RICERCA ITALIANA     

CRITERI DI CEDIMENTO E CALCOLO A RESISTENZA DI GIUNTI INCOLLATI SOGGETTI A CARICAMENTO MONOTONO

Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia

Abstract

La ricerca riguarda il calcolo a resistenza dei giunti incollati per applicazioni strutturali e si prefigge tre obiettivi:
a) eseguire prove sistematiche a rottura su giunti incollati soggetti a caricamento monotono (quasi statico e impulsivo);
b) identificare criteri di cedimento per due famiglie di adesivi di comune impiego pratico (epossidiche, silano-modificati);
c) predisporre strumenti di calcolo per la verifica a resistenza dei giunti stessi.
Lo stimolo alla ricerca proviene dal mondo industriale, che lamenta la mancanza di criteri e strumenti pratici per il calcolo di giunti incollati a rilevante valenza strutturale. Questa mancanza è causa di diffidenza del progettista verso questa tecnologia industrialmente matura, a favore di sistemi di collegamento tradizionali, spesso meno vantaggiosi sotto il profilo tecnico ed economico.
Il progetto coinvolge le Università di Modena e Reggio Emilia (sede di Reggio Emilia), Genova e Torino, da tempo attive nel settore specifico degli adesivi con progetti di ricerca pubblici (COFIN 1999), contratti di ricerca privati (Henkel Loctite 2002) ed organizzazione di congressi tematici (Torino, 1999; Parma, 2000; Vicenza, 2001; Reggio Emilia, 2002; Genova, 2003; Madrid, 2004).
Il lavoro di ricerca da compiere è articolato nelle seguenti attività:
PIANIFICAZIONE GENERALE DEL LAVORO
- prove quasi statiche
- prove impulsive
- analisi delle tensioni
- formulazione di criteri di cedimento
- convalida dei criteri
PROVE QUASI STATICHE
- documentazione e attrezzaggio macchine
- caratterizzazione elastica e a resistenza degli adesivi su provini monolitici
- confronto con caratteristiche elastiche desunte da prove su giunti
- esecuzione prove a rottura quasi statiche su giunti elementari
PROVE IMPULSIVE
- documentazione e attrezzaggio macchine
- caratterizzazione elastica e a resistenza degli adesivi su provini monolitici
- confronto con caratteristiche elastiche desunte da prove su giunti
- esecuzione prove impulsive a rottura su giunti elementari
ANALISI DELLE TENSIONI NELL'ADESIVO
- ricerca bibliografica e approntamento mezzi di calcolo
- modelli alle tensioni regolarizzate
- modelli alle tensioni di campo
- confronto tra metodi analitici e metodi numerici
- sviluppo software di calcolo
CRITERI DI CEDIMENTO
- elaborazione statistica dei risultati sperimentali quasi statici
- elaborazione statistica dei risultati sperimentali impulsivi
- calcolo dei parametri di tensione nell'adesivo alla rottura dei giunti
- formulazione di criteri di cedimento generali dell'adesivo
CONVALIDA DEI CRITERI
- esecuzione di prove a rottura quasi statica su elementi strutturali incollati
- esecuzione di prove a rottura impulsiva su elementi strutturali incollati
- confronto tra capacità di carico misurata e capacità di carico calcolata
- inserimento dei criteri di cedimento in software interattivo di progettazione strutturale dei giunti incollati <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Eugenio DRAGONI Università degli Studi di MODENA e REGGIO EMILIA

Obiettivo del Programma di Ricerca

La ricerca si inserisce nell'ambito del comportamento meccanico degli adesivi strutturali e dei giunti strutturali incollati.
Scopo della ricerca è aumentare la confidenza del progettista industriale nei confronti degli adesivi per la realizzazione di collegamenti a forte valenza strutturale.
Lo scopo è perseguito attraverso il raggiungimento di tre obiettivi specifici:
A) eseguire prove sistematiche a rottura su giunti incollati soggetti a caricamento monotono (quasi statico e impulsivo);
B) identificare criteri di cedimento (nelle condizioni di prova ed in condizioni reali) per due famiglie di adesivi di comune impiego pratico (epossidici, silano-modificati) ;
C) predisporre metodi e strumenti di calcolo utili al progettista per la verifica a resistenza di giunti e strutture incollate.
L'attuale assenza di simili conoscenze e strumenti costituisce un forte freno alla diffusione degli adesivi strutturali nell'industria ordinaria. La convinzione comune del progettista è che gli incollaggi siano imprevedibili e la loro affidabilità comprovabile solo attraverso onerosi collaudi sperimentali eseguiti di caso in caso. Ne risulta un impiego delle soluzioni per incollaggio inferiori al potenziale di questa tecnologia, già matura e portatrice di vantaggi tecnici ed economici rispetto alle soluzioni classiche (viti, attrito, saldatura, ...).
Le modalità esecutive volte all'ottenimento degli obiettivi elencati possono essere così riassunte:
OBIETTIVO A
Le prove sperimentali si concentrano sulle condizioni di carico monotone (assenza di fenomeni di creep o di fatica) e su giunti incollati di geometria semplice.
La scelta di caricamento monotono è giustificata dalle seguenti considerazioni:
- possibilità di acquisire nei tempi ridotti del progetto una base sperimentale ampia e sistematica, irraggiungibile per le prove cicliche;
- diffusione pratica delle sollecitazioni monotone nelle applicazioni, con la possibilità di impiegare direttamente i risultati ottenuti nella ricerca;
- utilità dei modi e dei meccanismi di cedimento monotoni per comprendere in futuro il comportamento a creep e fatica.
La scelta di geometrie di collegamento elementari favorisce la riproducibilità dei risultati e l'attendibilità delle analisi di tensione necessarie alla formulazione dei criteri di cedimento.
OBIETTIVO B
L'attenzione è rivolta a due categorie di adesivi: epossidici e silano-modificati.
Le ragioni per la scelta di questi adesivi sono due:
- la loro grande diffusione applicativa, che rende i risultati della ricerca direttamente trasferibili nella pratica ingegneristica;
- la loro natura profondamente diversa (epossidici rigidi e fragili, silano-modificati cedevoli e resilienti), che permette di esplorare un ampio campo di comportamento, mettendo in luce eventuali differenze nel criterio di cedimento più adatto.
Per ogni adesivo si cerca un criterio (possibilmente unitario) che colleghi lo stato di sollecitazione nell'adesivo col verificarsi dei cedimento strutturale osservati sperimentalmente. Questo sia nel caso dei semplici campioni oggetto delle prove sistematiche sia per strutture incollate più complesse, usate come casi di convalida al termine della ricerca.
Oggetto d'esame saranno approcci basati
- sul valore locale della tensione in modelli strutturali semplificati (tensioni regolarizzate)
- distribuzioni tensionali di campo attorno alle singolarità teoriche che interessano l'adesivo.
OBIETTIVO C
Un aspetto significativo della ricerca è la predisposizione di metodi e strumenti per il calcolo a resistenza dei giunti di forma anche complessa. Lo strumento incorporerà i criteri di cedimento sviluppati al punto precedente ed avrà la capacità di fornire i parametri tensionali utili alla verifica di resistenza.
Tra i metodi di analisi della sollecitazione saranno esaminati i seguenti:
- metodi analitici elementari;
- metodi analitici esatti;
- metodi numerici agli elementi finiti;
- metodi numerici agli elementi al contorno.
Questa fase culminerà con la creazione di un'interfaccia utente per la verifica strutturale di giunti di complessità commisurata alla potenza del metodo di analisi prescelto. <<<

Risultati parziali attesi

- Piano completo delle prove sperimentali da eseguire
- Costanti elastiche degli adesivi in prova
- Modelli per il calcolo di tensioni regolarizzate nell'adesivo di giunti tipici- Primi dati sperimentali per la definizione di criteri di cedimento# <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il ricorso agli adesivi nelle costruzioni meccaniche si presenta oggi come interessante alternativa alle tradizionali metodologie di giunzione. Tra i vantaggi che la tecnologia dell'incollaggio può vantare rispetto alle tecniche classiche (viti, attrito, saldatura, ...) rientrano:
- la maggior semplicità di lavorazione delle parti da unire;
- la facilità di automazione delle operazioni necessarie all'incollaggio;
- la buona estetica
- la possibilità di distribuire gli sforzi su ampie superfici evitando concentrazioni di tensione sugli aderendi;
- la possibilità di unire facilmente parti realizzate in materiali diversi ed in materiali non metallici;
- il conferimento di funzioni ausiliarie al giunto come sigillatura, isolamento termico ed elettrico.
- la possibilità di convivere con le altre tecniche di collegamento.
Questi vantaggi si traducono nell'aumento delle prestazioni della costruzione, riducendone al contempo il peso, la complessità ed il costo di produzione.
A dispetto di queste attrattive, la diffusione industriale degli adesivi strutturali è limitata dalla diffidenza che i progettisti nutrono verso questa moderna tecnologia. Prima causa di diffidenza è la mancanza di criteri e metodi razionali per il calcolo a resistenza che renda il proporzionamento del giunto un'operazione affidabile (e dimostrabile) come avviene per i normali elementi delle macchine.
Per ampliare le conoscenze sugli adesivi e rimuovere queste difficoltà, all'estero sono stati costituiti centri di ricerca, industriali ed universitari, dedicati all'argomento.
Mancando analoghe iniziative in Italia, i proponenti la ricerca hanno promosso nel 1998 la costituzione informale di un Polo Italiano degli Adesivi. Le attività del Polo sono incentrate sulla ricerca e sulle applicazioni industriali degli adesivi, con particolare riferimento agli aspetti progettuali e di convalida delle costruzioni incollate. Allo scopo di favorire il trasferimento tecnologico dagli enti di ricerca e dai produttori verso i potenziali utilizzatori, il Polo organizza annualmente un convegno che tocca le aree più industrializzate d'Italia. Questi gli appuntamenti avuti finora:
- Torino (1999), principali relatori Prof. A. Beevers (Oxford Brookes University, Glasgow), Dr. W. Fleischmann, Dr A. Lennox, Dr. G. Romanos (Kenkel Loctite Research Centre, Monaco);
- Parma (2000), principale relatore Prof. R.D. Adams (University of Bristol; http://me.unipr.it/design/nick/adesivi.html);
- Vicenza (2001), principale relatore Prof. Dillard (Virginia Tech University; http://www.gest.unipd.it/convegni/adesivi);
- Reggio Emilia (2002), principale relatore Dr. A. Crocombe (University of Surrey; http://www.ingre.unimo.it/adesivi2002);
- Genova (2003), con presentazione dei risultati di un contratto di ricerca tra i proponenti del presente progetto ed Henkel Loctite Adesivi.
Quest'anno (2004), il convegno si terrà a Madrid nel prossimo mese di Giugno.
Nel 1999 alcune delle componenti universitarie del Polo (tra cui i proponenti di questa ricerca) hanno ottenuto dal MURST un cofinanziamento (COFIN 99) per una ricerca dal titolo "Criteri di resistenza ed integrità di giunzioni strutturali incollate". La ricerca ha riguardato il controllo non distruttivo, la caratterizzazione delle proprietà meccaniche, la valutazione della resistenza statica, sia con metodologie tradizionali sia utilizzando metodologie derivanti dalla meccanica della frattura, il comportamento a fatica e ad impatto delle giunzioni, considerando principalmente adesivi anaerobici e acrilici modificati. I risultati ottenuti sono documentati nelle pubblicazioni [1-21].
L'esperienza maturata in quell'occasione, unita al recente interesse dimostrato con i proponenti da un noto produttore di adesivi (Henkel Loctite) ha spinto a proseguire la ricerca in un ambito specifico. L'attenzione è rivolta alla caratterizzazione ed al calcolo dei giunti incollati soggetti a caricamento monotono (quasi statico e impulsivo), condizioni di lavoro frequenti nella pratica e riconducibili ad analoghi meccanismi di cedimento [22,23].
L'analisi della letteratura sull'argomento [24-40] conferma che il problema della determinazione della resistenza monotona delle giunzioni incollate è ancora irrisolto.
Il metodo comunemente utilizzato di riferirsi alle sollecitazioni medie permette solo una prima stima grossolana della resistenza, insufficiente in molti casi di interesse pratico. E' noto infatti che anche nel caso di sollecitazioni nominali uniformi, come quelle previste nei test standardizzati, lo stato di tensione nel giunto non è uniforme, e si possono presentare singolarità e stati di tensione multiassiali soprattutto agli estremi della zona incollata.
Per valutare lo stato di tensione nell'adesivo sono disponibili fondamentalmente due approcci:
- approcci basati sulle tensioni di picco o efficaci;
- approcci basati su criteri di intensità di campo nell'intorno di singolarità
Il primo approccio elimina il problema delle singolarità di tensione singolarità (discontinuità geometriche, discontinuità materiali o difetti) ricorrendo a valutazioni mediate della risposta elastica dell'adesivo, di solito inserita all'interno di un modello strutturale del sistema adesivo-aderendi [24].
Il secondo approccio [25,26] affronta il problema delle singolarità con la stessa impostazione della meccanica della frattura lineare elastica, ossia facendo riferimento ad un parametro tensionale caratteristico della rapidità con cui le tensioni elastiche tendono all'infinito in prossimità del punto di singolarità.
Entrambi gli approcci sono ben sviluppati in letteratura ed affrontati con metodi analitici (teorie elementari, teoria dell'elasticità) o numerici (elementi finiti, elementi al contorno).
Molti lavori di letteratura in particolare di tipo numerico, riguardano l'ottimizzazione della geometria degli aderendi e delle giunzioni al fine di ridurre i picchi di tensione nello strato adesivo. Questi risultati sono qualitativamente indicativi della direzione in cui muoversi per migliorare la resistenza di un giunto, ma non bastano a determinare un criterio quantitativo assoluto capace di prevedere la resistenza dello stesso.
Gli approcci basati sulle tensioni sono spesso applicati ad un numero di casi limitato che non ne permettono una validazione di carattere generale. Pochi [30, 33] e non conclusivi sono i tentativi di costituire una base sperimentale omogenea e sistematica, sulla quale elaborare criteri di resistenza semplici, generali ed utili nella normale pratica ingegneristica.
Partendo da una recente analisi sperimentale [41], preliminare ma incoraggiante, la ricerca proposta intende colmare questa lacuna con riferimento al comportamento dei giunti adesivi sottoposti a carichi monotoni (quasi statici ed impulsivi). La ricerca si propone tre obiettivi:
- eseguire prove sistematiche a rottura su giunti incollati elementari secondo una campagna razionalmente pianificata;
- individuare, partendo dai molti proposti in letteratura, i criteri di cedimento che meglio descrivono l'esito sperimentale;
- sviluppare strumenti automatici per il calcolo a resistenza di giunti tipici e semplici strutture incollate.
La ricerca coinvolge tre Unità di Ricerca: Reggio Emilia, Genova, Torino. Le tre Unità contribuiscono collettivamente per la pianificazione degli esperimenti e l'elaborazione dei criteri e singolarmente per le seguenti attività in cui posseggono specifiche competenze:
- Reggio Emilia per l'analisi teorica delle tensioni e lo sviluppo di software di calcolo [42,43];
- Genova per le prove sotto caricamento quasi statico [44];
- Torino per le prove sotto caricamento impulsivo [45-47]. <<<