla resistenza specifica, ma all’indice U12 .
Dagli esempi precedenti risulta chiaro che la formulazione della resistenza e, ove rilevante, della rigidezza dipendono dal modello strutturale. Si perviene pertanto alla definizione di svariati indici di qualità1 del materiale, rappresentativi dell’inverso del peso dell'elemento strutturale a parità di prestazioni.
1Si ricorda che per una striscia di larghezza unitaria di un pannello di fasciame, a fronte di una massa areica pari a t:
le resistenze a trazione e flessione sono ut e ut2 /6
la rigidezza flessionale è
12 12 1
3 3 2
Et t
D E
= −
la resistenza a compressione, dalla formula di Bryan per piastre larghe, è 2
3 2 2
2
12a t Et t a t D
cr
=
Si ricorda inoltre che per una trave, a fronte di una massa lineare pari a A:
la resistenza a flessione è u I y
la resistenza a compressione, dalla formula di Eulero, è
( )
22
l EI
Si ricorda infine che la resistenza a fiaccamento di un cilindro è
(
1)
2 3 23
2
2 D
t t E
D t k E
crt
= −
Indici di qualità di alcuni materiali da scafo
UT/ U2/3/ U1/2/ E/ E1/2/ E1/3/
NSS Normal Strength Steel A 51.3 5.6 2.2 26.4 1.8 .8
HSS Higher Strength Steel AH40 65.4 6.5 2.4 26.4 1.8 .8
Al alloy 5083/H111 98.2 15.1 5.9 25.0 3.0 1.5
mahogany marine plywood 66.7 14.2 8.3 11.7 4.4 3.2
E-glass polyester CSM 66.7 14.4 6.7 5.3 1.9 1.3
E-glass polyester balanced WR 147.1 20.8 8.5 8.8 2.3 1.5
E-glass polyester UD 416.7 39.5 13.6 16.7 3.0 1.7
HM-carbon epoxy UD 411.8 44.1 15.0 176.5 10.2 3.9
HS-carbon epoxy balanced fabric 240.0 29.9 11.5 36.7 4.9 2.5
HS-carbon epoxy UD 937.5 74.4 22.5 87.5 7.4 3.2
kevlar 49 epoxy UD 1143 26.8 10.8 35.7 5.1 2.6
U = min(UT, UC)
UT/ elementi tesi
U2/3/ travi inflesse, a parità di forma di sezione
U1/2/ fasciami inflessi
E/ cilindri compressi, a parità di D/t
E1/2/ aste compresse, a parità di forma di sezione E1/3/ fasciami compressi o inflessi a parità di rigidezza
Il confronto tra diversi materiali è graficamente evidenziato dalle mappe di Ashby; in esse le caratteristiche del materiale (,U) o (,E) sono riportate in scale logaritmiche ed in tal modo le curve di livello di un indice di qualità sono rette, con pendenza pari all'inverso dello specifico esponente di U o E.
Si osserva, in particolare, che le prestazioni del compensato marino sono migliori di quelle dell’acciaio ordinario, e difatti gli scafi in acciaio del ‘900 non erano particolarmente più leggeri dei loro omologhi in legno, malgrado che questi ultimi avessero lo svantaggio di collegamenti relativamente cedevoli, tali da non consentire di sfruttare appieno le caratteristiche di resistenza proprie del materiale. Questa limitazione è stata superata solo recentemente dai moderni adesivi forti e durevoli.
E’ noto che rispetto ad una costruzione in acciaio, quella in lega di alluminio è più leggera, tra il 35 ed il 45% in meno per lo scafo e tra il 50 ed il 65% in meno per le sovrastrutture. Gli ordini di grandezza di queste riduzioni si ritrovano dalla precedente tabella:
facendo riferimento nel primo caso alle aste compresse, cioè all’indice (E1/2/), e nel secondo caso ai fasciami inflessi, cioè all’indice (U1/2/), si stimano difatti le riduzioni di peso 100x(1-1.8/3.0) = 40% e 100x(1-2.2/5.9) = 63%.
Mappa di Ashby del carico a rottura
1 10 100 1000 10000
0.1 1 10
densità (g/cm3)
carico di compressione (MPa)
NSS HSS Al plywood E-WR HSC-WR HSC-UD kevlar m=1 m=2/3 m=1/2
Mappa di Ashby del modulo di Young
0,1 1 10 100 1000
0,1 1 10
densità (g/cm3)
E (GPa)
NSS & HSS Al
plywood E-WR HSC-WR HSC-UD kevlar m=1 m=1/2 m=1/3
Alcuni confronti mirati sono riportati nel quaderno SSC-452 “Aluminium Structure Design and Fabrication Guide” dello statunitense Ship Structure Committee. Nel caso di una
nave veloce dalle seguenti caratteristiche: lunghezza al galleggiamento 42.67 m; larghezza al galleggiamento 7.24 m; altezza di costruzione 3.73 m; immersione 2.057 m; dislocamento 416.6 t; velocità 32 kn; si hanno i seguenti pesi strutturali per unità di lunghezza.
Acciaio H36 Lega 5083 Vetroresina (GRP)
Strutture longitudinali 1726 954 1031
Ossature trasversali 289 184 271
Paratie 165 87 105
Altre strutture 218 123 141
Cordoni di saldatura (H36 e 5083) e sovrapposizioni (GRP) 55 31 70
Rivestimenti antincendio 132 132
In totale (Kg/m) 2453 1511 1750
Nel caso poi delle sovrastrutture di cacciatorpediniere, si trova che il peso delle sovrastrutture in lega di alluminio 5083 è pari al 49% di quello delle stesse sovrastrutture in acciaio ad elevata resistenza, ma sale al 76% considerando anche il rivestimento antincendio.
Legnami.
Il legno è un prodotto naturale con una struttura complessa. Allo stato fresco contiene sostanze organiche, sostanze minerali ed acqua; il contenuto di umidità è definito, in percentuale, dal rapporto tra il peso di acqua ed il peso di legno secco. Data la sua definizione, il contenuto percentuale di umidità può superare in linea di principio il 100%.
Si chiama legno verde il legno col suo contenuto naturale di umidità. Si intende essiccato il legno col contenuto di umidità del 12%. Quando il legno viene essiccato, esso subisce un ritiro, soprattutto nella direzione trasversale all’albero, e diventa più denso e resistente.
La stagionatura dei legnami è essenziale per il loro impiego come materiale di costruzione; essa stabilizza il materiale, riducendone in particolare la deformabilità.
L’operazione deve durare qualche anno, meno per i legni dolci, di più per i legni duri. A tal proposito, i legni si distinguono in legni duri, o forti, e legni dolci, o teneri. Con poche eccezioni, il legno dolce è tipico degli alberi sempreverdi; in esso predomina l’alburno. Il legno duro è tipico degli alberi decidui; in esso predomina il cuore. Il cuore è la parte più interna del tronco, compatta e resistente; l’alburno è quella esterna ed è più tenera.
Il comportamento del legno è fortemente anisotropo. In particolare, la resistenza alle forze applicate parallelamente alle fibre è maggiore di quella che si ha nella direzione ortogonale; la resistenza a trazione è nettamente superiore a quella a compressione, all’incirca nel rapporto 2. I moduli di elasticità a trazione variano tra 10 e 16 GPa nella direzione delle fibre, un ordine di grandezza in meno nella direzione ortogonale alle fibre.
La resistenza del legno dipende dalla sua natura, dalla compattezza delle fibre, dai difetti quali i nodi, particolarmente deleteri quando situati in zona tesa, dalla zona del fusto. In generale, la resistenza cresce con la densità e decresce col contenuto di umidità.
Tipiche proprietà di alcuni legni commerciali stato densità,
g/cm3
resistenza a rottura a flessione, MPa
modulo di elasticità a flessione, GPa
resistenza a rottura a compressione parallela alle fibre, MPa
resistenza al limite di elasticità a compressione perp.
alle fibre, MPa
resistenza a rottura a taglio parallelo alle fibre, MPa Legni duri
Olmo americ. verde 0.46 49 7.6 20 2.5 6.9
essicc. 0.50 81 9.2 38 4.8 10.4
Noce americ. verde 0.60 68 9.4 27 5.4 10.2
essicc. 0.66 94 11.9 54 11.9 14.3
Acero rosso verde 0.49 53 9.6 23 2.8 7.9
essicc. 0.54 92 11.3 45 6.9 12.7
Quercia bianca verde 0.60 57 8.6 25 4.6 8.6
essicc. 0.68 105 12.3 51 7.4 13.8
Legni dolci
Abete Douglas verde 0.45 53 10.7 26 2.6 6.2
essicc. 0.48 85 13.4 50 5.5 7.8
Cedro rosso verde 0.31 36 6.5 19 1.7 5.3
essicc. 0.32 52 7.6 31 3.2 6.8
Pino bianco verde 0.34 34 6.8 17 1.5 4.7
essicc. 0.35 59 8.5 33 3.0 6.2
Sequoia giovane verde 0.34 41 6.6 22 1.9 6.1
essicc. 0.35 54 7.6 36 3.6 7.6
Il RINA assume a riferimento la quercia di peso specifico 0.7 t/m3 col 15% di umidità.
Considera poi i legnami riportati di seguito insieme con la densità minima, in t/m3, che devono possedere col 15% di umidità: quercia, 0.75; teak, 0.65; acacia, 0.65; iroco, 0.70;
mogano, 0.65; quercia, 0.60; pitch-pine, 0.70; pino marittimo, 0.65; frassino, 0.70; olmo, 0.70; pino Oregon, 0.60; pino comune, 0.50; abete, 0.42; spruce, 0.42. Per tali legnami, il registro indica quali elementi strutturali possano essere realizzati con essi e le eventuali maggiorazioni da adottare rispetto alla quercia convenzionale.
Acciai da scafo.
L’acciaio è il materiale metallico da costruzione di più vasto impiego perché unisce al basso costo buone qualità meccaniche e tecnologiche; queste sono determinate dalla composizione chimica, dai processi di fabbricazione, disossidazione e lavorazione e dal trattamento termico.
Il processo di affinazione deve consentire la fabbricazione di un prodotto di qualità dalla composizione controllata; adatti allo scopo sono i forni a riverbero Martin-Siemens, i forni elettrici ed i convertitori ad ossigeno del tipo LD (Linz-Donawitz). Nel processo deve essere eliminato l'eccesso di carbonio, devono essere ridotti i contenuti di fosforo e zolfo, e controllate le percentuali di silicio e manganese; tutti i detti elementi sono sempre presenti nell’acciaio, o perché contenuti nel materiale di partenza, o perché aggiunti nei processi di fabbricazione. Il materiale prodotto deve essere omogeneo, esente da scorie e privo di soffiature dovute a ritiro o ad inclusioni gassose di CO, O2, N, H.
Il carbonio aumenta la durezza e la resistenza del materiale, ma allo stesso tempo lo infragilisce e ne riduce la saldabilità. Gli acciai per impieghi strutturali hanno percentuali in peso fino allo 0.25%. Tenori maggiori sono utilizzati per la costruzione di organi meccanici, forniti nello stato bonificato.
Il manganese produce effetti differenziati a seconda del suo tenore: in concentrazioni modeste, migliora la resistenza e la tenacità del materiale; in percentuali maggiori, migliora la resistenza alla rottura ed all’usura, presenta resilienza migliore di quella di un acciaio semplice al C di pari resistenza, ma aumenta la temprabilità; percentuali elevate di Mn ampliano il campo di esistenza dell’austenite, che per tenori superiori al 12% resta stabile alla temperatura ambiente. Per tenori inferiori allo 1% si parla semplicemente di acciai al C; si dicono invece acciai al C-Mn gli acciai con tenori di Mn tra lo 1% e lo 1.7%; quelli con tenori maggiori sono considerati legati e non sono utilizzati per gli acciai strutturali perché è eccessiva la temprabilità.
Lo zolfo ed il fosforo sono impurezze estremamente dannose perché rendono fragile l’acciaio, il primo nelle lavorazioni a caldo, il secondo in quelle a freddo.
Lo svolgimento dei gas dal bagno liquido in fase di raffreddamento è ostacolato da contenuti, anche modesti, di silicio; esso dà luogo alla formazione di silicati che poi passano nella scoria. Pertanto il silicio è benefico perché riduce l’effervescenza, difetto che può essere tollerato solo in laminati di non particolare pregio e di piccolo spessore, in cui la laminazione stessa porta le soffiature in superficie e le espelle. In quantità elevate il silicio può essere dannoso perché favorisce l’ingrossamento della grana e riduce sensibilmente la resilienza.
L'aggiunta in fase di raffreddamento di sostanze disossidanti quali l'alluminio, il niobio, il vanadio, elimina del tutto l'effervescenza e raffina i grani, migliorando la resistenza e la tenacità del materiale. La raffinazione della grana può ottenersi anche aumentando la velocità di raffreddamento, come si fa nei processi di normalizzazione o di laminazione controllata, ma in questo secondo caso possono prodursi alterazioni strutturali che riducono, almeno in parte, il beneficio della grana fine.
L'addizione di quantità, anche modeste, di sostanze quali il nichel, il molibdeno, il cromo, il rame, il titanio, migliora la qualità dell'acciaio innalzando la resistenza meccanica, favorendo la tenacità e riducendo la corrosione.
Negli acciai legati, gli elementi aggiunti conferiscono particolari proprietà. In particolare il nichel migliora la resistenza alle basse temperature; inoltre si comporta qualitativamente come il Mn, con effetti quantitativamente meno marcati: riduce la velocità critica di tempra e per tenori superiori al 25% stabilizza la fase austenitica anche a temperatura ambiente. Il cromo favorisce la resistenza alla corrosione, tramite la formazione di una pellicola protettiva di ossido, sicché è utilizzato per gli acciai inossidabili in concentrazioni superiori al 12%.
Le norme del RINA prevedono i seguenti tipi di acciaio per impieghi navali:
• acciai da scafo, suddivisi nelle due categorie degli acciai ordinari (NSS: normal strength steel) e degli acciai ad elevata resistenza (HSS: higher strength steel); sono acciai al C i primi, al C-Mn i secondi;
• acciai ad elevatissima resistenza (high strength steel o anche XSS: extra high strength steel), raramente impiegati a scopi strutturali; sono acciai da bonifica debolmente legati, con carichi di snervamento pari a 420, 460, 500, 550, 620 e 690 MPa
• acciai al C o al C-Mn o debolmente legati al Mo o al Cr-Mo per impieghi a temperature elevate, in caldaie e recipienti in pressione (quelli legati sono tre, contraddistinti dalle sigle 0,3Mo, 1Cr0,5Mo e 2,25Cr1Mo); per essi sono dati i valori di progetto Rp0.2 relativi a temperature di 100°C e superiori;
• acciai al C o al C-Mn o legati al Ni, con tenori di questo tra 1.3 e 10%, per impieghi a bassa temperatura, ad esempio sulle gassiere;
• acciai inossidabili al Cr-Ni, austenitici o duplex, necessari ad esempio per le chimichiere; i tenori di Cr sono compresi tra 16 e 26%, quelli di Ni tra 4.5 e 14%;
• acciai per macchinari, lamiere rivestite, lamiere a tenacità migliorata entro lo spessore;
• acciai per tubi, sia per applicazioni strutturali, sia per impieghi ad elevata temperatura in caldaie, scambiatori, ecc., sia per fluidi in pressione, sia in acciaio inossidabile contro i prodotti corrosivi di chimichiere, gassiere, ecc.;
• acciai per getti e prodotti fucinati.
I prodotti classificati da un registro generalmente trovano i loro equivalenti nelle classificazioni degli altri registri; ciò si riscontra soprattutto in ambito europeo grazie all'azione di coordinamento dello IACS (International Association of Classification Societies).
Di più, i prodotti classificati dai registri navali trovano spesso i loro equivalenti nelle classificazioni di altri enti; ad esempio, come si evince dall’edizione del 1999 del regolamento del RINA, gli acciai da scafo A, B, D, AH36, DH36 equivalgono a quelli UNI (EN10025) Fe430B, Fe430C, Fe430D, Fe510C, Fe510D. In altri casi è lo stesso registro che rimanda alle prescrizioni di altri enti.
Gli acciai da scafo sono suddivisi in gradi; questi sono identificati da una lettera, legata alla temperatura di esecuzione della prova di resilienza ed implicitamente alla tenacità, e da una cifra, legata alla tensione di snervamento (Nella pratica corrente si identifica il grado con lo sforzo di snervamento e la qualità con la resilienza). I gradi sono raggruppati in due categorie: quella degli acciai ordinari comprende acciai comuni al C con tensione di snervamento di 235 MPa; la categoria degli acciai ad elevata resistenza comprende acciai al C-Mn con tensioni di snervamento tra 300 e 400 MPa. Si riportano di seguito le caratteristiche meccaniche di tali acciai; esse vanno accertate tramite prove a trazione e prove di resilienza col pendolo Charpy (CVN: Charpy V-Notch test).
In addizione a quelli riportati in tabella, sono contraddistinti col grado Z i laminati con tenacità controllata entro lo spessore, cioè nella direzione ortogonale alla superficie del laminato; per ottenere tale proprietà, è necessario ridurre ancor più il tenore di zolfo. Questi acciai son detti anche TTP, da Through Thickness Properties steel.
Acciai del RINA per prodotti laminati
temperatura delle prove CVN (°C) cat. ReH
(MPa) Rm (MPa)
A5 (%)
KV (J) t50
KV (J) 50<t70
KV (J) 70<t100
+20 0 -20 -40 -60
NSS 235 400-520 22 27/20 34/24 41/27 A B D E
HSS 315 440-590 22 31/22 38/26 46/31 AH32 DH32 EH32 FH32
355 490-620 21 34/24 41/27 50/34 AH36 DH36 EH36 FH36
390 510-650 20 41/27 AH40 DH40 EH40 FH40
KV: energia media nelle prove CVN con provini longitudinali/trasversali (KVL/KVT) t: spessore in mm
Per il grado A non è richiesta la prova CVN
I gradi FH32, FH36, AH40, DH40, EH40, FH40 non sono applicabili a spessori > 50 mm
La saldabilità è una proprietà basilare per le costruzioni navali e marine; essa è strettamente legata al contenuto di carbonio e, in misura minore, ai tenori degli altri elementi alligati; per tener conto di tutti, si ricorre ad una percentuale di carbonio equivalente calcolata con una formula del tipo di quella del Lloyd's:
Il carbonio equivalente deve essere inferiore allo 0.4% per gli acciai ordinari ed all’incirca lo stesso valore per gli acciai ad elevata resistenza.
Per ciascun grado sono date prescrizioni specifiche, anche in relazione al tipo ed allo spessore del laminato, sulla composizione chimica, da accertare con analisi di colata, sul metodo di disossidazione e sullo stato di fornitura. In merito a quest’ultimo aspetto, si dice:
• come laminato (AR) un prodotto semplicemente raffreddato in aria dopo la laminazione, operazione questa effettuata ad elevate temperature, superiori a 900°C;
• normalizzato (N) un prodotto assoggettato al trattamento di normalizzazione;
• laminazione controllata (CR) o formatura di normalizzazione (NR) un processo di laminazione in cui l’ultima fase di riduzione dello spessore si svolge nel campo delle temperature di normalizzazione, all’incirca tra 850 e 900°C, in modo da ottenere un grano più fine e proprietà simili a quelle del laminato normalizzato;
• laminazione o formatura termomeccanica (TM) un processo in cui sono controllate le temperature delle diverse fasi di laminazione; di queste, buona parte sono svolte a temperature prossime a quella critica di trasformazione dell’austenite, di modo che non avvenga dopo l’ultima la ricristallizzazione dei grani austenitici e si ottenga perciò una granulometria più fine; sono però necessari sforzi di laminazione maggiori data la minore temperatura di lavorazione;
• raffreddamento accelerato un processo di laminazione controllata seguito da un raffreddamento controllato con acqua, più veloce di quello che si realizza in aria, per migliorare le proprietà meccaniche;
• temprato ed autorinvenuto (QST) un processo di laminazione termomeccanica seguito da un intenso raffreddamento con spruzzi d’acqua per temprare la superficie esterna del pezzo; un certo grado di rinvenimento si genera poi automaticamente col raffreddamento del cuore del pezzo;
5 % 15
6
V Mo Cr Cu Ni C Mn
Ceq = + + + + + +
• bonificato (QT) un prodotto assoggettato a tempra e rinvenimento.
Si sintetizzano nella tabella a seguire le principali prescrizioni del RINA in merito ai laminati in acciaio.
Alcune prescrizioni del RINA (2001) sui laminati in acciaio
Acciaio NSS HSS XSS
Grado A B D E A,D,E F A D,E F
Metodo di disossidazione(1)
NE NE C CGF CGF CGF
Stato di fornitura(1) A A A N,TM A,N,TM N,TM,QT QT
C max % 0.21 0.21 0.21 0.18 0.18 0.16 0.21 0.20 0.18
Mn % >2.5 C >0.80 >0.60 >0.70 0.901.60 <1.70 <1.70 <1.60
Si max % 0.50 0.35 0.35 0.35 0.50 0.55
P max % 0.035 0.035 0.025 0.035 0.030 0.025
S max % 0.035 0.035 0.025 0.035 0.030 0.020
Al min % 0.015 0.015 0.015 0.015
Nb % 0.020.05 <0.06
V % 0.050.10 <0.10
Ti max % 0.02 0.20
Cu max % 0.35 1.5
Cr max % 0.20 2.0
Ni max % 0.40 0.80 2.0
Mo max % 0.08 1.0
B max % 0.06
Zr max % 0.15
(1) Con riferimento agli spessori minori A: qualsiasi
NE: non effervescente N: normalizzato
C: calmato TM: laminazione a controllo termo-meccanico
CGF: calmato a grano fine QT: bonificato
Nella navi mercantili si ricorre all’impiego degli acciai ad elevata resistenza per evitare l’adozione di elevati spessori; ciò si verifica, ad esempio, per i ponti di navi, quali le rinfusiere, attraversati da ampie boccaporte, o per le strutture del fondo e del ponte delle grandi petroliere soggette ad elevati momenti flettenti. In termini di costo, gli acciai ad elevata resistenza sono più costosi di quelli ordinari, ma non di molto, dell’ordine del 20%.
Nelle strutture offshore è pratica diffusa il ricorso ad acciai ad elevata resistenza, ad esempio quelli con la tensione di snervamento di 355 MPa, per ridurre i pesi in gioco; ciò risulta vantaggioso soprattutto per quegli elementi i cui carichi dipendano dal peso proprio, si pensi ad esempio alle gambe di un jack-up per cui i carichi più rilevanti sono le forze d'inerzia in condizioni di trasferimento. Tale pratica non è però generalizzabile incondizionatamente, anzi va attentamente valutata in fase progettuale. Difatti il modulo di elasticità e la resistenza a fatica di strutture saldate restano sostanzialmente immutati per tutti gli acciai; pertanto l'adozione di gradi elevati non comporta sensibili vantaggi in termini di peso allorché i tipi di collasso più pericolosi riguardino fenomeni di instabilità o di fatica. Bisogna ancora considerare che ad elevate tensioni di snervamento corrispondono minori gradi di incrudimento e di duttilità; di ciò va tenuto conto nel dimensionamento degli elementi soggetti a sforzi, quali il punching shear, per cui i metodi di verifica fanno implicitamente od esplicitamente riferimento alla capacità di adattamento plastico del materiale.
La scelta della resilienza va effettuata in considerazione della resistenza alla rottura fragile; questo tipo di cedimento è particolarmente pericoloso perché si verifica
subitaneamente in assenza di apprezzabili deformazioni. La rottura in questione si verifica anche in materiali duttili quali l'acciaio in presenza di basse temperature; si verifica in particolare per i metalli che cristallizzano nel reticolo cubico a corpo centrato, e difatti non si verifica per l’acciaio austenitico, l’alluminio, il rame, che cristallizzano in reticoli cubici a facce centrate. Per i materiali fragili a bassa temperatura, si definisce la temperatura di transizione dalla rottura duttile a quella fragile (NDT: Nil-Ductility Transition temperature).
Purtroppo la rottura fragile non dipende dalla sola temperatura, perché è influenzata da altri numerosi fattori quali: modalità di applicazione del carico, effetto d'intaglio, dimensione dei difetti, disomogeneità locali della microstruttura, condizioni di vincolo, stati di coazione e di tensioni residue. Malgrado siano stati condotti numerosi studi sulla propagazione della cricca, non esiste una procedura affidabile per analizzare quantitativamente i fattori in gioco; è stato comunque accertato che la resistenza alla rottura fragile è legata alla resilienza, anche se in forma indiretta.
Per questi motivi, la pratica prevalentemente adottata è di natura empirica, cioè basata sulle esperienze positive riscontrate in costruzioni similari; c'è da dire che mentre l'esperienza accumulata con gli acciai ordinari è ben consolidata, nel caso degli acciai ad elevata resistenza sono ancora presenti aspetti poco chiari. In concreto, il tipo di materiale va scelto in relazione all'importanza strutturale dell'elemento, alle conseguenze dell'eventuale cedimento sulla sicurezza globale della struttura, alla temperatura ambiente, allo spessore del laminato ed all’esigenza di disporre opportune barriere alla propagazione della cricca.
In pratica, le tipologie strutturali sono classificate in tre categorie, cui sono assegnate diverse classi di materiale.
• Categoria secondaria: vi appartengono le strutture di minore importanza, la cui rottura non pregiudica l’integrità globale e la sicurezza operativa dell’unità.
• Categoria primaria: vi appartengono le strutture essenziali per l’integrità globale e la sicurezza operativa dell’unità.
• Categoria speciale: vi appartengono le parti delle strutture primarie soggette a rilevanti concentrazioni di tensione.
La scelta del grado di acciaio è poi fatta per le varie classi di materiale sulla base della temperatura di esercizio e dello spessore dell’elemento.
Ad illustrazione di tale pratica, si sintetizzano nelle tabelle che seguono le prescrizioni principali del RINA per le navi mercantili in genere; non compare la temperatura ambiente in quanto essa è quella minima prevedibile per navigazioni di tipo internazionale.
Classi di acciaio per gli elementi strutturali
Categoria Elementi strutturali Entro lo 0.4 L
al mezzo
Fuori dello 0.4 L al mezzo secondaria Corso inferiore delle paratie longitudinali
Fasciami di ponti esposti alle intemperie (in generale) Fasciame del fianco
I A / AH
primaria Fasciame del fondo, incluso quello della chiglia.
Fasciame del ponte di resistenza
Elementi longitudinali continui al di sopra del ponte di resistenza
Corso superiore delle paratie longitudinali
Corsi superiori verticale ed inclinato delle casse alte
II A / AH
speciale Cinta e trincarino in corrispondenza del ponte di resistenza Corso del ponte di resistenza in corrispondenza delle paratie longitudinali
Corso del ginocchio
Mastre longitudinali continue delle navi con L 90 m
III II
(I al di fuori dello 0.6 L al
mezzo)
Gradi di acciaio per le classi I, II e III
Classe I II III
Spessore lordo in mm NSS HSS NSS HSS NSS HSS
t 15 A AH A AH A AH
15 t 20 A AH A AH B AH
20 t 25 A AH B AH D DH
25 t 30 A AH D DH D DH
30 t 35 B AH D DH E EH
35 t 40 B AH D DH E EH
40 t 50 D DH E EH E EH
Tabelle analoghe sono date (Pt. B, Ch. 4, Sec. 1, pag. 86, 87 e 88 del regolamento) per le strutture esposte a bassa temperatura ambientale, cioè tra -20 e -50°C, e per quelle adiacenti a locali refrigerati a temperature tra 0 e -40°C.
Leghe leggere.
Si dicono leghe leggere le leghe formate dall’alluminio con elementi come il rame, il magnesio, il silicio, il manganese, lo zinco. L’interesse per tali leghe è determinato dal basso peso specifico e dalle buone proprietà criogeniche; difatti a bassa temperatura la tenacità non si degrada e la resistenza meccanica addirittura aumenta. Buona è anche la resistenza alla corrosione, anche se essa può degradarsi in presenza di contatti con metalli dissimili. Pure utile può risultare la proprietà del materiale di non essere magnetico. Svantaggi dell’alluminio sono la scarsa resistenza a fatica ed il costo elevato, dell’ordine di cinque volte quello dell’acciaio ordinario per le leghe 5xxx, anche di dieci volte per le leghe 6xxx.
L’alluminio è, dopo l’ossigeno ed il silicio, l’elemento più diffuso in natura. Lo si trova in diversi minerali; quello più importante dal punto di vista estrattivo è la bauxite, costituita prevalentemente da ossidi idrati di alluminio intimamente miscelati con altri minerali. Dalla bauxite si estrae l’allumina, cioè sesquiossido di alluminio avente formula Al2O3, che è la
materia prima per la fabbricazione dell’alluminio; si utilizza il processo elettrolitico di Hall- Heroult, così detto dai cognomi dei due inventori che lo miseo a punto nel 1886.
L’alluminio puro ha massa volumica di 2.7 g/cm3, modulo elastico di 65.7 GPa (da 68.5 a 72.6 GPa per le leghe, convenzionalmente posto pari a 70 dal RINA) e punto di fusione di 660°C. Questo valore, basso rispetto a quello dell’acciaio, rende le leghe di alluminio particolarmente sensibili alle alte temperature, ad esempio in presenza d’incendio: le caratteristiche meccaniche cominciano a degradarsi già a partire da 200°C. L’alluminio puro ha un basso carico di rottura, per cui di per sé è di scarso interesse per impieghi strutturali.
La classificazione delle leghe leggere si basa sugli elementi di lega; essa utilizza un codice a quattro cifre, di cui la prima individua l’elemento di lega principale. Si definiscono così le seguenti serie.
• Alluminio puro al 99% della serie 1000: presenta una modesta resistenza meccanica, Rp0.2 pari a 28 MPa, ma ha buone proprietà in termini di duttilità e di resistenza alla corrosione atmosferica e chimica; viene utilizzato come rivestimento protettivo, anche in forma di placcatura.
• Leghe alluminio-rame-magnesio della serie 2000: presentano buone caratteristiche meccaniche grazie ai trattamenti termici che possono subire, ma bassa resistenza alla corrosione per la presenza del rame. Sono le leghe più diffuse in campo aeronautico.
• Leghe alluminio-manganese della serie 3000: non sono assoggettabili a trattamenti termici, hanno una modesta resistenza meccanica, paragonabile a quella della serie 1000, e presentano una buona resistenza alla corrosione.
• Leghe alluminio-silicio della serie 4000: hanno caratteristiche simili a quelle della serie 3000; siccome il silicio conferisce una buona fluidità a caldo, sono utilizzate in fonderia.
• Leghe alluminio-magnesio della serie 5000: non accettano trattamenti termici, ma hanno caratteristiche meccaniche superiori a quelle delle serie 1000, 3000 e 4000, che possono essere ulteriormente migliorate per incrudimento; presentano inoltre ottima resistenza alla corrosione, anche in ambiente marino.
• Leghe alluminio-silicio-magnesio della serie 6000: sono assoggettabili ai trattamenti termici, che ne migliorano le caratteristiche meccaniche; buona è la resistenza alla corrosione, ma minore di quella della serie 5000.
• Leghe alluminio-zinco della serie 7000: queste leghe presentano prestazioni differenziate in relazione agli altri elementi alligati; in particolare, quelle Al-Zn-Mg- Cu presentano la massima resistenza delle leghe di alluminio, all’incirca Rp0.2 = 500 MPa, ma non sono saldabili e sono meno resistenti alla corrosione. Sono utilizzate in applicazione aerospaziali.
• Leghe con altri elementi della serie 8000.
• Leghe sperimentali della serie 9000.
La prima applicazione navale di una certa importanza risale probabilmente al 1892, quando fu costruito a St. Denis, in Francia, lo sloop Vendenesse; mentre le ossature trasversali, la chiglia e le travi longitudinali erano in acciaio, i fasciami dello scafo, del ponte
e delle paratie erano realizzati in lega di alluminio, con un tenore del 6% di rame: dato il tipo di lega, dopo appena quattro mesi dal varo si manifestarono estesi fenomeni di corrosione. Le leghe leggere trovano oggi impiego per la costruzione delle sovrastrutture, soprattutto delle navi militari e passeggeri, al fine di ridurre il peso e la quota baricentrica; sono altresì utilizzate per la costruzione delle navi veloci, per cui il peso costituisce un parametro sensibile.
Le leghe di più vasto impiego nelle applicazioni marine sono quelle Al-Mg della serie 5000, specialmente quelle 5083 e 5086, non assoggettabili a trattamenti termici e con buone caratteristiche di saldabilità per contenuti di Mg non elevati, inferiori al 5%. Le caratteristiche meccaniche possono essere migliorate mediante incrudimento a freddo; esse sono però rimosse dal processo di saldatura.
Le leghe Al-Mg-Si della serie 6000 sono assoggettabili a tempra di soluzione per migliorarne la resistenza meccanica; il trattamento consiste in un riscaldamento seguito da raffreddamento in acqua ed un successivo invecchiamento. Il riscaldamento si realizza a circa 500°C per un lasso di tempo compreso tra mezz’ora e 24 ore; il raffreddamento in acqua fredda produce la massima resistenza, ma anche distorsioni e tensioni residue, per cui si preferisce il raffreddamento in acqua bollente; l’invecchiamento per cinque giorni a temperatura ambiente migliora la resistenza, ed ancor più la migliora un invecchiamento per alcune ore ad una temperatura tra 100 e 200°C. Le migliori caratteristiche che così si ottengono sono però degradate dal riscaldamento generato dalla saldatura; nei giunti saldati pertanto bisogna far riferimento allo specifico carico di snervamento e, in mancanza di tale dato, alla resistenza del materiale ricotto; ad esempio, per le leghe 6061-T6 e 6082-T6 bisogna considerare Rp0.2 = 105 MPa e Rm = 160 MPa, circa. Queste leghe, tipicamente la 6061, sono utilizzate per i prodotti estrusi, in quanto presentano una duttilità più elevata di quella della serie 5000. Esse presentano peggiori caratteristiche delle 5xxx nei riguardi della corrosione, per cui in ambiente marino devono essere protette con verniciatura o anodi di sacrificio.
Si riportano di seguito le tabelle delle normative del RINA relative ai prodotti laminati ed estrusi destinati ad applicazioni strutturali o criogeniche; la designazione è la stessa di quella della norma europea EN515.
In merito al trattamento termico, si adottano le seguenti sigle:
• F grezzo di fabbricazione;
• 0 ricottura, trattamento che dà la massima duttilità, ma la minima resistenza (si ottiene riscaldando il materiale per un tempo variabile tra mezz’ora e quattro ore ad una temperatura tra 350 e 380°C e quindi raffreddandolo in aria; si ricorre al raffreddamento controllato in forno solo quando sia necessario raggiungere la massima duttilità);
• H1 incrudimento (le cifre successive definiscono il grado di indurimento per deformazione);
• H2 incrudimento e parziale ricottura;
• H3 incrudimento e stabilizzazione mediante invecchiamento ad alta temperatura (per le leghe Al-Mg che addolciscono per invecchiamento);
• T1 invecchiamento naturale;
• T3 tempra di soluzione, deformazione a freddo ed invecchiamento naturale;
• T4 tempra di soluzione ed invecchiamento naturale;
• T5 raffreddamento, dalle elevate temperature del processo di formatura, ed invecchiamento artificiale;
• T6 tempra di soluzione ed invecchiamento artificiale; è questo il trattamento più comune per le applicazioni navali;
• T7 tempra di soluzione e stabilizzazione;
• T8 tempra di soluzione, deformazione a freddo e invecchiamento artificiale.
Aluminium alloys: chemical composition
Aluminium alloys: mechanical properties for rolled products (see Note 1) - 3mm < t < 50mm
Aluminium alloys: mechanical properties for extruded products - 3mm < t < 50mm
