Interventi di riparazione su antiche strutture in metallo

Con il passare degli anni, talvolta dei secoli, le tante strutture metalliche ancora in uso perdono progressivamente le proprie caratteristiche funzionali, arrivando a diventare inutili e, in alcuni casi, persino pericolose.

Di questo argomento ci siamo già occupati con uno studio recente in cui appariva evidente il significativo degrado delle leghe ferrose di fonderia prodotte agli inizi del secolo scorso. Esposte per lungo tempo a fenomeni di corrosione e alle sollecitazioni termomeccaniche, le proprietà resistenziali di questi materiali possono ridursi tanto da rendere critica la funzionalità delle strutture. Gli interventi di manutenzione, a volta sbrigativi e superficiali (ad esempio, la verniciatura), possono persino condurre a mascherare il problema, piuttosto che a risolverlo. D’altro canto, anche con la migliore buona volontà, non sempre risulta semplice intervenire. Spesso, infatti, siamo in presenza di strutture metalliche di grandi dimensioni e forme complesse, come ponti ed edifici storici, rispetto alle quali gli interventi dovranno riuscire a bilanciare aspetti quali: salvaguardia dell’artefatto, continuità funzionale, fattibilità tecnica, sicurezza e logistica, costi. Proprio per questo motivo, qualsiasi nuova tecnica venga ideata e che possa servire a intervenire positivamente sulla resistenza strutturale di tali acciai è degna della massima attenzione.

In questo studio si propone un approccio tanto semplicistico quanto efficace: “curare” le strutture in metallo antico applicando “cerotti” sulle “ferite“. Stiamo parlando chiaramente di, diciamo così, “cerotti speciali“, da noi ideati proprio a tale scopo, che assumono la forma di fascette (“patch“) in composito rinforzato da fibre di carbonio. Il carbonio è scelto tanto per le sue proprietà meccaniche superiori (ad esempio, rispetto al vetro) quanto per la sempre più ampia diffusione che stanno riscontrando le relative tecnologie di produzione ed utilizzo. Queste fascette possono essere progettate (ad esempio, dimensioni, consistenza della fibra…) per soddisfare al meglio uno specifico scopo (ad esempio, incremento di resistenza a trazione, a fatica…). Gli effetti positivi della presenza di fascette, come si vedrà presto, vanno ben oltre le aspettative, anche in considerazione della semplicità dell’intervento: basterà infatti applicare tali cerotti tramite colla biadesiva in specifici punti della struttura.

Ma entriamo ora nei dettagli dello studio.

2. Materiali e metodi

L’utilizzo di fascette (“patch“) in fibra di carbonio (CFRP) non rappresenta una idea nuova in termini assoluti, ma risulta ancora piuttosto sconosciuta, nonostante i vantaggi che sembra presentare. Queste fascette sono pensate e posizionate in modo da irrobustire le strutture a livello locale e si dimostrano particolarmente efficienti nel caso dei carichi ciclici. Il nostro studio è stato rivolto a verificare tali vantaggi nel caso delle vecchie leghe di fonderia e ha tenuto in conto tanto di aspetti numerici quanto sperimentali. L’analisi numerica ha permesso di dimostrare come sia possibile progettare, in termini di dimensioni e materiali utilizzati, le fascette in modo da modificare convenevolmente lo stato tensionale in una zona critica arrivando ad aumentare la resistenza a fatica dell’elemento metallico. A questo scopo è stato necessario sviluppare un modello numerico basato su tecniche di discretizzazione agli elementi finiti (EF) che hanno consentito di studiare i meccanismi di sviluppo e di propagazione a fatica della frattura. In questo modo è stato possibile valutare i benefici offerti dalla presenza delle patch in termini di riduzione del fattore di intensità degli sforzi (SIF). Il SIF rappresenta un’indicazione di quanto lo sforzo all’apice di un difetto venga intensificato e il suo valore dipende solo dalla geometria e dal carico applicato. Semplificando un po,’ si può dire che in un materiale dove sono presenti difetti (ad esempio, disomogeneità), la frattura si presenta quando il SIF raggiunge un valore critico, conosciuto spesso come tenacità a frattura, che è tipico del materiale. Ma il SIF influenza anche il processo di crescita di questa frattura in presenza divenendo così un parametro essenziale per qualsiasi studio di meccanica della frattura. Si prevede, inoltre, che l’utilizzo di fascette molto resistenti, incollate proprio in prossimità delle aree critiche, consentano di abbassare lo stato tensionale nell’intorno della zona di frattura incrementando la resistenza a fatica. Il modello numerico ha permesso di valutare come il SIF venisse modificato dalla presenza di una patch. Il modello numerico è stato tarato utilizzando i risultati di prove sperimentali. Nello specifico, è stato studiato il comportamento e la tenacità a frattura di un ferro puddellato del XIX secolo, con e senza la patch di rinforzo. I provini sono stati estratti da elementi strutturali della antica stazione ferroviaria di Wroclaw (Figura 1), in Polonia, che hanno presentato una composizione chimica quale quella indicata in Tabella 1. Lo studio ha immaginato una configurazione tipica delle prove di meccanica della frattura, quale quella di provini standard di tipo CT con geometria e condizioni esterne definite da apposite normative (Figura 2 e 3). Già altri studi numerici hanno cercato di capire come il SIF è modificato dalla presenza delle fascette e dalle modalità di utilizzo (ad esempio, full-face e doppia striscia). Tuttavia, nessuno si è finora occupato di considerare l’effetto di un elemento adesivo considerando la fascetta come perfettamente vincolata al provino CT e nessun spostamento relativo a livello di interfaccia.

 

LASCIA UN COMMENTO

Please enter your comment!
Please enter your name here