AIAS – ASSOCIAZIONE ITALIANA PER L'ANALISI DELLE SOLLECITAZIONI 43° CONVEGNO NAZIONALE, 9-12...

AIAS – ASSOCIAZIONE ITALIANA PER L’ANALISI DELLE SOLLECITAZIONI 43° CONVEGNO NAZIONALE, 9-12 SETTEMBRE 2014, ALMA MATER STUDIORUM – UNIVERSITÀ DI BOLOGNA

AIAS 2014 - 409

VALUTAZIONE DELLA RESISTENZA AL FUOCO DI COMPOSITI CON FORMULAZIONE INNOVATIVA

A. Aktas b, S.W. Boyd b, P. Contia, L.Santuccia, S.W. Boyd b,R.A.Shenoib

a Università di Perugia - Dipartimento di Ingegneria ,Via G. Duranti, 67 – 06123 Perugia, e-mail: [email protected] b Ship Science, School of Engineering Sciences, University of Southampton, United Kingdom

SOMMARIO

Il presente lavoro esamina la possibilità di ricorrere a compositi con matrici costituite da miscele di resine poliestere e resine fenoliche (ritardanti di fiamma), con diverse formulazioni. Esso è volto, da un lato, a valutare sperimentalmente le prestazioni ad elevate temperature di compositi con matrici con diverse miscele di resine; dall'altro a fornire un metodo per prevedere le reali temperature raggiunte in un composito esposto alla fiamma e le sue prestazioni durante un incendio. Nel lavoro sono stati considerati tre aspetti: a) la caratterizzazione sperimentale di tre diverse formulazioni di resine a temperature comprese tra 20°C e 300°C, b) la modellazione del fenomeno del riscaldamento di pannelli compositi esposti a fiamma che tenga conto del contributo del degrado della resina nel bilancio energetico (le temperature dipendono anche dal calore assorbito dal processo di decomposizione della resina e dai fumi prodotti) basata su modelli disponibili in letteratura, c) la modellazione agli E.F. che tiene conto sia del comportamento termico che della dipendenza delle caratteristiche meccaniche dalla temperatura. I risultati sperimentali ottenuti, utilizzati nel modello termo meccanico, hanno consentito un confronto tra le tre formulazioni di resine e mostrano come con queste miscele si possa ottener una miglior resistenza al fuoco con un degrado poco significativo delle caratteristiche meccaniche.

ABSTRACT

This work investigates the possibility to enhance fire resistance behavior of GRP by an appropriate matrix formulation. Two distinct aspects are considered; the first one concerns mechanical characterization of composite materials with a blend of unsaturated polyester resins and phenolic resins; the second one describes a theoretical method to evaluate the actual thermal response of the composite subject to fire. The paper deals with three aspects: a) mechanical characterization of three matrix blends within a temperature range spreading between 20° and 300°C, b) modeling of the heating pattern of composite panels exposed to fire, taking into account the contribution of the pyrolysis of the resin in the heating phenomenon, c) modeling of the thermo mechanical behavior of composite panels exposed to fire with finite elements techniques The experimental evaluations yield the numerical parameters to be used in the thermo mechanical model and allowed the comparison of the behavior of the three resin blends. As a result, the paper describes the positive influence of the introduction of phenolic resins in the resin formulation.

PAROLE CHIAVE:

Compositi, resistenza al fuoco, modello termico

ABBREVIAZIONI:

DIC: digital image correlation UP-D : miscela di poliestere insaturo e fenolica "DUREZ"

43° CONVEGNO NAZIONALE – RIMINI, 9-12 SETTEMBRE 2014 ──────────────────────────────────────────────────────────────────────────

E.F.: elementi finiti UP-M: miscela di poliestere insaturo e fenolica "METHYLON"

NCF: non-crimp fibers UP-P: miscela di poliestere insaturo e fenolica "PLYOPHEN"

UP: poliestere insaturo

ELENCO DEI SIMBOLI:

A = area della faccia dell'elemento R = costante universale dei gas

B= fattore di scala T = temperatura (°C)

Cp = calore specifico Tk = temperatura assoluta

Ea = energia di attivazione V(i,tj) = volume dell'elemento iesimo

hc = entalpia della fase solida α = diffusività termica

hg = entalpia dei gas ρ = densità

�� = flusso ponderale dei gas ρch = densità del residuo carbonizzato

n = ordine di reazione ρv = densità del materiale vergine

Q = calore di decomposizione

[K] = matrice di conducibilità

1. INTRODUZIONE

L'uso di materiali compositi a matrice polimerica è spesso limitato dalla loro scarsa resistenza al fuoco. Lo sviluppo di materiali che, in presenza di incendio, garantiscano una buona resistenza per un tempo ragionevole è quindi un obiettivo di interesse. Una possibilità è rappresentata dal ricorso a compositi con matrici contenenti resine con buone caratteristiche di ritardo di fiamma (miscele di resine poliestere con resine fenoliche, ritardanti di fiamma) con diverse formulazioni. Il presente lavoro ha pertanto come obiettivo la valutazione della resistenza al fuoco di compositi con matrici contenenti resina poliestere e resina fenolica.

Il comportamento al fuoco di compositi a matrice polimerica è stato studiato da diversi a ricercatori. Alcune ricerche [1, 2] si sono focalizzate sullo studio della degradazione termica e della combustione di questi materiali, attraverso analisi termogravimetrica e usando un calorimetro a cono, in grado di misurare il tasso di rilascio del calore. Questi studi evidenziano i miglioramenti delle prestazioni termiche ottenuti con miscele di determinate resine. Nella presente ricerca si sono valutate le prestazioni meccaniche di compositi - anche ad elevate temperature - eseguendo prove meccaniche a trazione ed a flessione, che verranno descritte nel paragrafo seguente.

Il secondo aspetto trattato in questo lavoro riguarda la modellazione del fenomeno del riscaldamento di pannelli compositi esposti al fuoco. La maggior parte dei modelli presenti in letteratura ignora la fluidodinamica del fuoco e considera solamente un flusso di calore che investe una superficie del pannello. Henderson et al. [3, 4] proposero un modello per stimare la risposta termica di un pannello in materiale composito a matrice polimerica. Questo modello matematico è stato preso come riferimento per molte ricerche e tiene conto dei seguenti principali processi: conduzione di calore attraverso il pannello, decomposizione della matrice polimerica e dei rinforzi e flusso di gas che si liberano durante la decomposizione. Il modello è mono-dimensionale e si basa su un sistema di tre equazioni governanti: (1) l’equazione dell’energia, (2) l’equazione di Arrhenius di ordine n per la decomposizione del materiale e (3) l’equazione di conservazione della massa. Looyeh et al. [5, 6] condussero degli studi agli E.F. per determinare gli effetti termici del fuoco su pannelli in materiale composito con fibre di vetro. Krysl et al. [7] proposero un modello agli E.F. per valutare la risposta termica di pannelli sandwich, aventi materiale composito come pelli. Lattimer et al. [8] confrontarono diversi modelli termici con varia complessità, in uno dei quali è stato possibile inglobare l’effetto della decomposizione del materiale nell’equazione dell’energia, solamente considerando un parametro chiamato calore specifico apparente. Riccio et al. [9, 10] utilizzarono la formulazione matematica in [8] per proporre un modello tri-dimensionale agli E.F. per simulare il comportamento termico di un pannello composito.

Nel presente lavoro sono stati determinati gli effetti del fuoco sulla temperatura di un pannello composito, attraverso analisi agli E.F.. Nella fase attuale, che è consistita nello sviluppo del metodo, sono state usate unicamente temperature ottenute per via numerica. La conoscenza di queste temperature nell’esposizione di


un pannello ad una sorgente di fuoco è stata combinata con la conoscenza, data da prove sperimentali, delle caratteristiche meccaniche del materiale composito al variare della temperatura. In tal modo è stato possibile eseguire una modellazione termo-meccanica agli E.F. che consenta di valutare in maniera numerica il comportamento di laminati, esposti parallelamente al fuoco da un lato e ad un carico strutturale di compressione dall’altro. Questo metodo offre una soluzione più economica e veloce per la valutazione di effetti termici sui materiali compositi, rispetto a prove sperimentali che possono essere rischiose al tempo stesso. Infine il metodo ha consentito di effettuare un confronto nel comportamento di compositi con le tre diverse formulazioni di resine. In futuro è prevista la validazione del modello attraverso prove sperimentali in un apparato presente all’Università di Southampton.

2. CARATTERIZZAZIONE SPERIMENTALE

2.1 MATERIALI UTILIZZATI E PROCESSO DI REALIZZAZIONE DEL COMPOSITO

Come rinforzi per i materiali compositi sono state utilizzate fibre di vetro di tipo E sono. Nel dettaglio, sono stati usati tessuti chiamati triaxial non-crimp fibres (NCF). Questi tessuti sono composti da tre strati di fibre orientati alternativamente a 0°,-45°,+45°, e cuciti insieme per mezzo di un filo di poliestere1 (gli NCF offrono un buon comportamento a flessione, resistenza ad impatto e nella delaminazione).

Per le matrici sono state usate miscele di resina poliestere e resina fenolica (50% ciascuna come frazione di volume). Il poliestere insaturo (UP), nella variante del Crystic 702PA, è stato miscelato con tre diversi tipi di resina fenolica: Methylon 75108, Plyophen 23983 e Durez 33156.

Tutti i provini sono stati realizzati da pannelli formati con la tecnica VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding) consistente nell’impregnare con resina uno stampo sotto vuoto nel quale sono già stati disposti i tessuti del rinforzo. Per tutti i provini, la sequenza di impacchettamento è consistita nella ripetizione di sei tessuti “triaxial” orientati alternativamente a 0° e 90°. In pratica, la tripletta [0°,45°,-45°] è stata ripetuta sei volte ruotando di 90° la direzione di riferimento del tessuto tra uno strato e il successivo. Il contenuto volumetrico di rinforzo raggiunto, misurato per tutti provini, è stato del 51%±2,5%2. in Fig. 1 è rappresentato schematicamente il processo e in Fig. 2 una fase del processo di impregnazione della fibra.

Fig. 1 - Il processo VARTM

Fig. 2 - Resina che fluisce all’interno del sacco da

vuoto

2.2 PROVE MECCANICHE

Lo scopo delle prove è stata la valutazione dell’effetto del miscelamento tra resine poliestere insature e resine fenoliche sulle caratteristiche meccaniche del composito. L’introduzione della resina fenolica, infatti, deve attribuire al composito migliori caratteristiche di resistenza al fuoco ma è necessario che comunque il materiale conservi buone caratteristiche meccaniche per consentirne l’uso in componenti con valenza strutturale.

1 Tessuto con peso specifico di 810g/m2 2 Dopo la formatura i pannelli usati per la produzione dei provini sono stati sottoposti ad un ciclo di cura così articolato:

• UP-M [50% poliestere e 50% Methylon] 6 ore @ 50°C, 12 ore @ 80°C, 8 ore @ 100°C, 6 ore @ 120°C, 6 ore @ 130°C, 2 ore @ 150°C e 2 ore @180°C.

• UP-P [50% poliestere e 50% Plyophen] ore @ 50°C, 8 ore @ 80°C, 8 ore @ 100°C e 2 ore @160°C.

• UP-D [50% poliestere e 50 % Durez] 24 ore @ 80°C, 1 ora @ 100°C, 1 ora @ 130°C e 1 ora @ 160°C


La caratterizzazione sperimentale si è basata su alcune serie di prove di trazione e di flessione su 3punti, condotte a diverse temperature con provini realizzati con le tre combinazioni di resine indicate più sopra e con poliestere puro. Non è stato possibile realizzare le prove di trazione a temperatura superiore a 150° per limiti dell’attrezzatura sperimentale mentre le prove di flessione sono state condotte entro un campo di temperatura comprese tra

20°C e 300°C. Le prove in temperatura sono state eseguite dentro ad una camera coibentata montata sull’attrezzatura di prova. Per le prove di trazione le deformazioni sono state misurate con tecniche DIC [17]; per le prove di flessione, benché le grandi deformazioni che si riscontrano rendano l’ipotesi lineare poco giustificata, le tensioni sono state calcolate con le relazioni classiche delle travi inflesse. Il piano sperimentale complessivo – consistente in 147 prove – è riassunto in tabella I (tabella nella quale sono riportati anche i risultati in forma normalizzata per motivi di riservatezza. I dati sono stati normalizzati rispetto al modulo a flessione a 20°C del materiale “UP”, poliestere insaturo puro).

Il confronto tra i risultati riportati in tabella I mette in evidenza alcuni aspetti:

• come prevedibile, al crescere della temperatura si assiste ad una diminuzione del modulo di elastico.

• Contrariamente a quanto ci si potrebbe aspettare, le riduzioni con le temperatura dei moduli elastici ottenuti con prove di flessione e quelli ottenuti con prove di trazione si manifestano in modo simile. Questo aspetto è attribuibile all’elevato contenuto di strati a ±45% che, nelle prove di trazione, presentano elevate sollecitazioni di taglio attraverso la resina. Per tale motivo, con entrambe le modalità di prova, una riduzione delle caratteristiche della resina provoca una riduzione del

modulo elastico apparente. • L’introduzione di una certa quantità di resina fenolica rende in tutti i casi il degrado meno

importante: la la maggior resistenza alla temperatura delle resine fenoliche ritarda il danneggiamento e attribuisce al composito un miglior comportamento al fuoco.

• L’aggiunta di resina di tipo “DUREZ” conferisce mediamente le migliori caratteristiche, sopratutto ai provini a flessioni per i quali la rigidezza al taglio della resina ha maggior importanza.

3. MODELLO TERMICO

3.1 FORMULAZIONE TEORICA

La particolarità dei materiali compositi a matrice polimerica esposti al fuco riguarda l’accoppiamento tra le caratteristiche meccaniche e le trasformazioni fisico/chimiche che la matrice subisce.

Al crescere della temperatura, la matrice si pirolizza formando dei gas di decomposizione e lasciando un residuo carbonizzato. Il processo è endotermico; la pirolisi, come primo effetto, asporta calore grazie ai fenomeni di decomposizione; come secondo, producendo gas caldi, asporta altro calore grazie all’entalpia dei gas che abbandonano il composito.

Un modello termico che tenga conto di questi fenomeni deve perciò considerare:

• la cinetica della reazione che controlla la pirolisi (velocità di reazione con la temperatura), • il bilancio energetico (del calore assorbito per irraggiamento, quello utilizzato per la

decomposizione, quello asportato dai gas prodotti, quello irraggiato dal pannello e quello scambiato con l’ambiente),

FLESSIONE TRAZIONE

Temp. N° prove E flex medio N°

prove E medio

°C Normal. Norm.

UP 20°C 8 1.00 5 1.09

50°C 3 1.02 4 1.01

100°C 3 0.66 7 0.77

200°C 0.59

300°C 2 0.40

UP-M 20°C 10 0.91 5 1.04

50°C 3 0.96 4 1.01

100°C 3 0.69 7 0.70

150°C 4 0.68

200°C 3 0.55

300°C 2 0.60

UP-P 20°C 7 0.98 5 1.07

50°C 3 1.02 5 1.01

100°C 3 0.94 5 0.95

150°C 6 0.75

200°C 3 0.78

300°C 2 0.76

UP-D 20°C 6 1.51 5 1.07

50°C 3 1.25 3 1.03

100°C 3 1.04 3 0.94

150°C 3 0.70

200°C 3 0.79

300°C 3 0.73

TOTALE 76 71

Tab. I - Piano sperimentale


• il bilancio di massa (del flusso di gas per unità di superficie che abbandona il pannello di composito).

Modello utilizzato: Lo studio delle temperature nel composito si basa sui lavori di Henderson [3,4] che ha sviluppato un modello monodimensionale (pannello esposto a condizioni termiche uniformi e costanti su entrambe le facce, deformazione trasversale trascurabile) estesi da Riccio et al [9,10] al caso tridimensionale. Il modello è governato dalle tre equazioni seguenti:

Cinetica di reazione (equazione di Arrhenius):

�� = −(�� − �� ) � � − ��

�� − �� (1)

Bilancio energetico:

�� = ∇([#]∇ ) − ∇%�� ℎ�' − �� (( + ℎ� − ℎ�) (2)

Bilancio di massa:

�� * = −��

�� ⟹�� (*�, �) = - �� .*

/

0� (3)

dove "x" e "l" sono definiti in figura 2.

Attraverso la combinazione delle equazioni di bilancio energetico e di massa (Lattimer et al. [8]) è possibile ottenere una relazione complessiva che lega la temperatura in ogni punto con le caratteristiche di conducibilità termica del materiale, l’entalpia della fase solida e quella dei gas.

Nel presente lavoro, seguendo l’impostazione di Riccio et al. [9,10], il modello è stato esteso al caso tridimensionale assumendo che il flusso dei gas di pirolisi sia orientato solo in direzione trasversale al pannello e diretto esclusivamente verso la parete esposta alla fiamma (la porzioni di matrice ancora integra è stata considerata impermeabile ai gas).

Con queste considerazione, combinando la (2) e la (3) è possibile trovare una relazione complessiva (vedi [8]):

�� + (( + ℎ� − ℎ�) �� = ∇([#]∇ ) − �� ∇ (4)

Il membro a sinistra può essere riscritto nella forma

��1��( ) = [�� + (( + ℎ� − ℎ�) �� ] (5)

Dove ��1�� rappresenta una capacità termica apparente che ingloba la capacità termica della resina, il calore assorbito dalla reazione di pirolisi (variazione di entalpia tra fase gassosa e fase solida) ed il calore asportato dai gas di pirolisi caldi che si allontanano dal pannello. Per determinare il calore di ��1�� è necessario conoscere:

ρs (T) : densità della resina in funzione della temperatura

Fig. 2 – Schema di un pannello esposto al fuoco

FUOCO

X

x'

Parete fredda

Parete calda


�� (T): calore specifico del composito in funzione della temperatura �� (T): calore specifico dei gas in funzione della temperatura [K(T)]: matrice di conducibilità termica in funzione della temperatura Q: calore di decomposizione

Questi dati sono stati trovati in letteratura per resine puramente poliestere e puramente fenoliche e sono stai utilizzati per lo studio teorico dei compositi. In Fig. 3 sono riportati i valori delle densità al variare della temperatura per le due resine.

Fig. 3 - Densità al variare della temperatura per a) resina poliestere e b) resina fenolica

Applicazione del metodo: Lo scopo finale del lavoro è stato l’elaborazione di un metodo per modellare il comportamento di un componente in materiale composito esposto al fuoco. Il modello sviluppato è di tipo iterativo; prima –col metodo degli elementi finiti - viene determinato il campo di temperature in un pannello esposto al fuoco senza tener conto della pirolisi; successivamente, note le temperature in ogni punto, tramite la (5), viene calcolato il calore asportato dai gas sprigionati espresso da3:

2�"%4, �5' = −�� " (4, �5)�� (4, �5)�* (6)

Viene poi eseguita una seconda analisi termica nel corso della quale, per ogni elemento, viene introdotta una sorgente di calore uguale al calore asportato in seguito alla pirolisi. In fig. 4 viene illustrato il risultato dell'analisi in un pannello per tre posizioni lungo lo spessore, sulla faccia esposta al fuoco, al centro, sulla faccia libera. I valori così ottenuti - negativi perché rappresentano un abbassamento della temperatura attribuibile alla pirolisi - vengono sommati al campo di temperatura precedentemente calcolato ottenendo così il campo di temperature risultante (vedi Fig.5)

3 Il calcolo effettivo viene condotto nel modo seguente: calcolo della densità di ogni “iimo” elemento all’intervallo temporale tj tramite l’equazione di Arrhenius (eq. 1) . Nota la densità ρ(i,tj) di ogni elemento, vene calcolato il peso m(i,tj) di ogni elemento tramite m(i,tj) = ρ(i,tj) V(i,tj). Calcolo della massa di gas prodotti come differenza tra la massa dell’elemento all’intervallo di tempo tj+1 e tj, identificazione del flusso di gas tramite

m(i,tj+1) = m(i,tj)-m(i,tj+1) ==> �� (i,�5) = 67(8,9:)69∗<

dove A= area della faccia dell’elemento Introduzione dei valori così calcolati nella (6)


Fig 4 – Effetto raffreddante dei gas sprigionati Fig. 5 – Confronto tra i profili di temperatura con e

senza effetto raffreddante

3.2 APPLICAZIONI NUMERICHE

Il modello descritto è stato utilizzato per studiare due pannelli con resina, rispettivamente, puramente poliestere e puramente fenolica4. La geometria e le condizioni al contorno del modello proposto sono state scelte in base al Vulcan fire testing apparatus dell’Università di Southampton5.

L'analisi è stata condotta con ANSYS attraverso una macro APDL che tiene conto dei fenomeni termici presenti nel problema. Data la simmetria è stato considerato solamente un quarto del pannello (vedi Fig. 6a). Questo è stato modellato con elementi solidi (SOLID70 [14]). Lo spessore del pannello è stato suddiviso in 10 elementi solidi, in modo da valutare in maniera accurata come si comporta termicamente il materiale composito nella direzione dello spessore. È stato poi utilizzato uno speciale tipo di elemento (SURF152 [14]), al fine di simulare il flusso esterno di calore proveniente dal fuoco della fornace e gli scambi di calore per convezione ed irraggiamento con l’ambiente (considerato ad una temperatura di 20°C) che circonda la superficie non esposta del pannello. Nell'apparato sperimentale la sorgente di calore è direzionata sul centro del pannello, questo implica che la parte centrale si riscalderà prima dei bordi. Questo aspetto è stato considerato imponendo un flusso di calore Q sulla superficie esposta variabile nello spazio secondo 4 regioni, come illustrato in Fig. 6a. Il flusso di calore è stato applicato per 10 minuti ed è stato considerato variabile nel tempo come in Fig. 6b; infatti, si considera inizialmente un alto valore di Q in accordo con il forte incremento iniziale della temperatura all’interno della fornace, per poi considerare valori più bassi quando la temperatura nella fornace si stabilizza.

Fig. 6a – Regioni della superficie esposta

Fig. 6b – Flusso di calore Q variabile nel tempo

4 I valori delle caratteristiche meccaniche sono stati desunti da [3] e [4]. 5 In questo apparato il pannello in composito (di dimensione quadrata con lato 24 cm) è ancorato per mezzo di 8 bulloni M12 ed una cornice quadrata ad un lato della fornace cubica, all'interno della quale si sviluppano le fiamme. L’area della superficie del pannello esposta alle fiamme è di 20 cm x 20 cm. La presenza di un attuatore consente di applicare un carico meccanico al pannello sulla superficie non esposta alle fiamme. Il carico di compressione viene esercitato su un’area centrale di 4 cm x 4 cm e l’utilizzo della gomma attorno al pezzo di contatto evita l’insorgere di concentrazione di pressione negli angoli. Una descrizione dettagliata dell’intero apparato è fornita in [13]

100 % Q

75 % Q

50 % Q

10 % Q


I risultati sono riassunti in Fig. 7 Come si può vedere, le temperature raggiunte nel pannello fenolico sono più basse e si mantengono inferiori alla temperatura alla quale la pirolisi è significativa (vedi Fig. 3b). Si tratta di un effetto importante per garantire la tenuta al fuoco e la resistenza meccanica. nei pannelli poliestere invece la temperatura è in diverse zone sopra alla temperatura di pirolisi e l'effetto di raffreddamento dovuto a questo fenomeno comporta una riduzione della temperatura dell'ordine di 20°C. Il modello mette in evidenza poi un secondo effetto; la maggior conducibilità termica delle resine fenoliche ne diminuisce le capacità di isolamento ed infatti per i primi 8 minuti, sulla faccia fredda del panello, si registra una temperatura più bassa con composito con resina poliestere rispetto a quello con resina fenolica e ciò benché la capacità termica della resina fenolica sia superiore. Questo aspetto si spiega se si considera che l'isolamento termico dipende dalla diffusività termica "α" (rapporto tra conducibilità termica e il calore specifico per unità di volume = = # ��> [16].

Fig. 7 - Confronto dei profili di temperatura tra i pannelli poliestere e fenolico

4. MODELLO TERMO-MECCANICO

L’ultimo aspetto trattato nel lavoro consiste nel valutare la risposta meccanica di un pannello quando questo venga sottoposto simultaneamente al fuoco da un lato e ad un carico strutturale di compressione dall’altro. Si sono studiati i 3 diversi pannelli in miscele di resine. L’analisi è stata sempre condotta con ANSYS attraverso una macro APDL che tiene conto dei profili di temperatura di ciascun elemento osservati con il modello termico per un pannello puramente in fenolico. Le caratteristiche del materiale per ciascun tipo di pannello sono state assunte variabili con la temperatura come mostrato in tabella I. Il carico di compressione applicato nel mezzo del pannello equivale ad una pressione costante di 4.0 MPa ed è mostrato in Fig. 8 insieme con le altre condizioni al contorno.

Fig. 8 – Condizioni al contorno e temperature nel modello

Vista Isometrica Vista posteriore


Il quarto di pannello è stato modellato con elementi solidi strutturali (SOLID185 [14]) del tutto equivalenti agli elementi termici prima utilizzati. Si è anche considerato lo stesso numero di elementi (numerati nello stesso modo) del modello termico, per garantire che l’applicazione dei profili di temperatura nel modello termo-meccanico fosse corretta.

In Fig. 9 sono mostrate le frecce di ciascun pannello al variare del tempo.

5. CONCLUSIONI

Una limitazione importante all’uso dei compositi a matrice polimerica è rappresentata dalla loro ridotta resistenza la fuoco e diversi sforzi sono oggi rivolti allo sviluppo di matrici con migliori caratteristiche di resistenza.

In questo lavoro sono state studiate sperimentalmente tre diverse miscele di resine e una resina puramente poliestere; i risultati mostrano un’effettivo miglioramento delle caratteristiche elastiche delle resine “miscelate” alle alte temperature.

Nel lavoro è stato anche sviluppato un modello termico per riprodurre l’effettivo comportamento

termico della matrice sottoposta ad degrado per pirolisi. Il modello termico consente una miglior valutazione delle temperature raggiunte e, accoppiato con un modello meccanico, permette di simulare il comportamento effettivo di un pannello caricato sottoposto a fuoco. E’ stata illustrata una particolare riferita a prove sperimentali di esposizione al fuoco in corso presso l’Università di Southampton che consentiranno di valutarne la validità.

Il modello termico - così come la caratterizzazione meccanica necessaria per determinare il valore dei parametri da introdurre nel modello – rappresentano utili strumenti per la valutazione e la progettazione di strutture reali, realizzate in materiali compositi, sottoposte a carico termica.

BIBLIOGRAFIA

[1] Chiu, H.-T., S.-H. Chiu, R.-E. Jeng and J.-S. Chung (2000), “A study of the combustion and fire-retardance of unsaturated polyester/phenolic resin blends.” Polymer Degradation and Stability 70: 505-514.

[2] Chiu, H.-T and J.-O Cheng (2007), “Properties and Aggregate Structure of Unsaturated Polyester/ Phenolic Resin Blends.” Polymer-Plastics Technology and Engineering, 46: 801-810.

[3] Henderson, J.B., J.A. Wiebelt and M.R. Tant (1985), "A model for the thermal response of polymer composite materials with experimental verification." Journal of Composite Material: 578-595.

[4] Henderson, J.B. and T.E. Wiecek (1987), “A Mathematical Model to Predict the Thermal Response of Decomposing, Expanding Polymer Composites.” Journal of Composite Material: 372-393.

[5] Looyeh, M.R.E., P. Bettess and A.G. Gibson (1997), “A one-dimensional finite element simulation for the fire-performance of GRP panels for offshore structures.” International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow Vol.7 No.6: 609-625.

[6] Looyeh, M.R.E. and P. Bettess (1998), “A finite element model for the fire-performance of GRP panels including variable thermal properties.” Finite Elements in Analysis and Design 30: 313-324.

[7] Krysl, P., W.T. Ramroth, L.K. Stewart and R.J. Asaro (2004), “Finite element modelling of fibre reinforced polymer sandwich panels exposed to heat.” International journal for numerical methods in engineering 61: 49-61.

[8] Lattimer, B.Y., J. Ouellette and J. Trelles (2011), “Thermal Response of Composite Materials to Elevated Temperatures.” Fire Technology, 47 (2011): 823-850.

Fig. 9 – Frecce di pannelli in miscela di resine


[9] Riccio, A., M. Damiano, M. Zarrelli, M. Giordano and F. Scaramuzzino (2013), “Simulating the Response of Composite Plates to Fire.” Appl Compos Mater.

[10] Riccio, A., M. Damiano, M. Zarrelli and F. Scaramuzzino (2013), “Three-dimensional modeling of composites fire behavior.” Journal of Reinforce Plastics and Composites.

[11] BS EN ISO 527-4 (1997). “Plastics – Determination of tensile properties, Part 4: Test conditions for isotropic and orthotropic fibre-reinforced plastic composites.”

[12] ASTM D7264/D7264M-07 (2007). “Standard Test Method for Flexural Properties of Polymer Matrix Composite Materials.”

[13] Cutter, P.A., A.W. Gillit, G. Hilmarson and N. Mitsotakis (2004), “Development of a method for assessing the strength of composite materials in fire.” MEng Group Design Project Report, School of Engineering Sciences, Ship Science, University of Southampton.

[14] Ansys inc (2012), “ANSYS Mechanical APDL Element Reference”, release 14.5, October 2012.

[15] Ansys inc (2012), “ANSYS Mechanical APDL Thermal Analysis Guide”, release 14.5, October 2012.

[16] Ashby, M.F. (2007), “La scelta dei materiali nella progettazione industriale” Casa Editrice Ambrosiana.

[17] Conti P., Montagna A., “Determinazione di coefficienti di dilatazione termica in componenti anisotropi col metodo dei campi virtuali”. 42° Convegno AIAS – Salerno, settembre 2013.

AIAS – ASSOCIAZIONE ITALIANA PER L'ANALISI DELLE SOLLECITAZIONI 43° CONVEGNO NAZIONALE, 9-12...

Documents

Transcript of AIAS – ASSOCIAZIONE ITALIANA PER L'ANALISI DELLE SOLLECITAZIONI 43° CONVEGNO NAZIONALE, 9-12...