UNIVERSITÀ DI PISA
CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA EDILE E DELLE COSTRUZIONI CIVILI
UN NUOVO DISPOSITIVO DI PROVA PORTATILE:
DIMENSIONAMENTO, REALIZZAZIONE E USO PER
PROVE DI COMPRESSIONE E FLESSIONE
Tesi di laurea Magistrale
RELATORI:
Prof. Ing. Stefano BENNATI
Dott. Ing. Riccardo BARSOTTI
CANDIDATO:
Filippo FARINELLI
III
INDICE
INDICE ... III
INTRODUZIONE ... 11
CAPITOLO 1 ... 13
L’EVOLUZIONE DELLE MACCHINE DI PROVA PER LA CARATTERIZZAZIONE MECCANICA DEI MATERIALI DA COSTRUZIONE ... 13
1.1 Gli antenati delle moderne macchine di prova ... 13
1.2 Le macchine portatili da prova ... 17
CAPITOLO 2 ... 21
UN DISPOSITIVO PORTATILE PER L’ESECUZIONE DI PROVE SUI MATERIALI DA COSTRUZIONE: LA PORTABLE TESTING MACHINE (PTM), VERSIONE 1.0 ... 21
2.1 La PTM 1.0: principi di funzionamento e caratteristiche generali ... 21
2.2 Le parti metalliche ... 26
2.2.1 Il telaio ... 26
2.2.2 Le teste di carico ... 26
2.2.2.1 Testa di carico ad un coltello ... 26
2.2.2.2 Testa di carico a due coltelli ... 27
2.3 Il martinetto idraulico e le strumentazioni di misura ... 28
2.3.1 Il martinetto idraulico ad azionamento manuale ... 28
2.3.2 Manometro analogico da 400 bar ... 29
2.3.3 Manometro analogico da 25 bar ... 31
Indice IV
CAPITOLO 3 ... 34
LA PRIMA CAMPAGNA SPERIMENTALE DI VALIDAZIONE DELLA PTM VERSIONE 1.0 ... 34
3.1 Descrizione del programma sperimentale ... 34
3.2 Le prove sui campioni di calcestruzzo ... 36
3.2.1 Il confezionamento dei provini in calcestruzzo ... 36
3.2.2 Le prove di flessione con la PTM 1.0 ... 38
3.2.3 La prova di flessione con macchina di laboratorio Instron 1186 ... 40
3.2.4 Le prove di indentazione con la PTM 1.0 ... 41
3.2.5 Le prove di compressione con la PTM 1.0 ... 43
3.2.6 La prova di compressione con macchina di laboratorio Galdabini ... 44
3.3 Le prove sui campioni di malta ... 47
3.3.1 Il confezionamento dei provini di malta ... 47
3.3.2 Le prove di flessione con la PTM 1.0 ... 47
3.3.3 La prova di flessione con macchina di laboratorio ... 48
3.3.4 Le prove di compressione con la PTM 1.0 ... 49
3.3.5 La prova di compressione con macchina di laboratorio Galdabini ... 50
3.4 Le prove sui campioni di laterizio ... 51
3.4.1 I mattoni in laterizio ... 51
3.4.2 Le prove di flessione con la PTM 1.0 ... 51
3.4.3 La prova di flessione con macchina di laboratorio ... 53
3.4.4 Le prove di indentazione con la PTM 1.0 ... 53
3.5 Le prove sulle barre di acciaio da c.a. ... 55
3.5.1 Le barre di acciaio da c.a. ... 55
3.5.2 La prova di piegamento con la PTM 1.0 ... 55
3.5.2.1 Velocità di applicazione dei carichi ... 57
3.5.3 La prova di trazione semplice con macchina di laboratorio Comazzi ... 58
3.6 Discussione dei risultati ottenuti ... 61
Indice V 3.6.2 Confronto critico tra le prove condotte su test
provenienti da uno stesso materiale ... 65
3.6.2.1 La prova di flessione sul calcestruzzo ... 65
3.6.2.2 Le prove di compressione e indentazione sul calcestruzzo ... 66
3.6.2.3 Le prove di flessione sulla malta ... 69
3.6.2.4 Le prove di compressione sulla malta ... 71
3.6.2.5 Le prove di flessione sul laterizio ... 73
3.6.2.6 Le prove di indentazione sul laterizio ... 75
3.6.2.7 Le prove di piegamento sulle barre di acciaio da cemento armato ... 77
3.6.2.7.1 Conclusioni ... 81
CAPITOLO 4 ... 82
UNA VERSIONE MIGLIORATA DEL DISPOSITIVO PORTATILE PER L’ESECUZIONE DI PROVE SUI MATERIALI DA COSTRUZIONE: LA PTM VERSIONE 2.0 ... 82
4.1 Una tappa intermedia: la PTM versione 1.1 ... 82
4.1.1 Considerazioni generali ... 82
4.1.2 Considerazioni conclusive ... 88
4.2 La PTM versione 2.0 ... 88
4.2.1 Considerazioni generali: forma ,dimensioni,montaggio, materiale e accessori principali ... 88
4.2.1.1 Le fasi di montaggio ... 94
4.2.1.2 Scelta del materiale ... 97
4.2.1.3 Scelta del martinetto ... 99
4.2.1.4 La pompa manuale leggera ... 100
4.2.1.5 I manometri... 102
4.2.1.6 Gli adattatori per i manometri ... 107
4.2.1.7 Il tubo flessibile ad alta pressione ... 108
4.2.1.8 I giunti rapidi ... 108
4.2.1.9 Il Circuito oleodinamico ... 109
4.2.2 Dimensionamento preliminare del le parti principali ... 111
4.2.2.1 Piastra di contrasto ... 112
4.2.2.2 Perni ... 113
Indice VI
4.2.2.4 Piastra di base ... 116
4.2.2.5 I distanziatori ... 118
4.2.2.6 Le Teste di carico ... 121
4.2.3 Le modifiche rispetto alla versione precedente ... 122
4.2.3.1 Parte 2A: modifica dell’elemento ... 124
4.2.3.2 Parte 2B e 2C: inserimento ... 125
4.2.3.3 La piastra di base ... 126
4.2.3.4 Filettatura dei perni e smusso degli angoli vivi delle parti ... 128
4.2.4 Valutazione degli spostamenti generati dall’applicazione del carico massimo e dei possibili disassamenti dovuti alle tolleranze di montaggio ... 128
4.2.4.1 Valutazione degli spostamenti generati dall’applicazione del carico ... 128
4.2.4.2 Valutazione dei disassamenti dovuti alle tolleranze di montaggio ... 130
4.2.4.2.1 Tolleranza albero/foro ... 131
4.2.4.2.2 Tolleranze dimensionali... 132
4.2.4.3 Considerazioni conclusive ... 133
4.2.5 Modellazione agli elementi finiti (FEM) ... 134
4.2.5.1 Considerazioni generali ... 134
4.2.5.2 Modellazione della piastra di contrasto (a) ... 139
4.2.5.3 Modellazione dei perni di contrasto superiori (b) ... 142
4.2.5.4 Modellazione delle aste laterali (c,d) ... 145
4.2.5.4.1 Parte 5 ... 145
4.2.5.4.2 Parte 2B ... 148
4.2.5.5 Modellazione della base saldata (e) ... 152
4.2.5.6 Conclusioni ... 156
CAPITOLO 5 ... 157
LA CAMPAGNA DI VALIDAZIONE 2014 DELLA PTM, VERSIONE 2.0 ... 157
5.1 Descrizione del programma sperimentale ... 157
5.2 Le prove sui campioni di calcestruzzo ... 159
5.2.1 Preparazione dei campioni di calcestruzzo ... 159
5.2.1.1 Il Mix Design ... 159
Indice VII
5.2.1.3 La resistenza caratteristica in funzione di a/c
e della classe del cemento ... 162
5.2.1.4 La classe di esposizione ... 163
5.2.1.5 Rapporto acqua/cemento utilizzato ... 163
5.2.1.6 Combinazione degli inerti disponibili ... 164
5.2.1.7 Analisi granulometrica ... 165
5.2.1.8 Distribuzione granulometrica ideale ... 165
5.2.1.9 Tabelle riassuntive del Mix Design ... 167
5.2.1.10 Le Casseforme ... 168
5.2.1.11 Esecuzione dei getti ... 169
5.2.2 Verifica preliminare del funzionamento della PTM 2.0 ... 172
5.2.2.1 Cenni sugli estensimetri elettrici a resistenza ... 172
5.2.2.1.1 La dipendenza dalla temperatura ... 175
5.2.2.2 La scelta dell’estensimetro ... 175
5.2.2.3 Il posizionamento degli estensimetri ... 176
5.2.2.4 Esecuzione delle prove preliminari ... 177
5.2.2.5 Conclusioni sulle prove preliminari di compressione ... 187
5.2.3 Le prove per la determinazione della resistenza caratteristica del calcestruzzo ... 188
5.2.4 La prova di flessione con PTM 2.0 ... 189
5.2.5 La prova di flessione con macchina di laboratorio ... 190
5.2.6 La preparazione delle carote per le prove di compressione ... 192
5.2.7 La prova di compressione con PTM 2.0 ... 193
5.2.8 La prova di compressione con macchina di laboratorio ... 196
5.3 Le prove sui campioni di malta ... 197
5.3.1 Preparazione dei campioni di malta ... 197
5.3.2 La prova di flessione con PTM 2.0 ... 203
5.3.3 La prova di flessione con macchina di laboratorio ... 205
5.3.4 La prova di compressione con PTM 2.0 ... 206
5.3.5 La prova di compressione con macchina di laboratorio ... 207
5.4 Discussione sui risultati ottenuti ... 208
5.4.1 Confronto critico tra le prove condotte su test provenienti da uno stesso materiale ... 209
5.4.1.1 Risultati delle prove di compressione sui cubi di lato 10 cm ... 209
5.4.1.2 La Prova di flessione sul calcestruzzo ... 210
Indice VIII
5.4.1.4 La Prova di flessione sulla malta ... 221
5.4.1.5 La Prova di compressione sulla malta ... 223
CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE ... 226
BIBLIOGRAFIA ... 229 APPENDICE A0: I DISEGNI DELLA PTM 1.0
APPENDICE A1: I DISEGNI DELLA PTM 1.1 APPENDICE A2: I DISEGNI DELLA PTM 2.0
APPENDICE B: RISULTATI DELLA MODELLAZIONE FEM PTM 2.0 APPENDICE C: I CERTIFICATI DI PROVA DELLA CAMPAGNA SPERIMENTALE SULLA PTM 1.0
APPENDICE D: I CERTIFICATI DI PROVA DELLA CAMPAGNA SPERIMENTALE SULLA PTM 2.0
IX
“Ogni educazione unilaterale comporta un rischio.
Essa rende inetti alle attività meno spesso esercitate, e limita in tal modo la
visione del tutto: ma, quel che è peggio, induce facilmente a sopravvalutare se
stessi. Chi sia consapevole di compiere un certo tipo di lavoro intellettuale
molto meglio di altri uomini, dimentica facilmente di non saper fare che una
delle cose che altri sanno fare molto meglio di lui; e la sopravvalutazione di se
stessi - lo ricordino tutti coloro che si dedicano alla scienza - è il peggior
nemico di ogni attività scientifica.”
[Hermann von Helmholtz, 1862]
Il solo ed unico ringraziamento che mi sento di fare non può che essere per
la mia famiglia, senza di loro niente di tutto questo sarebbe stato possibile.
A Mamma, Papi e Marta.
X
UN NUOVO DISPOSITIVO DI PROVA PORTATILE:
DIMENSIONAMENTO, REALIZZAZIONE E USO PER PROVE DI
COMPRESSIONE E FLESSIONE
Introduzione 11
INTRODUZIONE
Il processo costruttivo che porta alla realizzazione di un’opera di ingegneria civile richiede una serie di controlli che permettano di stabilire l’effettiva qualità dell’opera costruita e di verificarne la rispondenza alle specifiche previste in fase di progettazione. A questo riguardo, i tecnici e i professionisti che operano nel settore dell’ingegneria civile in paesi tecnologicamente avanzati, quali quelli ad esempio dell’Unione Europea, si avvalgono per queste operazioni di controllo e di verifica di tutto un sistema di norme, codici, buone pratiche, enti di controllo e laboratori ufficiali che permettono di eseguire le verifiche previste ai diversi livelli (qualità della progettazione, dei materiali impiegati e dei manufatti realizzati) con il desiderato grado di affidabilità e precisione. Per quanto riguarda in particolare le proprietà meccaniche dei materiali impiegati nella costruzione, i controlli che nell’Unione Europea sono ritenuti indispensabili consistono nella verifica della rispondenza alle normative cosiddette di prodotto (la marchiatura CE) e nel superamento con esito positivo di prove di rottura su campioni, codificate da norme tecniche e la cui esecuzione è affidata a laboratori accreditati.
La misura delle proprietà meccaniche dei materiali da costruzione, che nei paesi tecnologicamente avanzati è ottenuta di regola mediante l’esecuzione di prove standard condotte in laboratori ufficialmente riconosciuti a questo scopo, è resa notevolmente più problematica e difficoltosa in tutte quelle regioni caratterizzate dalla presenza di contesti riconducibili a disastri naturali, guerre e arretratezza tecnica. In tali situazioni, la carenza di attrezzature tecniche e il costo che occorrerebbe sostenere per l’utilizzo di quelle disponibili rappresenta una forte limitazione che condiziona sensibilmente la effettiva possibilità di eseguire controlli efficaci, fatta eccezione per opere di particolare importanza o dimensione. Il dispositivo portatile per l’esecuzione di prove di resistenza sui materiali da costruzione descritto nella presente tesi, brevettato recentemente dall’Università di Pisa, rappresenta una possibile risorsa strumentale per i tecnici impegnati nella realizzazione, nel controllo e nel collaudo di opere civili collocate in paesi nei quali sono presenti, per motivi diversi, condizioni di arretratezza tecnica. Il dispositivo, che si caratterizza per leggerezza, semplicità
Introduzione 12 d’uso e versatilità, è costituito da un semplice telaio d’acciaio al cui interno è collocato un martinetto idraulico. Il telaio è concepito in modo da poter variare la propria configurazione geometrica in funzione della particolare prova che si intende svolgere, e cioè: prove di rottura a flessione, a uno o due coltelli, a compressione, e prove di piegamento di barre d’acciaio per cemento armato.
La presente tesi è articolata in cinque capitoli. Il primo capitolo della tesi offre una descrizione per sommi capi dell’evoluzione compiuta dalle macchine da prova per materiali da costruzione nel corso degli ultimi sei secoli. Il Capitolo 2 illustra il primo prototipo del dispositivo portatile di prova sui materiali da costruzione (PTM 1.0), realizzato nel 2010; il successivo Capitolo 3 descrive la campagna sperimentale per la sua validazione, condotta nel biennio 2010/2011 nel Laboratorio Ufficiale per le Esperienze sui Materiali da Costruzione. Nello stesso capitolo è presentata anche un’analisi statistica dei risultati ottenuti nel corso di tali prove. Infine, nei Capitoli 4 e 5, viene descritto il progetto, la realizzazione e la recente campagna sperimentale condotta utilizzando l’ultima versione del dispositivo portatile (PTM 2.0), con particolare attenzione all’analisi critica dei risultati sperimentali ottenuti.
