Influenza dello strain-rate sul comportamento meccanico dei ...

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Cap. I – EFFETTI DELLA VELOCITÀ DI DEFORMAZIONE SUL COMPORTAMENTO MECCANICO DEI MATERIALI STRUTTURALI Strain-rate Cases of loading aircraft “landing” creep traffic earthquake blast and hard impact quasi-static testing gas explosions pile driving 10 -8 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 -7 very low strain-rates low strain-rates medium strain-rates high strain-rates s -1 Figura 1. 1 - Strain-rate relativi alle differenti condizioni di carico Quando una struttura viene sottoposta ad un’azione impulsiva, l’energia trasmessa non agisce immediatamente in tutte gli elementi costituenti la struttura. Infatti, le deformazioni e, quindi, le tensioni, generate dal carico accidentale si propagano attraverso la struttura sottoforma di disturbo come onde di tensione e deformazione. Questa costituisce la differenza più importante tra i cosiddetti carichi quasi-statici e quelli impulsivi. Come risultato, il comportamento delle strutture differisce notevolmente se i carichi sono dinamici anziché statici. Infatti, per esempio, per il calcestruzzo, in caso di basse velocità di deformazione, il processo di apertura e allargamento delle fessure si origina da micro- e macrodifetti esistenti. Ciò avviene poiché tale processo si svolge in un intervallo di tempo abbastanza ampio da permettere la scelta dei percorsi caratterizzati dalla minima energia di frattura richiesta, cioè intorno agli aggregati e nelle zone più fragili della matrice legante. A causa del basso livello globale di tensione ed al rilassamento del materiale, l’estensione delle micro-fessure ad altre aree con resistenza maggiore è piuttosto limitata. In condizioni di carichi impulsivi di trazione molta più energia viene introdotta all’interno della struttura in tempi ristretti e le fessure apertesi in un punto sono costrette a svilupparsi lungo il percorso più breve caratterizzato da più alta resistenza, attraversando l’aggregato stesso e le zone in cui la matrice legante è più forte. L’incremento globale delle tensioni di trazioni in maniera molto rapida causa, quindi, l’estensione del 8
Cap. I – EFFETTI DELLA VELOCITÀ DI DEFORMAZIONE SUL COMPORTAMENTO MECCANICO DEI MATERIALI STRUTTURALI fenomeno di fessurazione anche in altre aree, senza che, in tempi di apertura delle fessure così brevi, si possa sviluppare il rilassamento. Nel processo progettuale occorre conoscere le caratteristiche dei materiali ed il loro conseguente comportamento meccanico per un intervallo di velocità di deformazioni ampio, in particolare la stima eseguita con gli strumenti a disposizione (un codice informatico per esempio) bisogna che sia ratificata secondo gli stessi strain-rate. Tra i parametri meccanici che è importante conoscere ci sono: la resistenza a trazione, la deformazione ultima, il diagramma costitutivo tensioni-deformazioni, le caratteristiche di frattura del materiale. In passato nell’analisi strutturale la resistenza a trazione del calcestruzzo è stata trascurata ma, indirettamente, la risposta meccanica ne risultava migliorata perché questa influenzava positivamente la resistenza a fessurazione, le proprietà a flessione delle barre di rinforzo ed il comportamento sotto sollecitazione di taglio. In particolare, quando le strutture vengono impattate, queste sono prima soggette ad un’onda di compressione che può essere spesso riflessa negli elementi strutturali come un’onda di trazione, causa più importante della rottura del calcestruzzo. In generale, le onde di tensioni che si propagano all’interno della struttura modificano la risposta meccanica dei materiali ad elevati strain-rate innescando un cambiamento della microstruttura che differisce così da quella che si avrebbe con velocità di deformazione quasi-statiche. Questi cambiamenti nella microstruttura possono causare una variazione del legame costitutivo tensionedeformazione del materiale ad elevati strain-rate rispetto a quello in condizioni quasi-statiche. 9
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