13. Caratterizzazione sperimentale

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1 B. Zurello rogettzione meni on mterili non onvenzionli Generlità 13. Crtterizzzione sperimentle Nell progettzione on mterili ompositi è prssi piuttosto onsolidt vlutre le rtteristihe dell singol lmin prtire d quelle dei singoli omponenti, fibr e mtrie, utilizzndo le relzioni dell miromeni. Tle pproio, speie utilizzndo uno strumento di lolo utomtio, h il vntggio di permettere un rpid vlutzione delle proprietà dell singol lmin e quindi del lminto utilizzndo l teori lssi dei lminti. Come visto i pitoli preedenti, miromeni e mromeni permettono un ttendibile vlutzione delle prinipli proprietà elstihe di lmin (miromeni) e lminti (mromeni) mentre meno ttendibili risultno le previsioni teorihe ir l resistenz, per l qule è sempre buon norm fre riferimento risultti sperimentli reltivi llo stesso mterile o, in ssenz di questi, mterili simili. Si è gi visto ome il omportmento elstio di un lmin ortotrop è univomente definit nel pino d 4 ostnti: due moduli di elstiità longitudinle, uno trsversle ed un oeffiiente di oisson. L resistenz è definit invee d 5 prmetri: l resistenz trzione e ompressione in direzione longitudinle e trsversle e l resistenz tglio. Le prove sperimentli sui ompositi permettono in genere di determinre si le rtteristihe elstihe (he possono servire l minimo onvlidre i risultti dell miromeni), si l resistenz meni dell lmin ortotrop he ostituise il lssio mttone on ui si ostruisono i lminti. er le prove sperimentli si utilizzno solitmente lminti unidirezionli il ui omportmento è evidentemente lo stesso di quello dell singol lmin. Non mnno però si in ui non disponendo di lminti unidirezionli le prove sono ondotte su lminti on lmine disposte in modo vrio. In questi si le rtteristihe dell singol lmin sono dedotte prtire di dti sperimentli utilizzndo, ritroso, l teori lssi dell lminzione. Nel seguito sono esposte le prove sperimentli di più lrgo uso per l determinzione delle proprietà elstihe e dell resistenz stti dei mterili ompositi. er qusi tutte le prove esistono delle norme (vedi per esempio le merine ASTM) he ne stbilisono in sintesi modlità e limitzioni prinipli. Si rimnd queste per mggiori dettgli sull rgomento rov di trzione Come per i mterili trdizionli, nhe per i ompositi l prov di rtterizzzione più semplie ed llo stesso tempo più ust è quell di trzione. Ess onsente l determinzione dei moduli di elstiità longitudinli E L ed E T, del oeffiiente di oisson ν LT e dell resistenz trzione in direzione longitudinle (σ L,R ) e trsversle (σ T,R ). oihé il mterile omposito è disponibile in form di lminti, per quest prov sono solitmente utilizzti provini sezione trsversle rettngolre del tipo illustrti in fig.1. Con riferimento ll geometri delle teste si distinguono due tipi di provini: provini dog bone on teste rordte (fig.1), e provini retti on rinforzi di estremità (fig.1b). Inoltre, il ollegmento di tli provini on l mhin di rio può vvenire o medinte foro e spin (fig.1) o medinte gnse (vedi fig.1d). Tr le vrie possibili onfigurzioni del provino l migliore è quell on teste rettilinee rinforzte mmorst on idonee gnse. L uso del provino dog bone, inftti, può dr luogo rotture in orrispondenz del rordo rendendo osi diffiile l vlutzione delle rtteristihe di resistenz. Il ollegmento on foro e spin inoltre è pure d evitre in qunto può dr luogo fili rotture per tglio in prossimità del foro. 130

2 B. Zurello rogettzione meni on mterili non onvenzionli () (d) () (b) Fig.1 Geometri di provini usti nell prov di trzione e modlità di mmorsggio: () provino tipo dog bone, (b) provino rettilineo on rinforzi, () ollegmento foro spin e (d) ollegmento gnse. er l determinzione delle proprietà elstihe del omposito è neessrio misurre, oltre il rio pplito, nhe le deformzioni longitudinle e trsversle subite dl provino nell zon utile entrle. A tl fine il rio è generlmente misurto medinte l ell di rio di ui solitmente dispone l mhin di prov mentre le deformzioni sono misurte medinte uso di estensometri o estensimetri disposti in direzione longitudinle e trsversle. L uso di un provino on fibre llinete ol rio permette in prti di rilevre il modulo di Young longitudinle E L (tngente ll urv σ L ε L ll origine), il oeffiiente di oisson mggiore ν LT pri ll opposto del rpporto tr deformzione trsversle e longitudinle, e l resistenz rottur trzione longitudinle σ L,R, pri l rpporto tr rio di rottur e sezione resistente. L uso di un provino on fibre ortogonli l rio permette in modo nlogo di ottenere il modulo di Young in direzione trsversle E T e l resistenz rottur trzione in direzione trsversle (σ T,R ). Utilizzndo provini on fibre inlinte rispetto ll sse del provino si possono determinre direttmente nhe le proprietà elstihe in un generi direzione. In questo so è però neessrio tenere onto dell oppimento tr trzione e tglio: il rio di trzione semplie pplito produe nhe distorsioni del provino he rigore non devono essere impedite dl dispositivo di bloggio (gnse) he ltrimenti finise per pplire nhe un distribuzione di tensioni tngenzili he possono modifire lo stto di deformzione. Tli inonvenienti, he possono essere in grn prte risolti utilizzndo un provino snello (rpporto lunghezz/lrghezz mggiore di 1) ed eseguendo le misure rigorosmente nell prte entrle del provino, fnno si he nell prti omune si preferise determinre direttmente solo le grndezze elstihe prinipli (seondo gli ssi del mterile) mentre quelle reltive d un generi direzione sono vlutte medinte le relzioni teorihe dedotte utilizzndo le leggi di trsformzione di tensioni e deformzioni nell intorno del punto (vedi p.4). In lterntiv ll prov di trzione, le stesse rtteristihe del mterile possono essere determinte medinte prov di flessione eseguit utilizzndo un provino ottenuto inollndo sulle due fe opposte di un ore in lluminio o simili, due provini spezzoni di lminto. In questo modo si può eseguire ontempornemente si l prov di trzione he di ompressione e si possono utilizzre nhe lmine sottili. Questo tipo di provino è utilizzto prtiolrmente in mpo eronutio ove sono molto diffusi elementi sndih di questo tipo rov di ompressione Rispetto ll prov di trzione l prov di ompressione risult ertmente ben più ompless per le diffioltà legte possibile instbilità del provino e nonhé fenomeni di shiimento e sfibrmento (brooming) delle estremità (vedi fig.). Al fine di limitre l instbilità si usno provini di grosso spessore ovvero opportune guide lterli pi di impedire l inflessione del provino. Al fine di evitre invee gli effetti di brooming si riorre ll uso di morsetti di estremità, ioè di elementi di ontenimento ppliti lle estremità del 131

3 B. Zurello rogettzione meni on mterili non onvenzionli provino (vedi fig.b). Come nell prov di trzione, il rio pplito l provino viene misurto trmite l ell di rio di ui è dott l mhin di prov mentre le deformzioni sono misurte on estensimetri elettrii resistenz (l uso di estensometri è or reso diffiile dgli elevti spessori del provino). shiimento e sfibrmento () (b) Fig. rovini usti nell prov di ompressione: () provino semplie e (b) on morsetti di estremità. Le rtteristihe elstihe si determinno in modo del tutto nlogo qunto visto per l trzione. er qunto onerne invee l determinzione dell resistenz ompressione è in genere neessrio usre un provino on prte entrle sezione ridott l fine di evitre he l rottur vveng nelle zone terminli mmorste. Ovvimente l uso dei provini trve sndih permette ove possibile di evitre l mggior prte di tli inonvenienti rov di tglio Medinte l prov di tglio si determinno l resistenz tglio τ LT,R ed il modulo di elstiità trsversle G LT. E neessrio tl fine ssoggettre il mterile d uno stto di tensione di tglio puro. Il modo più semplie per ottenere iò onsiste nell ssoggettre un ilindro vo di piolo spessore d un solleitzione di momento torente semplie (vedi fig.3). L M t LT T M t t r Fig.3 rovino ilindrio usto nell prov di tglio: geometri e notzione generle. er ilindro di piolo spessore le vrizioni delle tensioni tngenzili nello spessore possono ritenersi trsurbili. Con fibre llinete on l sse del ilindro l tensione tngenzile τ LT è legt l momento torente dll not relzione: M t τ LT on Ω πr. (1) Ωt Tenendo onto dell oppimento torsione-trzione è neessrio he il ollegmento del tubo on 13

4 B. Zurello rogettzione meni on mterili non onvenzionli l mhin di prov onsent l liber deformzione ssile del provino durnte l prov. er l determinzione di resistenz e modulo di tglio è neessrio misurre il momento torente pplito e lo sorrimento. Come l solito il momento pplito viene determinto medinte l ell di rio dell mhin di prov mentre lo sorrimento è determinto utilizzndo estensimetri elettrii resistenz instllti seondo elihe inlinte di 45 rispetto ll sse del ilindro. E quest inftti l direzione dell mssim deformzione priniple ε mx he risult pri ll metà dello sorrimento (vedi erhi di Mohr), ioè ε mx ε 45 γ LT /. Opportuni orgimenti devono pure essere usti per evitre il verifirsi di fenomeni di instbilità (guide usilirie) nonhé per evitre he l rottur vveng in prossimità delle estremità mmorste (rinforzi di estremità). Non disponendo di elementi ilindrii vi, l prov di tglio può essere eseguit in lterntiv on dispositivi he permettono l uso dei omuni lminti pini. Tr i vri tests messi punto i più usti sono il piture frme test nel qule il provino, ostituito d un lstr qudrt, è imbullonto i quttro lti d un qudriltero deformbile (vedi fig.4), il ril sher test nel qule un strisi di lminto viene imbullont i due lti lunghi due brre metllihe soggette trzione (vedi fig.4b) ed il sndih ross-bem test, nel qule un lstr roe viene inollt d un ore soggetto d un sistem di rihi seondo lo shem indito in fig.4. brre metllihe direzione rio lmin ore provino ER ) piture frme test b) ril sher test ) sndih ross-bem test Fig.4 Altri tests e reltivi dispositivi di rio utilizzti per l rtterizzzione tglio. Tli tests non permettono in genere l determinzione di entrmbe le rierte rtteristihe del mterile, ioè il modulo di elstiità trsversle e l resistenz tglio. er esempio il piture frme test permette l determinzione dell resistenz tglio del mterile m non del modulo di elstiità trsversle in qunto il qudriltero onsente di ottenere uno stto tensionle di tglio puro solo in prossimità del ontorno del modello e non l entro dello stesso. Al ontrrio il ril sher test può essere vntggiosmente utilizzto soltnto per l determinzione del modulo di elstiità trsversle, purhé il modello si suffiientemente snello (l/b>1). Similmente il sndih ross-bem test può essere utilizzto solo per l determinzione del modulo di elstiità trsversle purhé l estensimetro si suffiientemente piolo e situto nell zon entrle del provino. Con questo provino inftti l resistenz rottur non può essere misurt per vi delle elevte onentrzioni di tensione he si verifino in orrispondenz degli ngoli interni del provino rov di flessione Sovente i lminti ompositi sono utilizzti per l relizzzione di elementi soggetti solleitzione on flessione predominnte. In questi si è prtiolrmente utile onosere l resistenz flessione di tli lminti. Le prove più lrgmente utilizzte tl fine sono l prov di flessione 3 punti e l prov di flessione 4 punti (vedi fig.5). 133

5 B. Zurello rogettzione meni on mterili non onvenzionli () (b) Fig.5 rov di flessione: () flessione 3 punti e (b) flessione 4 punti. L prov 3 punti è più semplie di quell 4 punti m d luogo d un momento flettente vribile lungo l sse dell trve, mentre l prov 4 punti permette di ottenere nell zon entrle ompres tr i due rihi un momento flettente ostnte senz sforzi di tglio. Nell prov 3 punti l presenz del tglio può indurre rottur per delminzione piuttosto he per flessione (rottur delle fibre) rendendo osì impossibile l orrett determinzione dell resistenz flessione. Questo fenomeno si può nhe verifire nel provino 4 punti, limittmente lle due zone lterli. Al fine di evitre tli inonvenienti è neessrio umentre qunto possibile il rpporto R f/t tr l mssim solleitzione di flessione (he vviene in superfiie) e l mssim solleitzione di tglio (he vviene sull sse neutro), ioè: L l R f / t τ σ mx mx 6M /( bh ) 3 /(bh) 4M h L / h ( L l) / h (3 punti) (4 punti) () L uso di rpporti troppo elevti può però dr luogo free eessive (non linerità) on nsit di nomle rezioni vinolri orizzontli. Al fine di evitre tli inonvenienti è bene usre vlori di R f/t non superiori 16. Nel so di lminti non simmetrii, nei quli si h un oppimento tr flessione e torsione, l prov può essere omplit d disthi przili del provino dgli ppoggi usti dll deformzione di torsione. In questi si, l fine di minimizzrne gli effetti sul risultto dell prov, è neessrio utilizzre provini reltivmente llungti ed ppoggi bilterli rov di delminzione Come visto nei pitoli preedenti, l rottur di un lminto può vvenire sovente seguito di delminzione ust dll onentrzione di un elevto numero di difetti in prossimità dell interfi tr due lmine suessive ovvero dll presenz di elevte tensioni interlminri. er qunto osservto l pitolo preedente, l resistenz ll delminzione di un lminto omposito può essere determint medinte uso di un trve ort on bsso rpporto R f/t (shortbem sher test). Le dimensioni dell trve vnno fisste in modo d ssiurre he l rottur dell stess vveng per tglio (delminzione) e non per flessione (rottur delle fibre). L delminzione vviene solitmente medinte formzione e resit di un ri interlminre in prossimità dell sse neutro. In lterntiv ll trve ort si possono pure usre due provini intgliti ome in fig.6 soggetti uno trzione ed uno ompressione. L profondità degli intgli v opportunmente regolt in modo d vere un rottur per delminzione piuttosto he per trzione in orrispondenz dell zon di onentrzione delle tensioni. Si trtt omunque di un prov più ompless dell preedente he per questo è in ssoluto l prov di delminzione più utilizzt. 134

6 B. Zurello rogettzione meni on mterili non onvenzionli ompressione trzione Fig.6 rov di delminzione medinte uso di oppi di provini intgliti rov di frttur Come visto i pitoli preedenti, i onetti dell meni dell frttur sviluppti per i mterili trdizionli, possono essere in line di prinipio estesi nhe i mterili nisotropi ome i lminti ompositi fibre lunghe, sebbene l loro utilità risult soggett notevoli limitzioni stndo il ftto he nei ompositi, differenz di qunto de negli isotropi, us dell intrinse eterogeneità del mterile, le modlità di propgzione di un stess ri possono differire signifitivmente d un prov ll ltr (prove non ripetibili) e l usule presenz di rihe multiple risult di diffiile trttzione. I onetti dell MFLE sono di più file pplizione nei ompositi fibre orte he esibisono in prti un omportmento isotropo nel pino del lminto. L resistenz ll frttur di un omposito viene determint utilizzndo provini del tutto simili quelli in uso per i mterili trdizionli. In prtiolre sono utilizzti (vedi fig.7) il provino trzione on singol ri lterle (single-edge-nothed, SEN) o on doppi ri lterle (double-edge-nothed, DEN), ed il provino soggetto flessione per 3 punti on ri in mezzeri (nothed-bend test, NBT). (L>3) L L (L>4) (SEN) (DEN) (NBT) Fig.7 rov di resistenz frttur: geometri dei provini utilizzti e nomenltur. er isun prov il vlore ritio del fttore di intensifizione delle tensioni viene determinto in prti on le stesse formule uste per i mterili isotropi. er tutte e tre le prove il vlore ritio del fttore di intensifizione delle tensioni è legto rio, geometri e dimensioni inizili dell ri dll relzione generle: K I σ β (3) R nell qule σ R è l tensione medi di rottur trzione per provini tipo SEN e DEN, l mssim tensione di flessione ll rottur per provini tipo NBT. Il fttore geometrio β è lo stesso di quello usto per i mterili isotropi e vle: 135

7 B. Zurello rogettzione meni on mterili non onvenzionli 136 per SEN: β (4) per DEN: β (5) per NBT: β (6)