2 MISURE DI DEFORMAZIONE – TENSIONE 2.1 PREMESSA Durante l’esecuzione di una prova di carico, al di là della conoscenza della deformata, si può rendere utile la rilevazione della tensione di alcuni elementi strutturali. Spesso infatti il comportamento d’insieme, e quindi la deformata, può avere un andamento perfettamente regolare ma determinare, su un singolo elemento, uno stato tensionale prossimo al collasso. Il caso più tipico è il fenomeno del carico di punta che porta all’instabilità di un singolo elemento in modo repentino. La misura della tensione puntuale è utile anche nei casi in cui: - si vuole verificare la massima tensione prevista in progetto in una determinata sezione; - le prove hanno uno scopo di studio progettuale per un migliore impiego dei materiali; - degli elementi singoli sono fondamentali per la tenuta dell’intera struttura (stralli, pendini, …). L’individuazione della tensione avviene attraverso la misura della deformazione relativa dell’elemento per essere poi trasformata in tensione attraverso la legge di Hooke: V=EH (22) dove: V è la tensione [MPa]; E è il modulo elastico [MPa]; H è la deformazione relativa ¨//. Dalla (22) rilevando sperimentalmente il valore di H e valutando teoricamente, o attraverso prove di laboratorio, il valore di E, si ricava la tensione. La rilevazione della deformazione relativa H può avvenire sfruttando diverse tipologie di sensori: estensimetri elettrici (strain-gauges), sensori di spostamento a base fissa, sensori a corda vibrante, sensori a fibre ottiche. Nel seguito tratteremo solo le prime due soluzioni che rappresentano, allo stato attuale, quelle più utilizzate nel settore civile. Estensimetro su acciaio Estensimetro su calcestruzzo 51 2.2 MISURA DELLA TENSIONE TRAMITE ESTENSIMETRI ELETTRICI Gli estensimetri elettrici hanno lo scopo di rilevare le tensioni agenti sulle superfici su cui sono applicati. Sono costituiti da un corpo elastico con annegata una resistenza elettrica. Con apposite colle bicomponente vengono incollati sulla struttura e, deformandosi col materiale, forniscono la deformazione relativa sotto forma di una variazione della resistenza elettrica. In base alla tipologia di misura da effettuare gli estensimetri sono montati: - a ¼ di ponte (riferendosi al ponte di Wheatstone che è lo schema elettrico di collegamento), che prevede l’installazione di un solo estensimetro nella direzione di misura; -a ½ ponte, che prevede l’installazione di due estensimetri, incollati diametralmente opposti all’elemento in misura, che consente di tener conto degli effetti flessionali; - a ponte intero, con quattro estensimetri, dove due sono posti trasversalmente alla direzione di misura e permettono di depurare gli effetti derivanti dalla contrazione di Unità di lettura statica a 8 canali Unità di lettura dinamica a 24 canali sezione (fenomeno di Poisson) e dalla dilatazione termica. L’operazione di incollaggio è particolarmente delicata e prevede l’uso di due componenti chimici. Una volta effettuato l’incollaggio, l’estensimetro viene collegato all’unità di acquisizione dati. La precisione della misura raggiunge valori valutabili in ±1 μİ che rappresenta per l’acciaio un valore di tensione pari a ±0,21 MPa. In circostanze particolari, ad esempio per la misura dello stato tensionale delle armature di pali di fondazione, diaframmi o pilastri di base, l’estensimetro è premontato, a ½ ponte, su uno spezzone di ferro d’armatura annegato nel getto all’altezza della sezione in cui si vuole conoscere lo stato tensionale. 52 Unità di lettura wireless Barra estensimetrica per palo 2.3 MISURA DELLA TENSIONE TRAMITE SENSORI DI SPOSTAMENTO A BASE FISSA Per questo tipo di rilevazione sono impiegati sensori differenziali di spostamento fissati all’elemento strutturale mediante viti o con basi incollate (intonaci protetti). La base di misura è scelta in funzione del modulo elastico del materiale dell’elemento da controllare. La base minima è di 100 mm ma può facilmente essere aumentata attraverso una semplice prolunga in acciaio inox montata sulla testa del cursore. La precisione di questo tipo di misurazione è di ±0,001 mm, sostanzialmente 10 volte inferiore a quella estensimetrica descritta al paragrafo 2.2, ma la semplicità e rapidità del montaggio, assieme alla possibilità di leggere i valori sulla stessa unità di acquisizione delle frecce, ne fa una applicazione più versatile e applicabile anche su superfici scabrose. Misura di deformazione su base 300 mm Esempio di trasformazione in tensione con sensore di base 110 mm. ¨/ (mm) İ Legno E = 10.000 MPa V (MPa) 0,001 9,09 x 10-6 0,09 Cls E = 30.000 MPa V (MPa) Acciaio E = 210.000 MPa V (MPa) 0,27 1,91 Esempio di trasformazione in tensione con sensore di base 300 mm. ¨/ (mm) İ Legno E = 10.000 MPa V (MPa) 0,001 3,33 x 10-6 0,03 Cls E = 30.000 MPa V (MPa) Acciaio E = 210.000 MPa V (MPa) 0,10 0,70 La metodologia descritta rappresenta uno strumento per lo studio approfondito delle strutture. Le strumentazioni tipiche del laboratorio, opportunamente modificate, sono utilizzate in sito fornendo al tecnico la possibilità di un’indagine scrupolosa. La rilevazione delle tensioni tramite estensimetri o sensori a base fissa è uno strumento fondamentale nelle prove di carico delle capriate. Nell’esperienza ultraventennale di migliaia di prove, si è constatato che proprio le capriate, in particolar modo quelle metalliche, possono evidenziare una situazione di crisi durante l’applicazione del carico d’esercizio. 53 Questo deriva dal fatto che anche il cedimento di un solo puntone, per eccessiva snellezza, provo oca il collasso dell’intera struttura. E’ questa la ragione che indica la nte le prove di necessità di rilevare, duran carico sulle capriate, anche e le tensioni di alcuni singoli elementi. Misura della tensione su tiranti e puntoni CICLO 1 0,0 deformazioni (μİ) -5,0 ch1 -10,0 ch2 -15,0 ch3 -20,0 ch4 ch5 -25,0 ch8 -30,0 ch9 -35,0 ch1 1 -40,0 -45,0 0,0 0 1,0 2,0 tempo (ore) 3,0 Letture di d deformazione durante una prova di carico 54 4,0