relazione di fine tirocinio prove di caratterizzazione ... · per ricostruzioni nel restauro...

Università degli Studi “Roma Tre”

Dipartimento di Ingegneria

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Civile per la Protezione dai Rischi Naturali –

Curriculum strutture

RELAZIONE DI FINE TIROCINIO

Prove di caratterizzazione meccanica di materiali compositi

su supporto in muratura

Tutor universitario: Studente:

Prof. Gianmarco de Felice Andrea Nesi

Matricola:

Tutor aziendale: 449020

Arch. Lorena Sguerri

A.A. 2017/2018

Prove di caratterizzazione meccanica di materiali compositi su supporto in muratura

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1. INTRODUZIONE ............................................................................................................ 3

1.1 Specifiche per le prove ................................................................................................................................ 3

2. CARATTERISTICHE DEI CAMPIONI....................................................................... 5

2.1 Supporti in muratura .................................................................................................................................. 5

2.1.1 Mattone pieno San Marco .................................................................................................................... 6

2.1.2 Malta di allettamento Biocalce Muratura ............................................................................................. 6

2.2 Sistemi di rinforzo ....................................................................................................................................... 7

2.2.1 Acciaio ................................................................................................................................................. 8

2.2.1.1 GeoSteel G600 ........................................................................................................................... 8

2.2.1.2 GeoCalce .................................................................................................................................... 9

2.2.2 Vetro .................................................................................................................................................. 11

2.2.2.1 SikaWrap-350G Grid................................................................................................................ 11

2.2.2.2 MonoTop-722 Mur ................................................................................................................... 12

2.2.3 Basalto ............................................................................................................................................... 13

2.2.3.1 Mapegrid B250 ......................................................................................................................... 13

2.2.3.2 Planitop HDM .......................................................................................................................... 13

3. PROGRAMMA SPERIMENTALE ............................................................................. 15

3.1 Confezionamento dei campioni ................................................................................................................ 15

3.1.1 Tallonatura ......................................................................................................................................... 16

3.2 Set-up di prova ........................................................................................................................................... 20

3.2.1 Macchina universale MTS ................................................................................................................. 22

3.2.2 Trasduttore di spostamento induttivo LVDT ..................................................................................... 23

3.2.3 Telaio per prova di delaminazione ..................................................................................................... 25

3.2.4 Sistema di cattura immagini ............................................................................................................... 27

3.3 Esecuzione dei test ..................................................................................................................................... 28

3.3.1 Preparazione e posizionamento del campione ................................................................................... 28

3.3.2 Applicazione precarico ...................................................................................................................... 30

3.3.3 Annotazioni e rilievi pre-test .............................................................................................................. 30

3.3.4 Svolgimento del test ........................................................................................................................... 31

3.3.5 Annotazioni e rilievi post-test ............................................................................................................ 33

4. ELABORAZIONE DEI DATI ...................................................................................... 34

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4.1 Codice in ambiente MATLAB .................................................................................................................. 38

4.2 Riepilogo dei risultati ................................................................................................................................ 44


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1. INTRODUZIONE

Il tirocinio si è tenuto dal 15 febbraio 2018 al 1 luglio 2018 presso il “Laboratorio di prove e

ricerca strutturale” del “Dipartimento di Architettura” dell’Università Roma Tre in

via Vito Volterra n.62 a Roma (RM); e sotto la responsabilità dell’Arch. Lorena Sguerri,

responsabile del medesimo laboratorio. Il tirocinante ha svolto la sua attività cinque giorni a

settimana, in genere dalle 10:00 alle 17:00, per un totale di 150 ore pari a 6 CFU. L'attività

svolta consiste principalmente nell’allestimento, esecuzione ed elaborazione di dati di prove di

caratterizzazione meccanica su campioni con rinforzo in materiale composito F.R.C.M. con

fibre e matrici che verranno discusse in appositi capitoli.

Lo scopo delle presenti prove sperimentali è lo studio del comportamento a delaminazione di

campioni in muratura rinforzati mediante materiale composito. Per delaminazione si intende lo

studio della modalità di rottura del rinforzo stesso nei confronti del supporto.

Il rinforzo è di tipo FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix), costituito

dall’accoppiamento di una rete di fibra a elevate prestazioni e di una matrice inorganica

stabilizzata impiegata con la funzione di adesivo.

È opportuno che le prove vengano eseguite da laboratori con comprovata esperienza e dotati di

strumentazione adeguata per la particolare tipologia di rinforzo utilizzato, così come specificato

nell’articolo 59 del DPR n.380/2001.

1.1 Specifiche per le prove

Per le modalità di esecuzione della prova di delaminazione e per la determinazione dei

parametri meccanici rilevanti si deve far riferimento alle indicazioni definite da Assocompositi,

l’associazione di riferimento del settore dei materiali compositi in Italia, che su richiesta del

Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti, ha avviato a maggio 2012 un Tavolo di Lavoro

dedicato alla qualificazione degli FRCM.

Le prove di delaminazione servono per verificare la resistenza del sistema di rinforzo nei

confronti del distacco da supporti standard, in vista della loro qualificazione per applicazioni

strutturali. Per le prove di delaminazione occorre realizzare provini di opportune dimensioni

realizzati secondo le modalità utilizzate in cantiere e con condizioni atmosferiche standard

(20°C e pressione atmosferica).

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Per ciascuna prova bisogna caratterizzare il tipo di rottura, che può manifestarsi secondo le

modalità esposte nella seguente figura e fornire il valore della tensione e della deformazione al

picco registrate durante la prova dell’apposita strumentazione che verrà di seguito analizzata.

Figura 1 - Modalità di rottura dei provini nei test di delaminazione: debonding con rottura coesiva nel substrato (A),

all’interfaccio substrato-matrice di rinforzo (B), e all'interfaccia tessuto-matrice (C), scorrimento del tessuto all'interno

dello spessore di rinforzo (D), rottura a trazione del tessuto nella porzione non adesa (E) e all'interno della matrice (F).

L’aderenza del composito dipende in modo fondamentale dalle caratteristiche del supporto, in

termini meccanici (soprattutto resistenza ed energia di frattura, in particolare a trazione) ma

anche fisico-chimici (trattamento della superficie prima dell’applicazione, dimensione dei

grani, presenza di porosità, compatibilità della matrice con il supporto, etc.).

Le prove di delaminazione devono essere quindi condotte in condizioni standard del materiale

di supporto considerato e di trattamento della superficie.

Le prove devono essere condotte con modalità che devono tendere a riprodurre in modo più

fedele possibile le condizioni effettive di applicazione del rinforzo e servono a verificare che il

distacco si manifesta per rottura coesiva e che il valore della tensione corrispondente è almeno

pari al prodotto del valore caratteristico della deformazione di rottura del rinforzo per il valor

medio di quest’ultimo per un ulteriore coefficiente riduttivo (che dipende dal materiale del

supporto), per tutti i casi esaminati.


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2. CARATTERISTICHE DEI CAMPIONI

Un criterio di scelta per quanto riguarda i materiali costituenti il supporto per il rinforzo da

testare è stato quello di adottare materiali con caratteristiche paragonabili ai materiali di

costruzione di edifici storici. Sono stati quindi adottati campioni costituiti da supporti in

muratura con differenti sistemi di rinforzo. Nel seguito si riportano le caratteristiche nel

dettaglio dei diversi elementi costituenti il campione.

Figura 2 - Schema del campione

2.1 Supporti in muratura

I supporti in muratura sono costituiti dalla combinazione di mattoni divisi a metà, tipo

San Marco legati tramite malta di tipo BioCalce Muratura.

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2.1.1 Mattone pieno San Marco

Figura 3 - Mattoni San Marco

In accordo con i criteri di scelta precedentemente descritti sono stati adottati mattoni pieni “a

pasta molle” con dimensioni nominali 120mm x 250mm x 55mm denominati San Marco –

Rosso Vivo (A6R55W). Di seguito si riportano le caratteristiche meccaniche rilasciate dal

produttore:

Figura 4 - Dati tecnici mattone pieno San Marco

2.1.2 Malta di allettamento Biocalce Muratura

Biocalce Muratura è una malta di classe M5 specifica per la costruzione, il recupero e il

rincoccio traspirante di murature portanti e di tamponamento in laterizio, mattone, tufo, pietra

e miste interne ed esterne. È particolarmente adatto come malta da costruzione, ristrutturazione

e recupero nell’edilizia dove l’origine rigorosamente naturale dei suoi ingredienti garantisce il

rispetto dei parametri fondamentali di porosità, igroscopicità e traspirabilità richiesti. È idoneo

per ricostruzioni nel restauro storico, dove la scelta di ingredienti della tradizione come calce

naturale, pietra, marmo e granito sapientemente dosati garantisce interventi conservativi nel

rispetto delle strutture esistenti e dei materiali originari.


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Figura 5 - Scheda tecnica Biocalce Muratura

2.2 Sistemi di rinforzo

I campioni confezionati sono rinforzati mediante strisce di FRCM aventi caratteristiche

differenti; in particolare si utilizzato tre tipologie di fibre ovvero:

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➢ Trefoli di acciaio;

➢ Tessuto di vetro;

➢ Tessuto di basalto.

A ogni tipologia è assegnata una matrice dal fornitore, che è stata rispettata per la realizzazione

dei campioni.

Di seguito si riporta una tabella riepilogativa con le tipologie di materiali utilizzate per il

confezionamento dei campioni.

Produttore Rete Matrice

Tipologia Denominazione Tipologia Denominazione

Kerakoll Acciaio GeoSteel G600 Calce GeoCalce

Sika Vetro SikaWrap-350 G Grid Pozzolanica MonoTop-722 Mur

Mapei Basalto Mapegrig B 250 Cementizia Planitop HDM

Si riportano nel dettaglio le caratteristiche dei singoli prodotti.

2.2.1 Acciaio

Il sistema è realizzato dalla Kerakoll che abbina la rete in trefoli di acciaio GeoSteel G600 con

la malta a base di calce GeoCalce.

Si riportano le caratteristiche dei due prodotti.

2.2.1.1 GeoSteel G600

Il tessuto GeoSteel G600 in fibra di acciaio galvanizzato Hardwire ad altissima resistenza è un

tessuto unidirezionale formato da micro-trefoli di acciaio ad altissima resistenza galvanizzati,

fissati su una microrete in fibra di vetro che ne facilita le fasi d’installazione.

Si riporta la scheda tecnica del prodotto.


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Figura 6 - Scheda tecnica GeoSteel G600

2.2.1.2 GeoCalce

Geomalta naturale strutturale traspirante certificata, eco-compatibile, a base di pura calce

naturale NHL 3.5 e Geolegante® minerale, classe di resistenza a compressione M15 secondo

EN 998-2, CS IV secondo EN 998-1 e R1 secondo EN 1504-3, per interventi su murature

altamente traspiranti e manufatti in calcestruzzo, ideale nel GreenBuilding e nel Restauro

Storico. Contiene solo materie prime di origine rigorosamente naturale e minerali riciclati. A

ridotte emissioni di CO2 e bassissime emissioni di sostanze organiche volatili. A ventilazione

naturale attiva nella diluizione degli inquinanti indoor, batteriostatico e fungistatico naturale.

Riciclabile come inerte a fine vita.


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Figura 7 - Scheda tecnica GeoCalce


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2.2.2 Vetro

Il sistema è realizzato dalla Sika che abbina la rete in tessuto di vetro SikaWrap-350 G Grid

con la malta a base pozzolanica MonoTop-722 Mur.


2.2.2.1 SikaWrap-350G Grid

SikaWrap-350 G Grid è una rete in fibra di vetro, alcali-resistente, impiegata per il

rafforzamento di murature tradizionalie muri di tamponamento in laterizio o blocchi di

cemento.


Figura 8 - Scheda tecnica SikaWrap-350G Grid

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2.2.2.2 MonoTop-722 Mur

Sika MonoTop-722 Mur è una malta pronta, monocomponente, fibrorinforzata a base di leganti

idraulici, con aggiunta di reattivi pozzolanici, inerti selezionati e speciali additivi. Utilizzata in

abbinamento alla rete in fibra di vetro SikaWrap-350G Grid realizza un efficace

consolidamento di murature, distribuendo le tensioni derivanti dal movimento del supporto su

una superficie maggiore evitando fessurazioni e distacchi della malta stessa.


Figura 9 - Scheda tecnica MonoTop-722 Mur


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2.2.3 Basalto

Il sistema è realizzato dalla Mapei che abbina la rete in tessuto di basalto Mapegrid B250 con

la malta a base cementizia Planitop HDM.


2.2.3.1 Mapegrid B250

Armatura bidirezionale in fibra di basalto alcaliresistente, pre-apprettata, da impiegare per il

rinforzo strutturale “armato” di manufatti in calcestruzzo armato e muratura, al fine di

migliorare la resistenza e la duttilità globale.


Figura 10 - Scheda tecnica Mapegrid B250

2.2.3.2 Planitop HDM

Malta cementizia da utilizzare come matrice per materiali compositi. Ottima per l’applicazione

su superfici in calcestruzzo, pietra, mattoni e tufo.

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Figura 11 - Scheda tecnica Planitop HDM


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3. PROGRAMMA SPERIMENTALE

Il programma sperimentale svolto si articola in diverse fasi che vanno dal confezionamento dei

provini fino all’esecuzione e all’elaborazione delle prove di delaminazione.

Sono state effettuate in totale quindici prove e nelle pagine seguenti viene riportato un quadro

riassuntivo dei provini testati.

Produttore Rete Matrice Nome

Kerakoll GeoSteel G600 GeoCalce S-01





Sika SikaWrap-350 G Grid MonoTop-722 Mur G-01





Mapei Mapegrig B 250 Planitop HDM B-01





3.1 Confezionamento dei campioni

Quella del confezionamento è evidentemente una fase molto delicata ed eventuali errori

commessi potrebbero riflettersi sull’esito della prova alterando i risultati. Il processo di

confezionamento è diverso a seconda della tipologia dei provini da testare. Verranno illustrate

dettagliatamente tutte le varie fasi che hanno preceduto il set-up e l’esecuzione della prova.

Secondo quanto descritto dalle linee guida americane nell’allegato A delle AC434 - A3.0-: “Un

sistema non appropriato di ancoraggio può causare rotture dei provini in prossimità degli

afferraggi e conseguentemente una forte dispersione dei risultati”.

Vengono inoltre fornite agli stessi punti importanti informazioni relative alle dimensioni del

provino e dei sistemi di ancoraggio:

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“La larghezza del provino non deve essere maggiore di quella degli afferraggi della macchina

di trazione. In caso contrario, non sarebbe assicurata nel provino una distribuzione uniforme

delle tensioni normali di trazione.

La lunghezza minima del provino deve essere maggiore della somma della lunghezza degli

afferraggi più due volte la larghezza del provino, più ancora la lunghezza della base di misura

dell’estensometro.

È comunque preferibile avere campioni più lunghi della suddetta lunghezza per minimizzare

gli effetti degli ancoraggi.

I campioni devono essere provvisti di talloni alle estremità, nelle zone di afferraggio, per evitare

rotture dei campioni localizzate in tali zone.

I talloni possono essere metallici (alluminio o acciaio) o di materiale polimerico anche

fibrorinforzato (es. GFRP). I talloni, due per ogni estremità, devono avere la stessa larghezza

del campione e sono fissati a quest’ultimo utilizzando adesivi indicati per l’uso specifico.

La lunghezza dei talloni può essere calcolata sulla base del carico massimo previsto, della

resistenza dell’adesivo tra tallone e campione e della lunghezza di ancoraggio delle fibre della

rete nella matrice. Si raccomanda una lunghezza minima dei talloni di 80 mm. Lo spessore dei

talloni deve essere adeguato a distribuire uniformemente la forza di afferraggio a tutta la

larghezza del campione. Si suggerisce uno spessore minimo di 2 mm”.

3.1.1 Tallonatura

Il processo di tallonatura è stato eseguito presso il laboratorio di prove e ricerca strutturale del

dipartimento di architettura dell’università Roma Tre.

Questo consiste nell’applicazione di talloni in alluminio all’ estremità libera del tessuto tramite

adesivo sufficientemente resistente, per permettere poi un afferraggio adeguato durante la

prova. I talloni hanno lo scopo di proteggere il tessuto dalla chiusura delle morse dell’MTS e

di garantire una migliore distribuzione delle tensioni su tutti gli yarn.

Per eseguire tale processo è stata utilizzata una resina bicomponente denominata “Araldite

2011”. Questo è un adesivo multifunzionale in pasta, a due componenti, di alta resistenza e

durezza, che polimerizza a temperatura ambiente. È adatto per unire una vasta gamma di


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metalli, ceramiche, vetro, gomma, plastica rigida e la maggior parte dei materiali di uso

comune. È un adesivo versatile per uso artigianale come anche per la maggior parte delle

applicazioni industriali. Le sue proprietà principali sono l’alta resistenza al taglio e allo

spellamento, la buona resistenza al carico dinamico, e il fatto di unire un’ampia gamma di

materiali di uso comune.

Figura 12 - Specifiche araldite

➢ La resina e l’induritore devono essere mescolati fino a formare una miscela omogenea;

➢ Applicazione dell’adesivo: la miscela resina/induritore è applicata con una spatola sulle

superfici da unire, pre-trattate ed asciutte. Uno strato di adesivo, dello spessore

compreso tra 0,05 e 0,10mm, conferirà solitamente al legame la maggiore resistenza al

taglio da sovrapposizione. I componenti di unione devono essere assemblati e

imbrigliati subito dopo l’applicazione dell’adesivo. Una pressione di contatto uniforme

su tutta l’area unita assicurerà un’ottima polimerizzazione;

➢ Caratteristiche dopo indurimento: se non altrimenti indicato, i valori riportati più oltre

sono stati ottenuti in seguito ai test cui sono stati sottoposti campioni standard, prodotti

dall’unione a sovrapposizione di strisce in lega di alluminio, di dimensioni 170 x 25 x

1,5 mm. In ogni caso, l’area da unire era di 12,5 x 25 mm.

Vengono ora illustrate le varie fasi relative al processo suddetto:

1. I talloni vengono ritagliati da strisce di alluminio utilizzando un frullino oppure vengono

riciclati quelli già utilizzati per altre prove usando il forno (a 200°C l’araldite perde le

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proprie caratteristiche). Se i talloni sono costruiti “ex novo” è necessario smerigliarli

per evitare che il tallone possa tagliare il tessuto. Anche per questa procedura si fa uso

del frullino;

2. Viene preparata l’araldite rispettando le proporzioni in peso dei due componenti che

vanno mescolati. Le dosi delle due componenti sono le seguenti:

• Parte A 100g (di colore trasparente tendente al bianco);

• Parte B 80g (di colore simile al miele);

3. Si ritaglia uno strato di pellicola non aderente da frapporre tra il mattone ove il tessuto

poggerà, ed il tessuto stesso, onde evitare che l’araldite vada a legare mattoni e

tallonatura;

4. Viene disposta tramite una spatola la quantità adeguata di colla su entrambi i talloni;


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5. Si posiziona il tallone al di sotto del tessuto facendo permeare bene l’araldite tra le fibre;

6. Si posiziona il secondo tallone al di sopra del primo e si richiude la pellicola trasparente

al di sopra di questo;

7. Si posiziona un peso al di sopra dei due talloni così da far aderire in maniera adeguata

l’araldite;

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8. Si attendono 24/48 ore per l’asciugatura completa del legante

3.2 Set-up di prova

Per l’esecuzione della prova di delaminazione è necessario fare uso di un sistema meccanico

sufficientemente rigido (macchine universali o altri sistemi dimensionati per una forza di

almeno 100 kN) e in grado di condurre le prove in controllo di spostamento.

Per la misura degli spostamenti si deve fare uso di strumenti idonei con precisione pari ad

almeno 0,001 mm; la forza deve essere misurata mediante cella di carico di capacità correlata

alla massima forza attesa. Nel caso di misura delle deformazioni, possono essere usati

estensimetri resistivi o altre metodologie di comprovata validità. Tutte le misure provenienti

dalla strumentazione devono essere opportunamente registrate con frequenza non inferiore ai

2 Hz.

La prova deve essere eseguita in controllo di spostamento con una velocità di 0,03 mm/sec e

deve essere condotta con modalità che consentano di assicurare l’allineamento della forza di


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trazione applicata con l’asse del rinforzo. Tale allineamento deve essere assicurato durante tutto

lo svolgimento della stessa.

Durante la prova deve essere misurata la forza applicata e lo spostamento della sezione iniziale

del rinforzo rispetto al supporto.

Il campione deve essere collocato in un telaio in acciaio, sufficiente ad evitare rotazioni e

distorsioni. Un accurato posizionamento del campione è necessario per garantire l'allineamento

della piastra superiore del dispositivo di supporto in acciaio e la striscia di composito non adeso.

Il sistema richiede una particolare cura nel serrare l'estremità libera della striscia; all'estremità

della fibra di rinforzo si può applicare un tallone composto da una fibra di vetro e resina

epossidica, atto a garantire una distribuzione omogenea di sollecitazioni ed evitare fenomeni di

slittamento in corrispondenza delle morse.

Lo slip tra il substrato e il rinforzo deve essere misurato direttamente o derivato dopo la fase di

elaborazione. I trasduttori di spostamento potrebbero essere di diversi tipi: sensori induttivi,

potenziometri, sensori del tipo a trasduttore differenziale variabile lineare e indicatori digitali.

Si riporta in “Figura 2”, di seguito riportata, a titolo di esempio, la configurazione del set-up di

prova.

Figura 13 - Schema del set-up di prova

Nel seguito si analizzano nel dettaglio tutti gli strumenti di acquisizione dati del set-up.

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3.2.1 Macchina universale MTS

Le prove sono eseguite con la macchina universale MTS (Material Testing System).

Figura 14 - Macchina MTS

Le prove vengo eseguite in controllo di spostamento con una velocità di carico costante pari a

0,02 mm/s per le prove di trazione su tessuto secco, 0,01 mm/s per le prove di trazione su

composito e 0,003 mm/s per le prove di delaminazione.

In questo set-up di prova, la forza viene registrata direttamente dal sistema di controllo della

macchina MTS che fornisce il valore della forza totale trasmessa alle fibre del tessuto.

Il carico è stato applicato attraverso una macchina di prova universale MTS dotata di una servo-

valvola da 500kN. La prova si può effettuare sia in controllo di forza, ovvero si applica un

carico e si va ad individuare lo spostamento associato, oppure in controllo di spostamento, cioè

si applica uno spostamento e si va ad individuare il carico associato. La forza applicata viene

misurata da una cella di carico integrata nella macchina di prova.

Il controllo di spostamento è in generale preferibile poiché permette di valutare meglio il ramo

decrescente della curva legato alla perdita di tensione dopo il raggiungimento della resistenza


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massima del materiale. Per questo le prove sono state eseguite in regime monotono, in controllo

di spostamento.

Il carico applicato è stato registrato da una cella di carico integrata nella macchina di prova. Dai

valori di carico sono stati poi ricavati quelli di tensione nella sezione trasversale del rinforzo

riferita alla sezione di tessuto secco, cioè valutata come il prodotto della larghezza del campione

nella direzione di applicazione del carico per lo spessore equivalente.

Il livello di spostamento durante le prove è stato misurato tramite il trasduttore di spostamento

integrato nella macchina di prova, il quale misura lo spostamento relativo tra le 2 morse della

macchina; lo spostamento relativo permette di calcolare poi la deformazione subita dal provino,

andando a dividerlo per il valore del modulo elastico del tessuto suggerito dalla scheda tecnica.

Per ogni prova poi vengono utilizzati altri misuratori di spostamento e deformazione, in modo

tale poi da permettere un confronto con i dati della cella di carico.

3.2.2 Trasduttore di spostamento induttivo LVDT

Il trasduttore di spostamento induttivo, noto anche comeLVDT, è un dispositivo

elettromagnetico usato per la misura di piccoli spostamenti.

Il trasduttore è realizzato mediante un tubo composto da tre avvolgimenti disposti con assi

paralleli e con all'interno un nucleo cilindrico ferromagneticomobile, normalmente

caratterizzato da un'altapermeabilità magnetica. L'avvolgimento centrale è dettoprimarioe gli

altri due secondari: quello primario è collegato ad un generatore di tensione AC, ai capi dei

secondari invece si misura la tensione d'uscita.

Figura 15 - Schema funzionamento trasduttore

Quando il nucleo è al centro, la tensione indotta sugli avvolgimenti secondari, essendo questi

avvolti in senso discorde è uguale ma opposta, di modo che il segnale di tensione misurato sia

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praticamente nullo. Allo spostarsi del nucleo, invece, le mutue induttanze cambiano, e a

seconda che si sposti a sinistra o a destra risulterà maggiore l'accoppiamento induttivo con il

secondario rispettivamente di sinistra o destra. Di conseguenza il segnale in uscita varierà

proporzionalmente allo spostamento del nucleo.

L'LVDT è un trasduttore molto sensibile in grado di misurare spostamenti dell'ordine delle

frazioni di micromètro. A seconda della frequenza di alimentazione del primario e della massa

del nucleo si hanno frequenze di taglio di alcune centinaia di hertz e quindi buone risposte

dinamiche a spostamenti velocemente variabili nel tempo.

I trasduttori utilizzati sono prodotti dalla Inelta ed hanno una corsa massima di ±5mm. Di

seguito si riportano le specifiche tecniche e le dimensioni degli LVDT utilizzati:

Figura 16 - Specifiche LVDT

Nelle prove di delaminazione eseguite i trasduttori sono stati applicati in corrispondenza del

tessuto libero non adeso alla matrice; le punte degli LVDT vengono appoggiate a dei piastrini

incollati a caldo al di sotto del supporto in muratura, in modo da misurare lo spostamento

relativo tra il tessuto libero al di sotto del rinforzo applicato e il supporto in muratura. Per

definire poi precisamente lo slip, dovrà essere decurtata dai dati di registrazione, la

deformazione subita dal tessuto libero presente tra il punto di applicazione degli LVDT e la

zona di ancoraggio alla matrice.


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Figura 17 - Posizione degli LVDT

3.2.3 Telaio per prova di delaminazione

Per l’esecuzione dei test di delaminazione è stato utilizzato un telaio metallico realizzato ad hoc

nel Laboratorio di Prova. Il telaio è afferrato inferiormente nelle morse della macchina di prova,

verificando la perfetta orizzontalità del piano di prova.

Figura 18 - Base del telaio

Il pacchetto di rinforzo è alloggiato tra due piastre collegate da barre filettate che ne

garantiscono un serraggio efficace.

LVDT-Dx LVDT-Sx

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Figura 19 – Telaio

La piastra superiore possiede uno scasso al fine di garantire la perfetta verticalità del tessuto,

così da applicare uno sforzo di taglio puro sul rinforzo.

Figura 20 - Scasso del piatto superiore

Due elementi metallici sono collegati al telaio mediante bulloni, e vengono serrati per garantire

l’equilibrio e la stabilità, impedendo che il provino ruoti o si sposti durante l’esecuzione del

test.


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Figura 21 - Piastre a contrasto frontali

Il serraggio induce la nascita di uno sforzo normale all’interno del provino. Per migliorare la

distribuzione degli sforzi vengono posti dei fogli di neoprene tra le piastre di afferraggio ed il

campione stesso.

3.2.4 Sistema di cattura immagini

Per ottenere immagini di qualità al fine di rintracciare eventuali errori o avvenimenti particolari,

si dispone una macchina fotografica tipo Reflex su un trabattello munito di luci a led per

garantire una riuscita migliore delle immagini catturate. Viene impostata la macchinetta

fotografica per effettuare una foto ogni 10 secondi.

Figura 22 - Luci per l’illuminazione del campione

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3.3 Esecuzione dei test

Il test in esame si costituisce di varie procedure da dover eseguire con la massima attenzione e

accuratezza, in quanto il loro corretto svolgimento determina la buona riuscita della prova e

quindi risultati affidabili. Vengono di seguito descritti i passaggi svolti per l’esecuzione di un

singolo test.

3.3.1 Preparazione e posizionamento del campione

Questa fase si compone di:

1. Rilievo fotografico del provino su tavolo munito di metro;

2. Si posiziona il campione all’interno del set-up di prova, verificando che la base del

provino sia centrata rispetto all’asse riscontrabile sul piatto inferiore. Si verifica inoltre

la verticalità del tessuto non adeso utilizzando filo a piombo o livella, per garantire (nei

limiti delle possibilità) l’applicazione di uno sforzo di taglio puro sul rinforzo;

3. Si serra il telaio del set-up di prova verificando che la linea di mezzeria del tessuto risulti

corrispondente alla mezzeria delle morse, così da evitare eventuali differenze di carico

applicate sui vari trefoli. Si frappongono, alla base e in sommità, fogli di neoprene per

garantire una migliore distribuzione degli sforzi sul campione;


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4. Per prevenire la rotazione del campione si portano a contatto le estremità dei bulloni

frontali e posteriori del set-up;

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5. Si chiude la morsa superiore afferrando i talloni contenenti il tessuto non adeso,

verificando di nuovo:

a. Centratura del campione rispetto alla piastra di base;

b. Verticalità laterale del tessuto non adeso;

c. Coincidenza della mezzeria del tessuto con quella della morsa.

6. Vengono posizionati gli LVDT, i quali permettono la misura dello slip tra il tessuto

libero e il supporto; la punta dell’LVDT viene posizionata su un piastrino che viene

incollato a caldo in prossimità della prima sezione non adesa. Durante la prova di

trazione, grazie alla centralina Lab View, si può determinare in tempo reale lo

scorrimento. Una volta che vengono posizionati è importante effettuare anche una prova

con la centralina per verificare che gli LVDT funzionino adeguatamente;

3.3.2 Applicazione precarico

Al fine di tendere adeguatamente il tessuto non adeso, viene applicata una componente di

precarico a quest’ultimo pari al 5% del carico massimo atteso (0,5 KN). L’applicazione di

questo evita letture errate da parte degli LVDT, che in caso contrario potrebbero evidenziare

spostamenti negativi, e quindi di compressione.

3.3.3 Annotazioni e rilievi pre-test

Per ogni campione, successivamente alla fase di precarico, vengono raccolti i seguenti dati:

➢ Larghezza della malta (Bf);

➢ Spessore della malta (tf);

➢ Lunghezza di ancoraggio (La) – lunghezza del tessuto immerso nella malta;

➢ Lunghezza del tessuto libero (Lf) – compreso tra base del tallone e prima sezione non

adesa;

➢ Forza applicata in fase di precarico;

➢ Spostamento applicato in fase di precarico;


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➢ Distanza tra prima sezione non adesa e piastra di contrasto degli LVDT, lato sinistro

(SX:D1) e lato destro (DX:D2);

➢ Distanza compresa tra la sezione di ammorsamento del tallone e prima sezione non

adesa.

Vengono annotate le caratteristiche relative al tessuto, le quali risultano essere le stesse per tutti

i campioni.

Caratteristiche del tessuto

Larghezza del tessuto w 50,80 mm

Spessore equivalente t 0,084 mm

Area Af 4,27 mm2

Numero di yarns N 8 -

Il carico massimo atteso, e quindi il precarico applicabile, è stato ricavato da precedenti

sperimentazioni.

3.3.4 Svolgimento del test

Il carico viene applicato attraverso una macchina di prova universale MTS dotata di una servo-

valvola da 500kN. La prova si può effettuare sia in controllo di forza, ovvero si applica un

carico e si va ad individuare lo spostamento associato, oppure in controllo di spostamento, cioè

si applica uno spostamento e si va ad individuare il carico associato. La forza applicata viene

misurata da una cella di carico integrata nella macchina di prova.

Il controllo di spostamento è in generale preferibile poiché permette di valutare meglio il ramo

decrescente della curva legato alla perdita di tensione dopo il raggiungimento della resistenza

massima del materiale. Per questo le prove sono state eseguite in regime monotono, in controllo

di spostamento, ad una velocità costante pari a 0.003mm/sec.

Tutte le prove sono state condotte fino alla rottura del provino.

Il carico applicato è stato registrato da una cella di carico integrata nella macchina di prova,

dotata di precisione <0.25% e risoluzione <1N. In tempo reale è possibile vedere il grafico della

prova in termini di forza e spostamento.

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In questa fase è importante attivare in contemporanea, all’avvio della macchina MTS, anche le

misure degli LVDT e la Reflex per i rilievi fotografici al fine di ottenere dati quasi perfettamente

in parallelo.

Le misurazioni degli LVDT sono condotte dalla centralina LabView che è collegata alla

macchina MTS. Come già detto in precedenza è importante effettuare una prova di questi

strumenti prima dell’esecuzione del test per controllarne il corretto funzionamento.

Figura 23 - Esempio di schermata LabView

Durante lo svolgimento della prova ci si è preoccupati di documentare fotograficamente le fasi

e gli eventi più significativi e di monitorare le misurazioni dei vari strumenti in tempo reale per

essere sicuri che la prova si stesse svolgendo nel modo previsto.

La fine della prova si determina in corrispondenza della rottura del provino, ovvero nel

momento in cui sostanzialmente la forza applicata si azzera vista la completa perdita di

resistenza del materiale; fanno eccezione le prove in cui a seguito della rottura di uno o più

yarn, si è sviluppato uno scorrimento del tessuto all’interno del pacchetto di malta e quindi dopo

il picco la forza è pressoché costante a spostamento praticamente infinito. In questi casi è stato

deciso di interrompere la prova solo dopo che si ha una coda abbastanza importante.


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Figura 24 - Esempio di rottura del campione

3.3.5 Annotazioni e rilievi post-test

Al termine di ogni prova si conducono gli ultimi rilievi fotografici dopodiché si rimuove il

campione dal set-up e lo si posiziona sul tavolo munito di metro per rilevarne:

➢ Modalità di rottura;

➢ Dettagli sulla rottura;

➢ Peso;

➢ Fotografie post-test.

Si riportano a titolo di esempio la foto di un campione al termine della prova.

Figura 25 - Esempio di rilievo post-test

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34

4. ELABORAZIONE DEI DATI

In questo capitolo si andranno ad analizzare tutti i passaggi del post-processing svolti per ogni

singola prova; l’elaborazione dei dati è una fase molto importante e bisogna procedere con

molta attenzione per evitare errori. Essa permette di capire se ci sono stati eventuali errori

durante l’esecuzione delle prove ed inoltre permette di confrontare i diversi risultati ottenuti

così da poter fare considerazioni specifiche su ogni singola serie di campioni.

L’elaborazione avviene attraverso l’uso del software MATLAB, il quale viene utilizzato per il

calcolo numerico e l'analisi statistica. Il programma è basato sul sistema in C e, per la

definizione delle funzioni utilizza anche l'omonimo linguaggio di programmazione creato

appositamente dalla MathWorks, azienda produttrice del software.

MATLAB è un programma interattivo per la computazione numerica e la visualizzazione di

dati ed è usato in maniera estensiva dagli ingegneri di controllo per l’analisi e il progetto di

strutture anche estremamente complesse. Il software è stato sviluppato specificamente per

applicazioni basate su matrici e algebra lineare, nell’ambito dell’analisi numerica; il termine

MATLAB deriva appunto da MATrix LABoratory, ovvero laboratorio di matrici. Tale

specificità rende il programma uno strumento particolarmente versatile ed efficiente per

l’elaborazione dei dati e lo sviluppo di modelli. Infatti, MATLAB permette di trattare grandi

insiemi di dati come singole variabili chiamate array e ciò permette la risoluzione di molti

problemi di calcolo tecnici, in particolare quelli con le formulazioni vettorali e matriciali,

attraverso algoritmi molto più semplici e snelli rispetto a quelli che sarebbero necessari in un

programma in linguaggio scalare non interattivo quali C o il fortran.

L'interfaccia di MATLAB è composta da diverse finestre che è possibile affiancare, spostare,

ridurre a icona, ridimensionare e così via. Si riporta di seguito la schermata standard del

software.


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Figura 26 - Interfaccia di MATLAB

Le finestre principali, e più usate, sono le seguenti, ovvero:

➢ Command Window, che è una finestra dell'interfaccia principale di MATLAB, nella

quale è possibile digitare i comandi supportati e visualizzare a video in tempo reale i

risultati:

Figura 27 - Command Window

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- Workspace che è lo spazio di lavoro (o spazio di memoria) contenente le variabili

dichiarate:

Figura 28 - Workspace

- Editor che è lo spazio di lavoro in cui viene scritto il programma:

Figura 29 - Editor


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Definite le caratteristiche più salienti del software utilizzato si riportano ora le fasi principali di

preparazione dell’elaborazione.

I file di registrazione della cella di carico MTS e della centralina LabView vengono posizionati

in un’apposita cartella che ha il nome del provino testato. Prima di poter procedere con l’analisi

però c’è bisogno di aprire i file e salvarli come file di testo (.txt) per consentirne l’importazione

nel software MATLAB.

Un altro passo importante consiste nell’aggiornare il file di testo “Database”, in cui vengono

inseriti, a partire dal file Excel “RRT Quadro Generale”, tutti i dati riguardanti le prove, in

termini di misurazioni e caratteristiche del rinforzo, che come detto nei paragrafi precedenti,

vengono presi prima dell’esecuzione del test.

La larghezza del tessuto (Textile width) è calcolata come:

𝑤 = 𝑁 ∙ 𝑖𝑡

dove 𝑁 è il numero di yarn presenti nella direzione del carico e 𝑖𝑡 è l’interasse tra i trefoli, anche

quando per imperfezioni di confezionamento del provino la larghezza della matrice non è

esattamente pari alla larghezza del tessuto.

L’area della sezione di tessuto (Textile cross section) è pari a:

𝐴𝑓 = 𝑡 ∙ 𝑤

dove 𝑡 è la larghezza dello stesso e 𝑤 è lo spessore equivalente che, come già detto in

precedenza, è un dato del fornitore.

Il modulo elastico del tessuto (Elastic Modulus of textile) è fornito direttamente dal fornitore

ed è uguale per ogni campione, in quanto dipende esclusivamente dal tipo di tessuto utilizzato.

Le tensioni calcolate sono sempre riferite per convenzione all’area equivalente di tessuto secco

presente nell’unità di lunghezza del composito, prescindendo cioè dalla presenza della matrice.

Nelle pagine seguenti si analizzerà nel dettaglio il codice di elaborazione in ambiente

MATLAB.

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4.1 Codice in ambiente MATLAB

Il primo passo consiste nel definire il nome del provino. La prima lettera rappresenta la tipologia

di supporto utilizzato, muratura o calcestruzzo, la seconda lettera rappresenta la tipologia di

condizionamento effettuato e il numero rappresenta il numero del campione della serie.

Ad esempio, si ha che:

- provino = 'M-H2OC-01'.

Si inserisce inoltre il percorso della cartella in cui il programma andrà successivamente a

cercare i file dei dati di prova:

- path='C:\Users\Server\Documents\PROVE\Elaborazione\MURATURA\'.

Successivamente si va ad importare il file Database.txt da cui è possibile prendere tutti i dati

del provino attraverso la seguente istruzione:

- DB = importdata([path,'Database.txt']).

Si procede alla definizione di variabili di appoggio per definire nel software le grandezze del

Database, che vengono di seguito riportate:

➢ campione.nome (Nome del provino);

➢ campione.La (Lunghezza di ancoraggio [mm]);

➢ campione.bf (Larghezza del rinforzo [mm]);

➢ campione.tf (Spessore del rinforzo [mm]);

➢ campione.w (Larghezza Tessuto [mm]);

➢ campione.t (Spessore equivalente Tessuto [mm]);

➢ campione.Af = campione.w*campione.t (Area del tessuto [mm2]);

➢ campione.D1 (Base di misura LVDT sinistro);

➢ campione.D2 (Base di misura LVDT destro);

➢ campione.L (Lunghezza del tessuto non adeso [mm]);

➢ campione.D0 (Traslazione del diagramma [mm] );

➢ campione.step1 (Primo punto da plottare);

➢ campione.coda (Coda);


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➢ campione.E (Modulo elastico del tessuto).

Questo processo permette di effettuare un’analisi delle prove molto più veloce, in quanto ogni

volta non c’è bisogno di andare a cambiare i dati dentro il file MATLAB, ma basta solamente

aggiornare il rispettivo Database.

Nella fase successiva avviene l’importazione dei dati di prova della cella di carico MTS, di cui

di seguito si riporta una schermata esemplificativa.

Figura 30 - Esempio di dati dell'MTS

Viene definita una matrice di appoggio denominata “Dati” in cui si assegna ad ogni colonna un

dato di prova diverso registrato dalla cella di carico:

➢ 1° colonna: Spostamento MTS [mm];

➢ 2° colonna: Forza MTS [N];

➢ 3° colonna: Deformazione estensometro MTS [%].

A questo punto si vanno a calcolare anche i valori della tensione a partire dai dati importati

dalla cella di carico MTS, i quali vengono inseriti nella matrice dati come 4° colonna:

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- Dati(:,4)=Dati(:,2)*1000/campione.Af.

ovvero pari a:

𝜎𝑀𝑇𝑆 =𝐹𝑀𝑇𝑆

𝐴𝑓

dove 𝐹𝑀𝑇𝑆 è la forza derivante dalla macchina MTS e 𝐴𝑓 è l’area del tessuto.

In seguito si importano i dati di slip degli LVDT, di cui di seguito si riporta una schermata

esemplificativa.

Figura 31 - Esempio di dati degli LVDT

I dati degli LVDT vengono importati attraverso la seguente istruzione:

- A2orig = importdata([path,provino,'\',provino,'.txt'],'\t',headerline).

Importati i dati, si calcola lo slip definito a partire dai dati registrati dai due LVDT, decurtando

però lo spostamento dovuto alla deformazione del tessuto, e si effettua la media tra i valori

precedentemente definiti, ovvero si ha che:


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➢ 5° colonna: slip dell’LVDT di sinistra [mm] valutato come:

𝛾𝑠𝑥 = 𝐿𝑉𝐷𝑇𝑠𝑥 − 𝜀𝑡 ∙ campione. D1

dove 𝜀𝑡 è la deformazione del tessuto, valutata come rapporto tra tensione e il modulo

elastico del tessuto secco.

➢ 6° colonna: slip dell’LVDT di destra [mm] valutato come:

𝛾𝑑𝑥 = 𝐿𝑉𝐷𝑇𝑑𝑥 − 𝜀𝑡 ∙ campione. D2

➢ 7° colonna: slip medio degli LVDT [mm] valutato come:

𝛾𝑚 =𝛾1 + 𝛾2

2

Dopo aver definito la matrice Dati, si effettua una pulizia con media mobile di tutti i dati

presenti che consiste nel rappresentare un dato puntuale come una media di valori nell’intorno

del valore considerato. Questo passaggio risulta fondamentale per mitigare il disturbo sulla

lettura dei dati costituito dal rumore dell’apparecchiatura; i dati in uscita sono infatti trasmessi

come impulsi elettrici che come tali sono molto sensibili ad un effetto di questo genere.

Dopo la fase di pulizia dei dati, si passa alla sistemazione delle curve, attraverso una traslazione

del grafico nel caso in cui si nota una cattiva registrazione da parte degli LVDT; questa azione

consiste solitamente con l’eliminazione del primo tratto della curva, attraverso la definizione di

un valore step1, che si può variare di volta in volta in base al numero di dati che si vuole

cancellare. Questa operazione dovrà essere effettuata con ragionevolezza, andando ad esempio

a garantire che la pendenza del primo tratto lineare rimanga la stessa. Inizialmente si va a

traslare la curva andando a sommare allo slip medio un valore D0 che viene inserito nella fase

iniziale nel file di testo Database; in questo modo è possibile traslare la curva definendo lo

spostamento medio come:

𝛾𝑚,1 = 𝛾𝑚,0 + campione. D0

dove con 𝛾𝑚,1 si intende il valore dello spostamento medio traslato e con 𝛾𝑚,0 si intende il

valore dello spostamento medio iniziale registrato dagli LVDT.

Poi viene anche eliminata la coda dai dati elaborati e dai grafici; questa parte serve ad eliminare

la parte finale della prova, dopo la rottura del provino, che in molti casi non interessa ai fini del

programma sperimentale. Ciò lo si effettua andando a definire una nuova matrice in cui si vanno

a togliere un numero di righe pari al valore di coda inserito nel file Database.txt.

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Dopo la fase di pulizia dei dati, si vanno a definire i dati numerici significativi della prova,

ovvero:

➢ MaxF (Forza di picco [N]);

➢ S_maxF (Spostamento medio al picco [mm]);

➢ D_maxF (Deformazione al picco nel rinforzo [%]).

Nella parte finale dell’elaborazione si passa alla definizione dei grafici e al loro salvataggio.

Per questo tipo di prove vengono stampati due grafici di interesse ai fini della caratterizzazione

e della qualificazione del materiale:

➢ Grafico Load-Slip, in cui vengono messi a confronto i carichi agenti sul tessuto con gli

spostamenti degli LVDT sia medi che singoli. Di seguito si riporta un grafico

esemplificativo:

Figura 32 - Grafico Load-Slip

➢ Grafico Stress-Slip, in cui vengono messi a confronto le tensioni nel tessuto con gli

spostamenti medi degli LVDT. Di seguito si riporta un grafico esemplificativo:


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Figura 33 - Grafico Stress-Slip

➢ Grafico Time-histories, in cui vengono messi a confronto le curve di carico e

spostamento degli LVDT con il tempo di svolgimento del test. Di seguito si riporta un

grafico esemplificativo.

Figura 34 - Grafico Time histories

Infine si vanno a salvare, sempre nella stessa cartella, i valori significativi alla

caratterizzazione del rinforzo all’interno del file “Elaborato.txt”, ovvero:

➢ Maximum load; (Massimo carico al picco)

➢ Maximum load (per unit width); (Massimo carico al picco al metro)

➢ Corresponding slip (LVDT) (Slip medio al picco)

➢ Maximum stress in the textile; (Massima tensione nel tessuto)

➢ Corresponding strain (Extensometer). (Deformazione al picco)

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4.2 Riepilogo dei risultati

L’ultima fase dell’elaborazione consiste nell’andare ad aggiornare il file di riepilogo delle

prove, in cui si vanno a riportare i valori significativi appena descritti delle singole prove.

In questo modo si possono confrontare i vari provini testati, calcolare i valori medi, la

deviazione standard ed il coefficiente di variazione; ciò permette di capire se le prove hanno

dei risultati simili, oppure se alcune di esse siano affette da errori. Di seguito si riporta una

tabella di riepilogo esemplificativa.

Figura 35 - Esempio di tabella di riepilogo

slip di picco

Fd [kN] fd [kN/m] s [mm] σb [MPa] εt [%]

S-01 5,09 100,1 -0,11 1192,0 0,00 C

S-02 11,48 226,0 0,87 2690,4 -0,01 C

S-03 10,00 196,9 1,82 2343,8 -0,01 C

S-04 10,83 213,1 1,24 2537,2 -0,01 C

S-05 13,08 257,4 2,11 3064,5 0,00 E

media 10,10 198,7 1,19 2365,6 -0,01

dev. st. 3,0 59,4 0,9 707,3 0,0

co. v. [%] 29,9 29,9 73,5 29,9 -91,3

nome provinoforza di distacco tensione nel rinforzo

TEST DI DELAMINAZIONE

modalità di

rottura