A&T 2016, Torino Lingotto Fiere Sessione specialistica del 20 aprile 2016, ore 10.30-12.45 Relatore: Adelchi Maria Rendola (Università di Napoli Federico II)

1. Analisi Sperimentale e Numerica del Comportamento
Statico e a Fatica di un Serbatoio ad Aria Compressa per
una Galleria Supersonica
Ing. Antonio Esposito*, prof. Fabrizio Ricci*
*Università di Napoli Federico II
Fiera Internazionale
10a edizione
Lingotto Fiere, Torino 20 – 21 aprile 2016
Sessione specialistica
Simulazione e Fabbricazione additiva
Ing. Adelchi Maria Rendola *

2. INDICE
1. OBIETTIVI DEL LAVORO
2. PRESENTAZIONE DEL PROBLEMA
3. METODI DI ANALISI
4. PROVE SPERIMENTALI E SIMULAZIONE
NUMERICA
5. VERIFICHE STATICHE E A FATICA
6. CONCLUSIONI

3. I TEST STATICI E A FATICA RAPPRESENTANO LE PRINCIPALI PROVE
ESEGUITE SU UN QUALSIASI STRUTTURA E SI EFFETTUANO IN QUASI
TUTTI I SETTORI DELL’INGEGNERIA.
I SERBATOI IN PRESSIONE SONO TRA LE PIÙ TIPICHE APPLICAZIONI
CON CUI DEVONO CONFRONTARSI I PROGETTISTI STRUTTURALI. LA
RICHIESTA DI ESTENDERE L’OPERATIVITÀ DI QUESTI SISTEMI
OLTRE QUELLA PREVISTA IN SEDE DI PROGETTO È CONSEGUENZA
DEI COSTI DI REALIZZAZIONE E DI DISMISSIONE, MOLTO PIÙ
ELEVATI RISPETTO QUELLI DI MANUTENZIONE.
POSSIAMO ESTENDERE IN SICUREZZA LA
VITA OPERATIVA DEL SERBATOIO?
1. OBIETTIVI DEL LAVORO

4. 2. PRESENTAZIONE DEL PROBLEMA
IL SERBATOIO FU ACQUISTATO NUOVO DALLE INDUSTRIE
MECCANICHE DI BAGNOLO CREMASCO DALL’ALLORA ISTITUTO DI
AERONAUTICA. FU INSTALLATO IL 15 DICEMBRE DEL 1962 ED IL
COLLAUDO AVVENNE IL 4 MARZO DEL 1963.

5. NEGLI ANNI È STATO ADOPERATO PER DIVERSE ATTIVITÀ DI
RICERCA E SVILUPPO:
2. PRESENTAZIONE DEL PROBLEMA
• SORGENTE DI ARIA COMPRESSA PER GALLERIA DEL
VENTO SUBSONICA/SUPERSONICA;
• SORGENTE DI ARIA COMPRESSA PER LANCIA DI
SOFFIAGGIO DELL’OSSIGENO IN ALTOFORNO;
• PROVE DI FORMAZIONE DI GHIACCIO SU PROFILI
ALARI.

6. IL SERBATOIO È COMPOSTO DAL FASCIAME AVENTE DIAMETRO 1000
mm E SPESSORE 20 mm E DA DUE FONDI CHE PRESENTANO FORMA
TOROSFERICA AVENTI ANCHE ESSI DIAMETRO DI 1000 mm E
SPESSORE 20 mm. LA LUNGHEZZA DEL SERBATOIO È DI 6 m E IL
VOLUME È DI 4.6 m3
2. PRESENTAZIONE DEL PROBLEMA

7. SISTEMA DI COMPRESSIONE E TRATTAMENTO
DELL’ARIA
Aria prelevata
dall’ambiente
Compressore Scambiatore di calore Separatore di
condensa
Filtro a cartuccia
ceramica
2. PRESENTAZIONE DEL PROBLEMA

8. • FASCIAME E FONDI IN ACCIAIO DI QUALITÀ AQ42
MATERIALI
• FLANGE E BULLONI IN A37
• GUARNIZIONE DEI BOCCHELLI E BOCCAPORTO IN
AMIANTITE SOSTITUITA CON GOMMA
Largamente utilizzato nelle strutture in cemento armato fino all’inizio degli
anni ‘70
• SELLE DI SOSTEGNO IN ACCIAIO A00
L’A37 utilizzato già nel primissimo dopoguerra e fino al 1986
ammesso dalla normativa per le staffe di pilastri e ferri di armatura
Le lamiere di questo tipo di acciaio erano di regola fornite senza collaudo
salvo contrario accordo all’atto di ordinazione
2. PRESENTAZIONE DEL PROBLEMA

9. PER L’ESAME VISIVO INTERNO SONO STATI UTILIZZATI:
UNA VIDEOCAMERA DIGITALE SONY HDR – SX34E, SENSORE
CCD DA 800.000 PIXEL;
UNA FOTOCAMERA DIGITALE CANON POWERSHOT A480 CON
SENSORE DA 10 MEGAPIXEL E SCHERMO DA 2,5 inch;
UNA TELECAMERA ENDOSCOPICA CON MESSA A FUOCO
MANUALE, 0,3 – 2 MEGAPIXEL.
PER L’ESAME SPESSIMETRICO E MAGNETOSCOPICO SONO STATI
UTILIZZATI:
SPESSIMETRO ULTRASUONO MSC TARATO SU BLOCCO
CAMPIONE DELLO SPESSORE DI 20 mm;
MAGNETOSCOPIO SYLVER YOKE, CON METODO DI
MAGNETIZZAZIONE CON ELETTROMAGNETE
CONTROLLI (ESAME VISIVO INTERNO, SPESSIMETRIA, MAGNETOSCOPIA )
3. METODI DI ANALISI

10. ESITI DEI CONTROLLI SPESSIMETRICI E MAGNETOSCOPICI
IL CONTROLLO SPESSIMETRICO SUL SERBATOIO È STATO
ESEGUITO DA UNA SOCIETÀ SPECIALIZZATA IN ACCORDO
ALLA NORMA TECNICA UNI EN 14127. L’INDAGINE È STATA
SVOLTA MEDIANTE UNA MISURA DI SPESSORE SULL’INTERA
SUPERFICIE DEL FASCIAME E DEI FONDI ANTERIORE E
POSTERIORE. DAL CONTROLLO NON È STATA RISCONTRATA
ALCUNAANOMALIA.
LA STESSA SOCIETÀ HA PROVVEDUTO ALTRESÌ AL
CONTROLLO MAGNETOSCOPICO SUL 100% DELLE
SALDATURE LONGITUDINALI E CIRCONFERENZIALI E A
CAMPIONE SULLE SELLE. DALLA RELAZIONE RILASCIATA SI
EVINCE CHE NON SONO STATE EVIDENZIATE INDICAZIONI
RILEVANTI SULLE SALDATURE CONTROLLATE.
3. METODI DI ANALISI

11. 3. METODI DI ANALISI
ESAME VISIVO INTERNO

12. 3. METODI DI ANALISI
ESAME VISIVO INTERNO

13. 4. PROVE SPERIMENTALI E
SIMULAZIONE NUMERICA
LE PROVE SPERIMENTALI SONO STATE ESEGUITE
MEDIANTE L’OPERAZIONE DI CARICO - SCARICO DEL
SISTEMA. PER LE MISURE SONO STATE UTILIZZATE:
• SISTEMA ACQUISIZIONE DATI NATIONAL
INSTRUMENTS, MODELLO SCXI – 1317;
• N°9 ESTENSIMETRI UNIASSIALI HBM,
MODELLO 6/120XY11, GAUGE FACTOR 2.02,
120 OHM, SENSIBILITÀ TRASVERSALE 0.6 %;

14. I DATI FORNITI DALLE PROVE SPERIMENTALI HANNO
CONSENTITO IL CALCOLO DELLE CARATTERISTICHE
STATICHE: SOLLECITAZIONI E DEFORMAZIONI.
SECONDO IL MONTAGGIO, GLI ESTENSIMETRI MISURANO:
1. DEFORMAZIONI E SOLLECITAZIONI CIRCONFERENZIALI;
2. DEFORMAZIONI E SOLLECITAZIONI ASSIALI;
LA TEORIA DA APPLICARE È LA COSIDDETTA TEORIA DELLA
MEMBRANA CHE SI APPLICAAI SERBATOI A PARETE SOTTILE.
SECONDO LA TEORIA SUDDETTA È POSSIBILE TRASCURARE LA
COMPONENTE RADIALE DELLA TENSIONE NONCHÉ GLI SFORZI
FLESSIONALI E TORSIONALI.
4. PROVE SPERIMENTALI E
SIMULAZIONE NUMERICA

15. 0
1 24
3
5
68
7
POSIZIONAMENTO DEGLI ESTENSIMETRI
4. PROVE SPERIMENTALI E
SIMULAZIONE NUMERICA

16. LE PROVE DI CARICO SONO STATE ESEGUITE COMPRIMENDO IL
SERBATOIO CON ARIA FINO A UNA PRESSIONE MASSIMA DI 24 atm,
VALORE RAGGIUNTO GRADUALMENTE PARTENDO DA 0, E POI
PASSANDO PER 5, 10, 15 E 20 atm.
LA PROVA DI SCARICO CONSISTE NELL’APRIRE LA VALVOLA DI
SCARICO ED ACQUISIRE I DATI AI VALORI DI PRESSIONE
DESIDERATI. NEL NOSTRO CASO I VALORI MISURATI SONO
RIFERITI ALLE PRESSIONI 17, 15, 10, 7.5, 2 atm.
4. PROVE SPERIMENTALI E
SIMULAZIONE NUMERICA

17. Diagramma tensione - deformazione ricavato
dai dati sperimentali degli estensimetri
circonferenziali
4. PROVE SPERIMENTALI E
SIMULAZIONE NUMERICA

18. Diagramma tensione - deformazione ricavato
dai dati sperimentali degli estensimetri
assiali
4. PROVE SPERIMENTALI E
SIMULAZIONE NUMERICA

19. L’ATTIVITÀ SPERIMENTALE È STATA INTEGRATA CON
QUELLA NUMERICA MEDIANTE LA REALIZZAZIONE DI UN
MODELLO NUMERICO AD ELEMENTI FINITI IN AMBIENTE
FEMAP – NASTRAN DEL SERBATOIO.
MODELLO AD ELEMENTI FINITI DEL SERBATOIO AD ARIA
COMPRESSA
4. PROVE SPERIMENTALI E
SIMULAZIONE NUMERICA

20. 4. PROVE SPERIMENTALI E
SIMULAZIONE NUMERICA
MODELLO AD ELEMENTI FINITI DEL SERBATOIO AD ARIA
COMPRESSA

21. 4. PROVE SPERIMENTALI E
SIMULAZIONE NUMERICA
MODELLO AD ELEMENTI FINITI DEL SERBATOIO AD ARIA
COMPRESSA

22. PER LE VERIFICHE A FATICA SONO STATE COMPIUTE
DELLE INDAGINI DALLE QUALI SI È SCOPERTO CHE
UNA LAMIERA DI ACCIAIO AQ42 DELLO SPESSORE DI 10 mm,
SOLLECITATA DA UN CARICO DI TRAZIONE PULSANTE,
COLLASSA DOPO 2 MILIONI DI CICLI DI TENSIONE DI
AMPIEZZA:
140 MPaσ∆ =
L’OBIETTIVO È VERIFICARE SE IL LIVELLO DI STRESS A CUI
È STATO SOTTOPOSTO IL SERBATOIO DURANTE LE PROVE
SPERIMENTALI, SIA AL DI SOTTO DEL VALORE CITATO. IL
TUTTO CONSIDERANDO LA VITA DI CARICO DEL
SERBATOIO.
5. VERIFICHE STATICHE E A FATICA

23. VERIFICHE DI RESISTENZA
snσ
eq snσ σ<
2 2
eq a c a cσ σ σ σ σ= + −
LA VERIFICA DI RESISTENZA PER IL FASCIAME E PER I FONDI È
STATA ESEGUITA MEDIANTE IL CRITERIO DI HENCKY - VON MISES,
RELATIVO AI SOLI MATERIALI DUTTILI, ISOTROPI E CON UGUALE
RESISTENZA A TRAZIONE E A COMPRESSIONE. LA CONDIZIONE DI
RESISTENZA DA RISPETTARE È:
È LA TENSIONE DI SNERVAMENTO DEL FASCIAME E DEI FONDI
(RICAVATO DALLA SCHEDA TECNICA DEL SERBATOIO);
eqσ È LA TENSIONE EQUIVALENTE, DATA DALLA FORMULA:
aσ cσE SONO RISPETTIVAMENTE LE TENSIONI ASSIALI E
CIRCONFERENZIALI CALCOLATE MEDIANTE LA FORMULA DI
MARIOTTE E LA FORMULA DELLE CALDAIE ALLA PRESSIONE
DI PROVA SPERIMENTALE MASSIMA DI 24 atm.
5. VERIFICHE STATICHE E A FATICA

24. VERIFICHE DI RESISTENZA
Per il fasciame:
LA CONDIZIONE DI RESISTENZA È VERIFICATA IN TUTTI I CASI
Per i fondi:
Calotta sferica Fascia anulare
Saldatura fascia anulare –
calotta sferica
5. VERIFICHE STATICHE E A FATICA
51.89 327
52.91 311
58.75 327 101.27 327
( )MPaeqσ
( )MPaeqσ
( )MPasnσ
( )MPasnσ( )MPasnσ( )MPasnσ ( )MPaeqσ ( )MPaeqσ

25. SONO STATI CONSIDERATI I PUNTI DEL SERBATOIO IN CUI SI È
VERIFICATA UNA MAGGIORE CONCENTRAZIONE DI STRESS, CIOÈ IN
PROSSIMITÀ DEGLI ESTENSIMETRI 5 E 6, ALLA PRESSIONE DI 24 atm.
NELLA TABELLA SONO RIASSUNTI I RISULTATI NUMERICI E TEORICI. I
DATI OTTENUTI, CONFRONTATI CON QUELLI SPERIMENTALI,
CONCORDANO TRA LORO CON BUONAAPPROSSIMAZIONE.
CONFRONTO NUMERICO - SPERIMENTALE
5. VERIFICHE STATICHE E A FATICA
Estensimetri (MPa) (MPa) (MPa)
ai5 51.66 52 51
ai6 24.3 25.5 25.5
sperimentale
σ
teoriche
σ
numeriche
σ

26. 5. VERIFICHE STATICHE E A FATICA
CONFRONTO NUMERICO - SPERIMENTALE
Estensimetri
ai5 246 249.6 245
ai6 68 66.2 67.5
( )µε( )µε ( )µε
sperimentale
ε
numeriche
ε
teoriche
ε
DALLE TABELLE SI OSSERVA CHE I VALORI NUMERICI E TEORICI,
CONFRONTATI CON QUELLI SPERIMENTALI, NON PRESENTANO
VARIAZIONI RILEVANTI.

27. SECONDO UNA STIMA, IL SERBATOIO È STATO MESSO IN FUNZIONE
CIRCA 40 VOLTE ALL’ANNO. IN 53 ANNI, DUNQUE, SAREBBE STATO
UTILIZZATO 2120 VOLTE, VALORE LONTANISSIMO DAI DUE MILIONI
DI CICLI PER IL QUALE SI HA IL COLLASSO DI UNA LAMIERA DI
AQ42 AVENTE, PER ALTRO, UNO SPESSORE INFERIORE RISPETTO A
QUELLO DEL SERBATOIO.
SI OSSERVA, INOLTRE, CHE NEI PUNTI IN CUI SI È REGISTRATO UN
MAGGIORE STRESS, LE TENSIONI SONO TUTTE AL DI SOTTO DEL
VALORE CRITICO.
TUTTO CIÒ INDICA CHE IL SERBATOIO OPERA IN SICUREZZA
SENZA RISCHI DI CEDIMENTI PER FATICA.
VALUTAZIONE DEL COMPORTAMENTO A FATICA
5. VERIFICHE STATICHE E A FATICA

28. 6. CONCLUSIONI
VISTI:
1. GLI ESITI POSITIVI DEI CONTROLLI DI SICUREZZA
DEGLI ENTI TERZI;
2 LE ANALISI SPERIMENTALI E NUMERICHE CHE
EVIDENZIANO L’ASSENZA DEL RISCHIO DI
CEDIMENTI A FATICA;
3. GLI ESITI POSITIVI DELLE VERIFICHE DI
RESISTENZA.
SI CONCLUDE CHE IL SERBATOIO PUÒ
CONTINUARE AD OPERARE IN SICUREZZA FINO AL
PROSSIMO CONTROLLO PERIODICO.
LE ANALISI PROPOSTE POSSONO ESSERE UN ADEGUATO
SUPPORTO ALLE IMPRESCINDIBILI VISITE PERIODICHE E
RELATIVE CERTIFICAZIONI DEGLI ENTI ISTITUZIONALMENTE
PREPOSTI.

29. GRAZIE PER L’ATTENZIONE