Recinzioni in PRFV frangibili per aeroporti: analisi numerico sperimentale (PARTE 1)

Per approfondire il tema delle recinzioni aeroportuali in PRFV, è utile conoscere l’attività numerico-sperimentale promossa da M.M. Srl per la verifica del requisito di frangibilità secondo la norma ICAO 9157 “Aerodrome Design Manual – Part 6 – Frangibility”.

L’argomento viene trattato in due diversi articoli: il primo, che è quello che state leggendo, presenta le prove sperimentali, mentre il secondo approfondisce il tema della correlazione numerico-sperimentale.

 

PRFV e aeroporti: uno studio per innovare

Con l’obiettivo di sviluppare una nuova linea di prodotti in PRFV (polimeri rinforzati con fibre di vetro) da utilizzare in ambito aeroportuale, M.M. ha deciso di approfondire i requisiti richiesti dalla norma di riferimento, ICAO 9157 “Aerodrome Design Manual – Part 6 – Frangibility”, in collaborazione con CrashTech SRL.

Come premessa allo studio possiamo sintetizzare alcune tra le più note proprietà intrinseche della vetroresina PRFV:

  • resistenza alla corrosione;
  • a-magneticità; 
  • isolamento elettrico; 
  • assenza di manutenzione.

Quattro peculiarità che rappresentano il poker d’assi dell’elevata flessibilità di impiego della vetroresina che, grazie alla caratteristica di radar trasparenza, si rivela particolarmente interessante per il settore aeroportuale. 

Approfondiamo, dunque, come dalla sinergia tra M.M., che da oltre quarant'anni opera nel settore della vetroresina PRFV, producendo grigliati, profili e compositi di elevata qualità, e CrashTech, società di ingegneria specializzata in simulazioni FEM e in test sperimentali d’impatto, sia stato possibile svolgere un’attività numerico-sperimentale comprensiva di prove al vero e simulazioni numeriche ad elementi finiti con oggetto le recinzioni in PRFV (realizzate con profili pultrusi e rete in PRFV), utilizzate come recinzioni perimetrali per delimitare l’area di aeroporti e sistemi radar.

 

Recinzioni in PRFV frangibili per aeroporti

 

Fasi e prove dell'analisi sperimentale

Per quanto riguarda la parte sperimentale, la prima fase ha riguardato la caratterizzazione del materiale PRFV attraverso prove sperimentali su provini appositamente realizzati. Tali test sono stati, infatti, svolti su provini a osso di cane, come previsto dalla normativa di riferimento ASTM D638, ricavati direttamente dai montanti 50x50x5 mm della recinzione oggetto di studio. 

Nella fase sperimentale successiva sono state svolte prove sui componenti principali caratteristici della recinzione, cioè i montanti del sistema. 

In dettaglio, i test sperimentali svolti sono stati i seguenti:

  1. Trazione monoassiale statica, su provini a osso di cane
  2. Flessione a 4 punti statica, su montanti 50x50x5 mm, in diverse condizioni di carico
  3. Flessione a 3 punti dinamica, su montanti 50x50x5 mm, al variare dell’altezza di caduta

L’obiettivo delle prove sperimentali è stato quello di ricavare sia la risposta del materiale in termini di diagramma forza/spostamento, sia i meccanismi di cedimento propri del materiale e dei componenti principali in esame. 

 

Prova 1: Trazione statica monoassiale

I test di trazione statica monoassiale sono stati eseguiti con una macchina di trazione MTS. Ai provini, forniti da M.M. Srl, è stato applicato uno spostamento a velocità costante, in condizioni quasi statiche, registrando forza, spostamento e deformazione del provino stesso. Le grandezze relative alle prove sperimentali quasi statiche sono state campionate a 100 Hz.

 

Macchina per prove di trazione statiche MTS

 

Prova 2: Flessione a 4 punti – statica

Per l’esecuzione dei test di flessione statica a 4 punti è stata utilizzata una struttura modulare che ha consentito l’applicazione di carico e spostamento ai montanti oltreché la variazione delle condizioni al contorno quali, ad esempio, la distanza tra gli appoggi.

Il carico, applicato attraverso un martinetto idraulico che agisce al centro del montante, è stato misurato sia nel punto di applicazione, dove è misurato anche lo spostamento del pistone, sia agli appoggi, tramite appositi trasduttori. Le grandezze di interesse sono state campionate ad 1 kHz.

I test di flessione statica sono stati condotti su montanti in PRFV 50x50x5 mm, considerando due diverse distanze tra gli appoggi, pari a 600 e 800 mm, e la presenza o meno di un intaglio sul provino. L’introduzione dell’intaglio ha lo scopo di verificare sia il comportamento della struttura, sia i carichi sopportabili, nell’ottica di introdurre questo tipo di lavorazione nella configurazione di recinzione aeroportuale finale, qualora si rendesse necessaria una riduzione dei carichi trasmessi in caso di impatto, in conformità alle richieste normative.

 

Struttura modulare per test di flessione statica montanti

 

Prova 3: Flessione a 3 punti - dinamica

Per la valutazione del comportamento dinamico dei montanti in PRFV sono state allestite delle prove di flessione a 3 punti specifiche. 

I test sperimentali sono stati eseguiti applicando un carico dinamico attraverso una massa battente e misurando le conseguenti forze trasmesse alla struttura di supporto, al variare della velocità di impatto. Per l’esecuzione delle prove sono stati utilizzati gli appoggi inferiori già impiegati per i test di flessione statica a 4 punti. Questa struttura di supporto è stata parzialmente interrata per garantirne la stabilità, quando sollecitata dai carichi di prova, e per ottenere una decelerazione contenuta dell’impattatore.

Come massa battente si è utilizzato un tubo in acciaio di 68 kg.

Durante le prove sono stati misurati il carico sugli appoggi dei montanti, attraverso due trasduttori di forza, e l’accelerazione della massa battente, mediante un accelerometro monoassiale montato sulla stessa. I dati sono stati acquisiti a 10 kHz.

I test sono stati condotti su montanti in PRFV 50x50x5 mm, analoghi a quelli utilizzati per le precedenti prove statiche, con e senza intaglio. La massa battente è stata fatta cadere da altezze differenti, da 2 a 4 metri, così da ottenere velocità di impatto comprese tra 6 m/s e 9 m/s circa. 

La distanza tra gli appoggi è stata mantenuta costante e pari a 800 mm per tutti i test effettuati.

L’obiettivo di queste prove, in analogia ai test statici svolti nella fase precedente, è stato quello di verificare i carichi trasmessi dai montanti in caso di sollecitazione dinamica e i meccanismi di cedimento dei componenti.

 

Recinzioni in vetroresina: setup di prova test di flessione dinamica

 

I test sperimentali così condotti sono stati in seguito riprodotti numericamente con l'obiettivo di ottenere, mediante un’univoca legge costitutiva, la corretta risposta del modello numerico in tutte le condizioni di carico considerate. 

Per approfondire in dettaglio come l’attività di studio sia proseguita, è possibile leggere l’articolo:

 “Recinzioni frangibili in vetroresina per aeroporti. Analisi numerico sperimentale (P.2)

 


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