CAPITOLO 12 Materiali compositi ESERCIZI CON SOLUZIONE SVOLTA. Problemi di conoscenza comprensione

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Rosina Guerra
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1 CAPITOLO 12 Materiali compositi ESERCIZI CON SOLUZIONE SVOLTA Problemi di conoscenza comprensione 12.6 Se si vuole una fibra di carbonio ad elevatissima resistenza meccanica a trazione, devono essere eseguiti solo i primi due stadi stabilizzazione e carbonizzazione dal momento che la grafitizzazione aumenta l elasticità a spese della resistenza meccanica. Quindi, se si volesse una fibra con elevatissimo modulo di elasticità, occorre completare tutti i tre stadi di lavorazione Nel processo a sacco a vuoto in autoclave, una lastra sottile di materiale preimpregnato, composto da lunghe fibre di carbonio in una matrice di resina epossidica parzialmente reticolata, è disposto su un tavolo. Vengono tagliati pezzi di lastra preimpregnata e posizionati uno sull altro su un utensile con sagomato in modo che il loro orientamento darà al materiale la desiderata resistenza meccanica. L attrezzatura e il laminato attaccato sono poi trattati al sacco sotto vuoto, per rimuovere l aria intrappolata. Successivamente, il sacco a vuoto contenente il laminato e l attrezzatura, viene posto in autoclave per la reticolazione della resina epossidica ad una temperatura e una pressione di circa 190 C e 0.7 MPa, rispettivamente. Infine, l assemblato viene tolto dall autoclave e il pezzo in composito viene staccato dall attrezzatura Designazione ASTM C150 I II III IV V Condizioni generali di utilizzo Uso generale Moderato calore di idratazione; moderata resistenza ai solfati Rapido indurimento Basso calore di idratazione Resistente ai solfati Applicazioni pavimentazione dei marciapiedi, strutture in cemento armato di edifici, ponti, fognature, serbatoi e cisterne utilizzato in climi caldi per grandi strutture come contrafforti e grandi muri di contenimento usato quando una struttura in calcestruzzo deve essere tolta velocemente da una struttura e posta velocemente in esercizio impiegato per strutture massicce in calcestruzzo come grosse dighe a gravità dove il calore generato dal cemento è un fattore critico usato in applicazioni dove il calcestruzzo è esposto a terreni e acque ad alto contenuto di solfati La sezione di un albero è composta da strati aventi le seguenti funzioni: 1. La corteccia esterna è composta da tessuto secco e morto e costituisce la protezione esterna dell albero; 2. La corteccia più interna è uno strato umido e tenero e porta nutrienti dalle foglie a tutte le parti in

2 crescita dell albero; 3. Il cambio è lo strato di tessuto tra la corteccia e il legno che forma le cellule del legno e della corteccia. 4. L alburno è il legno di colore chiaro che forma la parte più esterna del tronco dell albero. L alburno contiene alcune cellule viventi che hanno la funzione di immagazzinare i nutrienti e trasportare la linfa dalle radici alle foglie dell albero. 5. Il durame è la regione interna più vecchia del fusto dell albero che non è più vitale. Il durame è di solito più scuro dell alburno e garantisce la resistenza meccanica all albero. 6. Il midollo è il tessuto tenero al centro del fusto attorno al quale ha origine la prima crescita dell albero L asse tangenziale è parallelo agli anelli annuali di crescita mentre l asse radiale è perpendicolare agli anelli annuali di crescita I principali costituenti di una cellula del legno sono cellulosa, emicellulosa e lignina. La cellulosa, un polimero lineare costituito da unità elementari di glucosio con un grado di polimerizzazione compreso tra 5000 e 10000,costituisce il 45-50% del materiale solido del legno. Il legame covalente all interno e tra queste unità di glucosio origina una molecola lineare e rigida con un elevata resistenza meccanica a trazione. Inoltre, il legame laterale tra le unità è di tipo idrogeno e dipolare permanente. L emicellulosa è una molecola amorfa ramificata contenente diversi tipi di zuccheri e costituisce il 20-25% della materia solida del legno. La lignina, che costituisce il rimanente 20-30% in peso del legno, rappresenta materiali polimerici reticolati con struttura complessa formata da unità fenoliche. Problemi di applicazioni e analisi Ci sono legami chimici covalenti all interno delle fibre aramidiche, mentre ci sono legami idrogeno tra le fibre aramidiche Le due più importanti materie plastiche per matrici per compositi a matrice polimerica con rinforzo fibroso sono i poliesteri insaturi e le resine epossidiche. Le resine poliesteri hanno costo minore, mentre le resine epossidiche hanno maggiore resistenza meccanica e ritiro dopo reticolazione Le fibre di carbonio contribuiscono alle alte proprietà a trazione per la rigidezza e la resistenza meccanica, mentre la matrice contribuisce all allineamento delle fibre e contribuisce a resistenza all impatto È importante evitare o ridurre la rapida evaporazione dell acqua dalla superficie del calcestruzzo durante i primi giorni di indurimento per raggiungere i voluti valori di resistenza meccanica e durabilità. La resistenza meccanica a compressione del calcestruzzo fatto con cementi di tipo ASTM continua ad aumentare significativamente per periodi di tempo dell ordine di un mese o un anno Poiché il rapporto acqua-cemento in peso aumenta, la resistenza meccanica a compressione del calcestruzzo diminuisce significativamente. Per raggiungere una resistenza a compressione pari a 37.9 MPa in un calcestruzzo normale, è richiesto un rapporto approssimativamente pari a 0.4. Se il rapporto acquacemento è aumentato ad un valore alto, ad esempio 0.7, la resistenza meccanica a compressione è significativamente ridotta; per un calcestruzzo normale, la resistenza meccanica diventa approssimativamente pari a 18.6 MPa. Mentre valori di rapporto bassi aumentano la resistenza meccanica,

3 abbassando troppo un valore si rende difficoltoso lavorare il calcestruzzo e riempire completamente le forme Gli sforzi di compressione in un cemento armato post-tensionato vengono introdotti mediante tendini di acciaio che sono deformati in seguito a indurimento del cemento. I tiranti, posti in condotti cavi, sono soggetti a tensione mediante una camicia dopo che il cemento gettato ha raggiunto una specifica resistenza meccanica. Prima di rimuovere la pressione alla camicia, viene posto un sistema di bloccaggio per mantenere lo stato di tensione ai tiranti e quindi fornire gli sforzi di compressione Il legno ha una resistenza meccanica relativamente alta in direzione longitudinale rispetto al tronco dell albero se confrontata con quella in direzione trasversale principalmente per i forti legami covalenti delle microfibrille di cellulosa che sono orientate principalmente in direzione longitudinale. Perpendicolarmente alle fibre, la resistenza meccanica dipende dai legami idrogeno più deboli che legano lateralmente le molecole di cellulosa. Problemi di sintesi e di valutazione La quantità di energia richiesta per il fallimento, U 0, sarà uguale all area sottesa alla curva (si assume che tutte le curve sforzo/deformazione siano lineari) Area = U 0 Area = ½ (sforzo al picco) * (deformazione al picco) Area = MPa mm/mm (energia per unità di volume) (7) filo di grafite tipo HM: (5) fibre di boro: (4) filo di grafite tipo HT: (2) Trefoli impregnate di resina: (3) vetro E: (1) vetro S (6) Nomex: Si noti che le fibre di vetro (S e E) sono tra le fibre più tenaci.

4 12.64 I compositi a matrice epossidica rinforzati con carbonio sono estremamente rigidi (Fig. 12.7) e forti (Fig. 12.8) e allo stesso tempo possiedono bassa densità se confrontati con il legno o l alluminio (altri materiali usati per le racchette da tennis). Una racchetta più leggera permetterà al giocatore di generare maggiori velocità (colpendo la pallina più rigidamente). La maggiore rigidezza della racchetta permetterà che la racchetta si deformi minimamente durante l impatto e la maggior parte dell energia sarà quindi trasmessa alla pallina (la pallina andrà più veloce) (a) (b)

5 (c) (d) Per una lunghezza pari a 183 cm

6 12.67 σ assiale σ circonferenziale La barra deve contenere fibre sia in direzione assiale sia in direzione circonferenziale per sopportare i carichi in entrambe le direzioni. Piano con fibre assiali Piano con fibre circonferenziali Un laminato con strati messi con diversa direzioni può essere arrotolato attorno ad un mandrino e reticolato in autoclave. La sezione sarà come quella riportata in figura qui sotto. Fibre assiali Fibre circonferenziali Le fibre assiali forniscono la rigidezza assiale in modo che non si fletta eccessivamente. Le fibre circonferenziali resisteranno a sforzi circonferenziali in modo che l asta non collassi.

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