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Prove di compressione e prove di compressione su provini intagliati (OHC, FHC)

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Scopo della prova

Le prove di compressione sono utilizzate per la caratterizzazione delle diverse proprietà di compressione come modulo di compressione e reistenza alla compressione. Esse vengono eseguite su compositi fibrorinforzati con fibre unidirezionali, in direzione 0° o 90°, laminati multidirezionali, fibre, tessuti e materiali matrice composti da plastiche sintetiche o termoplastiche.

Oltre ai test su laminati non danneggiati vengono utilizzati metodi per la caratterizzazione dell'influenza dei danni sotto forma di foro. Le prove di compressione con intaglio come i test open hole compression (OHC) e filled hole compression (FHC) con vite o bullone inserito simulano le condizioni di una struttura composita con una vite o un rivetto.

Le prove di compressione richiedono elevate esigenze di preparazione dei provini, del personale addetto al laboratorio che effettua le prove e della stessa tecnologia di prova. Quando viene applicato un carico al laminato, per ottenere le reali proprietà del materiale nella direzione di interesse, si devono evitare picchi di tensione di taglio e deformazione trasversali

Negli ultimi anni sono stati sviluppati diversi metodi di prova ognuno dei quali conduce a un proprio risultato.

Prove di compressione con applicazione del carico assiale

Questa procedura è basata sulla normativa ASTM D695 ed è stata in seguito sviluppata in altre normative.

Le prove di compressione con applicazione del carico assiale necessitano di una semplice preparazione, serve solo un blocco di supporto posizionato verticalmente. 

In questo metodo il provino viene posizionato tra due piatti di compressione in direzione longitudinale. Un supporto previene la rottura prematura del materiale.

Il test si compone di due fasi:

  • Il modulo di compressione è misurato utilizzando un provino senza rinforzi, la deformazione con uno strain gage
  • Il provino viene rinforzato per misurare la forza di compressione. Questo previene la rottura prematura del materiale nei punti di applicazione del carico.

Questo metodo è descritto nelle normative ISO, ASTM, EN, DIN, e altre norme. Normalmente, se il test viene eseguito correttamente, i valori del modulo di compressione possono essere ottenuti facilmente, mentre per determinare la resistenza a compressione si verificano spesso grandi dispersioni.

Per la misurazione del modulo di compressione, è necessario fare una distinzione. 

Se i valori di deformazione del provino sono ridotti, possono essere determinati valori del modulo di compressione riproducibili. Se i valori di deformazione del provino sono elevati, la deformazione incontrollata nei punti di applicazione del carico può causare limitazioni alla prova stessa.

L'applicazione dei rinforzi nelle zone di applicazione del carico consente di ottenere la rottura del campione nel tratto utile. Le delaminazioni complete avvengono prima della rottura totale del provino e sono visibili nel diagramma. Questo metodo richiede una preparazione superficiale del provino altamente accurata. 

Prove di compressione con applicazione del carico di taglio

In questa procedura, la forza di compressione viene applicata aggraffando il provino tramite il contatto di attrito. Se il provino è sufficientemente lungo, si raggiunge una distribuzione omogenea della tensione nel percorso di misurazione.

  • Tra i vantaggi di questo tipo di prove riscontriamo la buona guida assiale del provino durante la prova, l’assenza del carico frontale e la necessità di preparazione del lato anteriore 
  • Questo metodo è stato standardizzato negli anni ‘80 e inserito nella normativa ASTM D 3410 come dispositivo di prova di tipo Celanese con elementi conici di aggraffaggio, e in seguito sviluppato anche in altre normative 
  • Con il dispositivo di tipo Celanese, le deviazioni dello spessore del provino portano a un supporto lineare indesiderato degli elementi di aggraffaggio. Nelle normative DIN 65375 e prEN 2850 sono inclusi i dispositivi di tipo Celanese modificati con cunei piatti in modo da risolvere il problema posto dallo spessore del provino.

Dispositivo di prova IITRI, USA

  • Per soddisfare i requisiti della normativa, IITRI ha sviluppato un dispositivo a due colonne che ad oggi sostituisce il vecchio dispositivo di compressione Celanese della normativa ASTM. Questo dispositivo di prova, come il suo predecessore, utilizza un principio di serraggio a cunei
  • Le guancette a cuneo vengono prima allineate esternamente al provino e in seguito posizionate nel dispositivo di compressione
  • La pressione di serraggio viene generata con un'azione a cuneo durante la prova tramite forza assiale, provocando movimenti del cuneo che portano alla flessione nel campione.

Dispositivo per prove idrauliche HCCF – IMA Dresden

  • L'azienda IMA Dresden ha ideato e brevettato il dispositivo di compressione idraulico HCCF
  • Tra le caratteristiche dello strumento troviamo la buona accessibilità, la semplicità di utilizzo e gli inserti fissi, che rimangono allineati con precisione gli uni agli altri anche durante la procedura di prova
  • Al contrario del principio basato sui cunei, gli afferraggi idraulici sono anti slittamento. È possibile inoltre integrare un estensimetro clip-on.

Prove di compressione con carico combinato (end loading e shear loading)

Questa procedura è adatta per testare compositi rinforzati con fibre sotto carichi maggiori rispetto a quelli che si verificano con sezioni trasversali di provini più grandi. Una parte della forza di compressione viene applicata tramite l'aggraffaggio del provino, la parte restante sulle estremità del provino. La lunghezza del provino corrisponde esattamente alla lunghezza degli inserti, ed è maggiore di quella che si deve rispettare durante le semplici prove di compressione con carico assiale. Allo stesso modo, nelle prove con carico assiale resta estremamente importante la preparazione superficiale dei campioni.

  • La normativa ASTM D 6641 e il Metodo 2 in riferimento alla ISO 14126 descrivono un dispositivo di prova meccanico composto da 4 elementi collegati tra loro dalle colonne guida. La forza di serraggio viene generata da 8 viti strette con una chiave a torsione. Il dispositivo di prova con provino integrato viene posizionato nella macchina di prova tra due piatti di compressione
  • Un miglioramento della procedura è stato definito nella normativa Airbus AITM 1.0008 edizione 2010, che descrive sia il carico di taglio che quello combinato. L'applicazione della forza di serraggio viene descritta come principio di serraggio parallelo e idraulico. Alcuni studi dimostrano come immagini di rottura valide vengono ottenute quando i picchi di serraggio, in transizione tra la lunghezza di serraggio libera e l'area di serraggio, vengono evitati dal design strutturale degli inserti. Questo viene descritto nella normativa Airbus come "soft load introduction". 
  • Il dispositivo di prova HCCF sviluppato e brevettato da IMA Dresden soddisfa i requisiti della normativa ASTM D6641. Con questo dispositivo di compressione, viene applicata idraulicamente la forza di serraggio che può essere impostata tramite la pressione pompe normali o automatiche
  • Per i laboratori che eseguono regolarmente test di compressione, questo dispositivo di prova offre un'accessibilità eccellente dalla parte anteriore, semplificando la gestione e la pulizia
  • Il dispositivo di prova HCCF rispetta i requisiti della AITM 1.0008. È stato testato ed approvato da Airbus in Bremen.

Prove di compressione su provini intagliati (OHC), prove di compressione su laminati con vite o bullone (FHC)

  • Prove di compressione su provini intagliati:
    questo test determina l'influenza di un foro sulla resistenza alla compressione di un provino laminato. Il risultato viene generalmente presentato come un fattore di intaglio, fornendo l'indice di danno al provino non danneggiato. In accordo alla normativa Airbus AITM 1.0008 , questa prova viene eseguita con i dispositivi per prove di compressione. Secondo le normative ASTM e Boeing è necessario utilizzare un provino di 300 mm di lunghezza da aggraffare tramite uno strumento idraulico con l'ausilio di un dispositivo di supporto
  • Prove di compressione su laminati bullonati:
    questo test utilizza lo stesso provino usato nelle prove di trazione su provini con intaglio, nel foro però viene inserito con un collegamento filettato.

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