Machine (PTM), versione 1.0
Descrizione della prima versione di Portable Testing Machine brevettata dall’Università di Pisa. Illustrazione delle diverse parti che compongono la PTM e dei diversi tipi di prova che possono essere eseguite.
2.1
La PTM 1.0: principi di funzionamento e caratteristiche generali
Un dispositivo portatile di prova, per poter essere uno strumento efficace, deve possedere almeno i seguenti requisiti.
- Leggerezza: il dispositivo deve essere di peso contenuto, in modo che sia facilmente trasportabile.
- Semplicità d’uso: essere di semplice utilizzo, così da permetterne l’uso anche da parte di personale non altamente specializzato.
- Versatilità: il dispositivo deve essere in grado di eseguire prove su diversi materiali da costruzione.
Il dispositivo che è stato ideato e realizzato è estremamente semplice ed è costituito da un telaio in acciaio al cui interno è incorporato un martinetto idraulico a cui sono collegati vari dispositivi di misura. Il telaio è concepito in modo da poter assumere configurazioni geometriche diverse in funzione della prova che si ha intenzione di svolgere:
- provedi flessione in cui lo schema di carico è quello di trave su due appoggi, distanti 30 centimetri, caricata da due carichi concentrati applicati ad un terzo e due terzi della luce libera;
- prove di flessione in cui lo schema di carico è quello di trave su due appoggi, distanti 20 o 10 centimetri, caricata da un carico concentrato in mezzeria;
- prove di compressione su provini prismatici o cilindrici; - prove di piegamento di barre d’acciaio per cemento armato.
Le prove, che vengono svolte tutte in controllo di forza, possono essere condotte, a seconda delle necessità, fino alla rottura, nel caso di materiali fragili, o allo snervamento, nel caso dei materiali duttili. A corredo del dispositivo sono stati realizzati alcuni elementi accessori che vengono utilizzati nelle varie prove.
Figura 2.1 – Due configurazioni di prova della PTM 1.0
Gli schemi di carico, nonché le dimensioni dei provini che possono essere testati con il macchinario, sono stati scelti in modo da avvicinarsi il più possibile a quelli corrispondenti proposti dalla normativa UNI per i vari tipi di materiale.
Riportiamo nel seguito una serie di figure riguardanti le tre configurazioni assumibili dalla PTM 1.0 a seconda del tipo di prova, con i disegni geometrici e le relative quote (in mm), in modo tale da definire le dimensioni dell’ingombro volumetrico del prototipo.
Essendo l’intero telaio, ad eccezione della piastra di base (che è interamente saldata), componibile, si è scelto di dare una numerazione progressiva alle parti che lo compongono. Tale numerazione è riportata nella Figura 2.7, che comprende una vista esplosa delle parti; i disegni delle varie componenti e delle configurazioni sono consultabili nell’APPENDICE A0.
Figura 2.2 – PTM 1.0, configurazioni possibili
2.2
Le parti metalliche
2.2.1 Il telaio
Il telaio del macchinario è costituito da lamiere di spessore 0,5 centimetri in Fe360 (S 275). La base è costituita da un prisma di lamiera percorsa al suo interno da altre due lamiere longitudinali che hanno la funzione di irrigidimento. Sia gli irrigidimenti interni che le due facce laterali del basamento presentano due fori del diametro di 2 centimetri. Sul basamento sono saldate le due aste guida centrali e in corrispondenza dei fori sono incernierati i due bracci verticali. I bracci verticali sono degli elementi costituiti ognuno da due lamiere saldate ad una estremità ad un cilindro che ha la funzione di costituire sia un contrasto contro cui verrà forzato il provino durante le prove, che un elemento di aggancio per l’asta orizzontale del telaio. Dato l’esiguo diametro del cilindro, per evitare che durante le prove si formassero delle zone di plasticizzazione, al cilindro ed ai bracci è stata saldata una ulteriore piastra in maniera da aumentare il momento d’inerzia dell’elemento di contrasto andando così a costituire uno dei due coltelli di carico del macchinario.
2.2.2 Le teste di carico
2.2.2.1 Testa di carico ad un coltello
Trattasi di un basamento in acciaio, dello spessore di due centimetri su cui sono saldate nella parte superiore un cilindro con un diametro di 10 millimetri, dall’altro lato un tubo della lunghezza di 4 centimetri e della larghezza di 2,5 centimetri. La funzione del cilindro in acciaio pieno da 10 millimetri è quella di realizzare un coltello di carico con il quale effettuare prove di flessione. Nella parte inferiore del basamento sono presenti dei ganci in acciaio armonico: la funzione di questi ganci è quella di collegare la testa di carico al calibro digitale per permetter la lettura degli spostamenti della testa durante le prove.
maggiori della piastra.
Anche in questo caso i cilindri sono stati scelti per avvicinarsi il più possibile alla normativa norme per provini in acciaio e per prove su calcestruzzi le quali prevedono l’utilizzo di coltelli con diametro 10 millimetri e distanza tra loro 10 centimetri. Nello spazio tra i due coltelli, in corrispondenza del baricentro della piastra, sono state inserite due sagome di plastica per consentire l’alloggiamento di altri due elementi che sono due prismi a base quadrate di lati 3 e 4 centimetri. I prismi sono alti circa 1,5 centimetri e la loro funzione è quella di consentire l’effettuazione di prove di compressione su microprovini in calcestruzzo.
2.3
Il martinetto idraulico e le strumentazioni di misura
Il macchinario è equipaggiato con vari strumenti di misura che servono a seconda del tipo di prova che si deve svolgere ed un martinetto idraulico atto all’applicazione dei carichi.
2.3.1 Il martinetto idraulico ad azionamento manuale
È lo strumento che permette di applicare i carichi ai provini. Il cilindro ed il pistone sono incastrati su una base di ghisa al cui interno si trovano tutti i circuiti oleodinamici deputati al funzionamento del martinetto. Inoltre sono state apportate delle modifiche per poter permettere l’utilizzo dei manometri in quanto il dispositivo non nasce in gradi di misurare le pressioni. Il pistone di carico è costituito da un cilindro cavo in acciaio, filettato internamente, al cui interno è inserito un cilindro di acciaio pieno filettato. Questo dispositivo consente di posizionare la testa del martinetto direttamente a contatto con il provino senza dover esercitare pressioni. La portata massima raggiungibile è di 500 bar.
Inoltre il manometro è dotato di un ago trascinato, o morto, la cui funzione è quella di indicare il carico massimo raggiunto durante la prova.
Figura 2.8 – Manometro 400 bar
Tale manometro è stato tarato con l’ausilio delle macchine presenti nel Laboratorio Ufficiale per lre Esperienze sui Materiali da Costruzione. La taratura ha permesso di determinare una relazione lineare tra la pressione letta dal manometro (in bar) e l’effettivo carico applicato dal martinetto durante una prova (in kN). La macchina che è stata utilizzata è una Instron, operante in controllo di spostamento. La forza applicata dalla Instron è stata misurata direttamente dalla strumentazione di cui è dotata la macchina stessa, impostando un valore di fondo scala pari a 50 kN. La prova è stata ripetuta 6 volte, e si è calcolata la media delle letture registrate. Con i valori ricavati, è stato costruito un diagramma a dispersione, riportando in ascissa le misure di pressione sul manometro, ed in ordinata il carico in kN applicato dalla Instron. Infine, è stata ricostruita la retta di tendenza dei dati che ci fornisce proprio il legame che stavamo cercando.
La relazione che lega pressione e forza esercitata è espressa dalla seguente equazione:
ܨሺሻ ൌ ͻǡͻͷ ή ሺሻ Ͳǡʹ (2.1)
pressione (bar) L1 L2 L3 L4 L5 L6 media letture (% di 50KN) media letture (KN) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 20 5,7 5,5 5,6 2,8 40 9,4 9,3 9,35 4,67 50 11,6 11,6 11,2 11,46 5,7 60 13 13,7 13,35 6,67 80 17,2 17,6 17,4 8,7 100 21,4 21,5 21,12 21,6 21,43 21,05 21,35 10,67 120 25,15 25 25,07 12,53 140 29,1 29,4 29,25 14,62 150 31,18 31,1 31,43 31,18 31,22 15,61 160 33 32,8 32,9 16,45 180 36,7 36,7 36,7 18,35 200 40,75 40,8 40,8 40,8 42,3 41,38 41,14 20,57 220 44,5 44,6 44,55 22,275 240 49 48,6 48,8 24,4 250 50,5 50,4 52,3 51,6 51,2 25,6 260 52,6 52,6 52,6 26,3 280 56,7 56,9 56,8 28,4 300 60,5 61 60,55 60,8 62,7 62,12 61,28 30,64
Figura 2.9 – Grafico dei dati ottenuti e retta di tendenza per il manometro da 400 bar
2.3.3 Manometro analogico da 25 bar
È simile in tutto e per tutto al manometro descritto in precedenza, ad eccezione del fondo scala, che è di 25 bar.
Figura 2.10 – Manometro 25 bar 0
0 50 100 150 200 250 300 350
bar
Tale manometro è stato tarato identicamente con il metodo descritto al paragrafo precedente. La relazione che lega pressione e forza esercitata è espressa dalla seguente equazione:
ܨሺሻ ൌ ͻǡ͵ͺ ή ሺሻ െ Ͷ͵ǡͺ (2.2)
pressione (bar) L1 L2 L3 L4 L5 media letture
(% di 5 KN) media letture (KN) 0 -6,4 -6,6 -7 -7,9 -6,975 -0,348 2,5 -5,27 -4,7 -4,7 -4,9 -6 -5,114 -0,25 5 0,13 0,5 0,25 0,1 -0,25 0,146 0,007 7,5 5,1 5,5 5,2 5,2 4,6 5,12 0,256 10 9,5 9,8 9,5 9,5 9,3 9,52 0,476 12,5 14 15,4 14,4 14,6 14,3 14,54 0,727 15 19,2 19,6 19,6 19,4 19,4 19,44 0,972 17,5 23,6 24,2 24 24 24,2 24 1,2 20 28,4 29,2 28,4 29,3 29,1 28,88 1,444 22,5 33,1 34,1 33,4 34 33,7 33,66 1,683 25 37,8 38,7 38,3 38,6 38,8 38,44 1,922
Tabella 2.11 – Taratura manometro 25 bar
Figura 2.12 - Grafico dei dati ottenuti e retta di tendenza per il manometro da 25 bar y = 0,0938x - 0,438 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 10 20 30 K N bar Serie1 Lineare (Serie1) m = 0,0938
un calibro centesimale, la sua precisione arriva fino al centesimo di millimetro.
