​Prove su facciate di edifici

Sollecitazione a fatica, sollecitazione sismica.

Il nostro cliente, un importante laboratorio di ricerca, aveva la necessità di attestare la conformità di facciate continue realizzate in vetro con componenti modulari alle normative europee ed asiatiche.

Abbiamo in progettazione il sistema in grado di sollecitare facciate continue di 50 m² con forze fino a 200 kN, sia sul fianco della parete che ortogonalmente, in grado di simulare fenomeni sismici per verificare sia la resistenza strutturale sia la tenuta agli agenti atmosferici, pioggia e vento.

Prove su giunti sismici

Sollecitazione a fatica, sollecitazione sismica.

I giunti sismici sono elementi elastici di collegamento che si trovano all'interno di strutture civili e garantiscono la tenuta dell'edificio alle sollecitazioni sismiche.

Per un importante costruttore italiano, leader nel mondo, Italsigma ha costruito la macchina di prova in grado di eseguire i test necessari per l’omologazione civile. Sono macchine a due assi dove l’asse verticale genera e mantiene forze fino a 30 MN mentre l’asse orizzontale effettua spostamenti con corse di alcuni centimetri e forze fino a 3 MN. Tutto ciò per simulare i movimenti sussultori e ondulatori che il fenomeno sismico genera.

Prove su ingranaggi

Prove di fatica, caratterizzazione dei materiali.

Un nostro cliente desiderava testare il comportamento di una coppia di ingranaggi nel proprio laboratorio simulando fenomeni di fatica in condizioni di lubrificazione e non. Abbiamo realizzato l’applicativo partendo da una macchina base per prove monoassiali. Il sistema di controllo RT3 è in grado di interrompere la prova all’innesco del difetto e valutarne anche la progressione nel tempo.

Prove su dispositivi medici

Protesi femorali, impianti dentali.

Le protesi sono dispositivi medici che richiedono la certificazione da parte di un organismo notificato. Per la certificazione è necessaria la caratterizzazione dei componenti a test statici e di fatica, atti a stabilire e garantire la resistenza a 5.000.000 di cicli. Il nostro cliente desiderava svolgere i test nel proprio laboratorio per garantire la riservatezza sulle soluzioni tecnologiche scelte. Partendo dalla configurazione base di una macchina statica monoassiale abbiamo realizzato macchine speciali per sollecitare, contemporaneamente a flessione e torsione, svariate protesi femorali o altri dispositivi medici.

Macchina per prove dinamiche fino a 30 MN

Un' importante università ci ha commissionato la realizzazione di una macchina di prova dinamica da 30 MN, 3000 tonnellate di forza. Tale macchina viene usata per testare componenti strutturali. Utilizzando il sistema di controllo TRIO SISTEMI abbiamo previsto l’innovativa soluzione tecnologica di utilizzare come colonne i pistoni idraulici garantendo movimenti in costante allineamento. La macchina può effettuare sia prove statiche che dinamiche in controllo di carico, spostamento e deformazione.

Prove su componenti per biciclette

Prove di fatica su manubri e telai.

Un nostro cliente, leader italiano nella costruzione dei telai per biciclette, ha deciso di alleggerire i propri prodotti introducendo componenti in fibra di carbonio e leghe leggere. Per attestare la conformità dei componenti alle norme UNI EN 14766 "Mountain bike - Requisiti di sicurezza e metodi di prova" e UNI EN 14781 "Biciclette da corsa - Requisiti di sicurezza e metodi di prova" ci ha commissionato la progettazione e realizzazione di apposite macchine di prova con afferraggi speciali, in grado di riprodurre sui singoli componenti e sul telaio le sollecitazioni previste dalle norme.

Macchina prove di fatica ad ultrasuoni

Il 90% dei componenti meccanici è sottoposto a fatica, cioè a sollecitazioni cicliche ripetute. La fatica, pur essendo originata da sollecitazioni più basse della resistenza allo snervamento del materiale, può comunque portare alla rottura. Lo studio del comportamento a fatica dei materiali è fondamentale per stimare la vita (durata) dei componenti e garantire, sia il costruttore che il cliente, da rotture precoci e non desiderate.

Le prove di fatica consistono nel sollecitare ciclicamente il provino o il componente.

Per studiare il comportamento del materiale si costruisce la curva di Wholer con la vita ad un definito numero di cicli. Negli ambiti Oil&Gas, Aerospace, Automotive e Railway la vita prevista è spesso superiore a 10 milioni di cicli, comportando così lunghi tempi di attesa per i risultati ed alti costi.

Italsigma ha sviluppato una macchina di prova ad ultrasuoni per generare sollecitazioni ad alta frequenza.

I vantaggi dell’utilizzo di una macchina di fatica ad ultrasuoni sono i seguenti:

• Conoscere la resistenza a fatica in tempi brevi

E’ prassi consolidata caratterizzare i materiali soltanto attraverso prove statiche, in quanto la risposta all'accettazione o meno del materiale deve essere disponibile entro pochi giorni (in alcuni casi poche ore) dal ricevimento dello stesso, in modo da poter procedere con le lavorazioni o montaggi dei componenti.

L’utilizzo della Macchina Ultrasonica consente, nell'arco di una mezza giornata di prove, di ottenere svariati risultati quali la resistenza a fatica del materiale e quindi la garanzia della qualità in termini di durata della vita dei futuri prodotti.

• Investigare oltre i 10 milioni di cicli

Attualmente una crescente quantità di componenti ha una aspettativa di vita a fatica che va ben oltre i 10⁷ cicli.

Ad esempio componenti impiegati in aeromobili, automobili, treni ad alta velocità, aerogeneratori, ecc.

• Migliorare la previsione di vita dei prodotti

• Usare dati reali di resistenza a fatica ed evitare l’impiego di metodi probabilistici per prevedere l’andamento del grafico di Wholer oltre i 10⁷ cicli

Spesso le curve di Wholer (S-N) vengono rappresentate sino a 107 cicli, oltre ai quali viene assunto per convenzione un andamento asintotico orizzontale (es. leghe ferrose) oppure non orizzontale (es. leghe leggere) a seconda della lega metallica in questione.

Realizzazione sistema di taratura da 30 MN

Il settore industriale dell’Oil&Gas prescrive rigorosi test di resistenza sui componenti degli impianti di estrazione petrolifera.
Le prove sono da eseguire su componenti finiti ("full scale test") che richiedono impianti di prova speciali; in Italia esistono impianti di eccellenza presso la Soc. Centro Sviluppo Materiali S.p.A. (CSM), società del gruppo RINA che da anni fornisce questo tipo di servizio ad industrie leader nel settore.
Negli ultimi anni la complessità via via crescente degli impianti di estrazione petrolifera ha portato alla richiesta di test di resistenza in accordo a specifiche normative internazionali su componenti di dimensioni sempre maggiori, con diametri fino a 20", applicando forze sempre più alte fino a 30MN.
Gli impianti, per eseguire tali prove, devono essere tarati periodicamente e dimostrare la completa tracciabilità del sistema di misura, in accordo alle relative norme internazionali. Stante le grandi dimensioni e forze in gioco, fino a poco tempo fa per la taratura era obbligatorio rivolgersi al mercato nord americano con limiti sulla scala della forza; su richiesta del CSM, Italsigma ha sviluppato un sistema di taratura modulare utilizzabile fino a 30 MN, che ha come campione di riferimento dinamometri tarati da INRIM.
Il presente lavoro descrive gli accorgimenti tecnici utilizzati e l’esperienza condotta nelle attività di taratura.

Progettazione, sviluppo e realizzazione di un sistema di prova per i supporti di banco in basamenti di motori endotermici

Pur disponendo delle caratteristiche dei materiali impiegati per la realizzazione di basamenti per motori endotermici ed averne sviluppato la progettazione con sistemi di calcolo agli elementi finiti, il cliente desiderava validare sperimentalmente quanto realizzato.
Come oggetto della validazione è stato identificato quello che il suo sistema di progettazione gli aveva indicato come critico, cioè i supporti di banco.
Italsigma è stata coinvolta nella progettazione di un sistema di prova tale da poter riprodurre nel modo più fedele possibile le condizioni di servizio, utilizzando i componenti di produzione.
Il sistema deve essere in grado di applicare sull’albero motore una sollecitazione analoga a quella trasmessa dalla biella a seguito dello scoppio del carburante nella camera di espansione.
La sollecitazione applicata all’albero motore in corrispondenza dei perni di biella si scaricherà sul basamento attraverso i perni di banco dell’albero ed i supporti relativi supporti sul basamento.

Questi i dati di ingresso della progettazione della prova:

Carico massimo dinamico: 300 kN
Frequenza:  20-30 Hz
Rapporto di carico dinamico:  0,05
Target di durata:  5*10⁶ cicli

Da questi dati sono state dedotte le seguenti specifiche per il banco prova:

Gruppo servoidraulico da 300 kN con corsa 1 mm @10 Hz
Dinamometro da 300 kN in classe 0,5 ISO 376
Sorgente idraulica silenziata da 210 bar @50 L/min (280 bar @ 40 L/min)
Gruppo frigorifero ad acqua silenziato da 20 kW termici
Elettronica di gestione monocanale espandibile fino a 4 canali

Sviluppo di una macchina per fatica flessione rotante computerizzata

La fatica per flessione rotante è una delle sollecitazioni che meglio riproduce il comportamento di un albero o di un assale nelle condizioni reali di funzionamento: non a caso la qualifica degli assali ad uso ferroviario impone prove di fatica per flessione rotante.

Le macchine per fatica a flessione rotante sono in uso da molte decine di anni e sostanzialmente sono macchine molto semplici, prevalentemente di natura meccanica, costituite da un mandrino rotante su cui viene montato il provino ed un sistema di carico che può generare momento flettente con varie caratteristiche.

La norma ISO 1143 Metallic materials - Rotating bar bending fatigue testing del 2010 specifica i diversi tipi di macchina, caratterizzandoli in funzione del tipo di momento flettente che possono applicare.

Le macchine tradizionali sono macchine a pesi senza alcun tipo di retroazione e controllo computerizzato, spesso funzionanti secondo lo schema sopra riportato.

Italsigma ha deciso di sviluppare una macchina fortemente innovativa che prevede il controllo e la gestione della prova da personal computer.

I principali vantaggi di questa soluzione sono:

• Monitoraggio del momento flettente e della sollecitazione agente sul provino

• Definizione di sequenze di cicli di prova

• Registrazione in continuo delle grandezze controllate

• Controllo della frattura

• Intervento con interruzione della prova al momento dell’innesco o quando lo definisce il cliente

• Valutazione di come si propaga la cricca dalla fase di nucleazione alla rottura finale

La macchina appartiene alla tipologia di flessione a 4 punti, realizzata con motore elettrico in corrente continua con variazione della velocità di rotazione da 1000 a 6000 giri/min ed un sistema di carico con attuatore elettrico. Un dinamometro misura il carico reale agente sul provino e, in retroazione attraverso il computer, controlla e corregge i valori applicati.

La macchina è progettata per applicare momenti fino a 75 Nm e può essere impiegata con provini aventi diametro utile da 6 a 10 mm.

Il computer può gestire una o più macchine e consente l’impostazione e la registrazione dei parametri di prova: i dati di prova possono essere acquisiti ed esportati in file excel per eventuali fasi di elaborazione e reportistica.

Prove pseudodinamiche

Gli effetti di un terremoto su una struttura in cemento armato potrebbero essere valutati ponendo la struttura su una tavola vibrante. Spesso però le strutture in ambito civile hanno dimensioni tali che è praticamente impossibile realizzare supporti adeguati.

Per consentire le prove su elementi full scale si sono, negli ultimi decenni, sviluppate le Prove Pseudoinamiche (PSD): sono particolarmente diffuse soprattutto per le strutture in cemento armato in scala reale e permettono di valutare gli effetti del sisma sulla struttura.

Il sistema di prova è sostanzialmente costituito da una serie di attuatori lineari, dei telai di reazione, un calcolatore ed una centralina idraulica.

Nel calcolatore vengono inseriti i programmi che ripropongono le sollecitazioni alle quali sottoporre la struttura che possono essere di tipo reale (come ad esempio registrazioni di precedenti terremoti) o ipotetico (come nel caso di requisiti previsti nei documenti di progettazione tipo EC8).

Gli attuatori oleodinamici impongono alla struttura gli spostamenti definiti, mentre i dinamometri misurano le forze di reazione della struttura alle sollecitazioni.

Esempio di accelerogramma registrato durante il sisma Umbro Marchigiano del 1997

Accelerogramma previsto per i terreni di tipo B nell’Euro Codice 8

Italsigma e Trio Sistemi hanno messo a punto un sistema di prova per realizzare Prove Pseudodinamiche su strutture full scale o riparametrate.

Il sistema computerizzato per il controllo degli attuatori sfrutta la retroazione per le grandezze definite ed è in grado di applicare le equazioni del moto della struttura risolvendole in tempo reale.

Il sistema permette inoltre di misurare le forze di reazione della struttura e di altre grandezze meccaniche, fornendo così la possibilità di realizzare diagrammi forza-spostamento e di registrare le variazioni nel tempo. L’acquisizione dei dati di prova permette anche il confronto e l’eventuale validazione dei modelli matematici di comportamento della struttura.

Il sistema di prova realizzato da Italsigma e Trio Sistemi è modulare, implementabile a più step e personalizzabile secondo le più eterogenee esigenze dei clienti.

Esempio di sistema di prova a più assi realizzato per Università di Messina ed utilizzabile anche per Prove Pseudodinamiche