Strutture a“sandwich” contro le esplosioni

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Security & materiali esplodenti
Strutture
a“sandwich”
contro le esplosioni
Stefano Scaini
Le nuove frontiere dell’ingegneria dei materiali per garantire
la sicurezza anche contro possibili attacchi terroristici. In che
maniera si può dissipare l’energia prodotta da eventi esplosivi
‘
L
Una delle massime priorità individuate dall’ingegneria dei materiali moderna è la
creazione di strutture capaci di sopportare
carichi elevati e sollecitazioni derivanti da
eventi esplosivi.
industria navale e quella specificatamente dedicata al settore della
difesa sono sempre più coinvolte
nella ricerca e nello sviluppo di
strutture che possano garantire la
sicurezza del personale e dei sistemi nell’eventualità di un attacco di matrice terroristica dalle dimensioni estreme.
Il fenomeno
Tali strutture, denominate “Blast resistant”, devono essere in grado di resistere
alle sollecitazioni prodotte da onde
d’urto dirette e riflesse, ad improvvisi e
repentini aumenti di carico in termini di
pressioni statiche e ad impatti balistici di
notevole intensità.
La componente dinamica delle pressioni (ovvero il cosiddetto “Blast wind”)
e tutta la fenomenologia delle sovrapressioni vengono generalmente considerate, e di conseguenza rappresentate,
in termini di carichi distribuiti, coinvolgendo contemporaneamente sia l’approccio alla progettazione strutturale
che le caratteristiche di rigidità di ogni
singolo elemento.
Rappresentazione grafica per isosuperfici
delle sovra-pressioni prodotte
da un’esplosione
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rivestimento esterno ed inducendo localmente deformazioni da compressione di
varia entità: in un simile contesto, pos-
Quando una struttura viene interessata
da una sovra-pressione, diversi suoi elementi sono costretti a flettersi per equilibrare il gradiente di pressione generatosi tra le condizioni interne e quelle
esterne, giungendo talvolta addirittura al
collasso dell’intera struttura.
Materiali particolarmente rigidi e caratterizzati da un’elevata resistenza alla
flessione, sono in grado di fornire un
utile contributo al rafforzamento generale di una struttura qualora venga coinvolta da sollecitazioni di questa natura.
Un altro effetto caratteristico di un’esplosione di matrice terroristica, il quale ricade nella categoria dei rischi indotti durante lo studio analitico di uno scenario
caratterizzato dall’eventuale presenza di
materiali esplodenti, è la proiezione balistica ad elevatissime velocità di oggetti
e frammenti di varia natura, nonché
delle più svariate dimensioni e geometrie.
Tale effetto è senza dubbio in grado di
indebolire la struttura, perforandone il
Diagramma delle risposte elastica,
elasto-plastica e plastica di un elemento
strutturale orizzontale sottoposto a “stress”
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dette “Blast resistant” risiede infatti nel
saper combinare con equilibrio due ingredienti fondamentali: l’effetto di smorzamento attraverso metodi di dissipazione
dell’energia provocata da un evento
esplosivo ed una generale resistenza
strutturale in termini di maggior rigidità.
Le strutture a “sandwich”
Le strutture polimeriche a “sandwich” potrebbero rappresentare una soluzione
praticabile ed adatta a resistere ai carichi
da impatto e alle sollecitazioni alla flessione; infatti, nonostante la loro resistenza ai carichi trasversali e alle sollecitazioni di taglio sia relativamente bassa,
i “sandwich” sono universalmente riconosciuti come elementi dall’elevata rigidezza alla flessione per unità di massa.
Nel caso di un’esplosione i carichi trasversali, rappresentando una componente non indifferente degli sforzi,
mandano in sofferenza con relativa faci-
Eventi di natura diversa inducono
sollecitazioni differenti ad una struttura
sono giocare un ruolo fondamentale i
materiali di nuova concezione capaci di
assorbire una percentuale considerevole
dell’energia prodotta da un violentissimo
impatto.
I materiali compositi di natura polimerica
sono stati studiati per molto tempo ed
hanno dimostrato eccellenti doti di assorbimento nel caso di impatti assai violenti;
di norma, infatti, i materiali polimerici
espansi presentano una buona capacità
di assorbimento dell’energia prodotta da
urti e collisioni in genere.
Lo sviluppo di strutture resistenti all’impatto di proiettili convenzionali dimostra come, ad un’elevata resistenza di un
materiale alla componente statica di
una forza, non sottenda necessariamente
un’altrettanto elevata resistenza ad una
componente dinamica di pari intensità.
Solo la combinazione di materiali forti
ma nel contempo fragili, come ad esempio la ceramica ed alcuni metalli, con fibre polimeriche viscoelastiche, forti e rigide, permette di raggiungere livelli di efficacia soddisfacenti.
Il segreto nel progettare strutture cosid-
UHMWPE - Ultra High Molecular Weight
Polyethylene
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lità le strutture configurate classicamente a “sandwich”; questo è il motivo
per cui si investono notevoli risorse
nella ricerca e nello sviluppo di strutture
analoghe ma dall’elevata resistenza alle
sollecitazioni trasversali sia statiche che
dinamiche.
Le strutture a “sandwich” di ultima generazione e di elevata resistenza sono caratterizzate da una nuova concezione relativamente ai propri elementi costituenti.
Nel caso specifico, materiali quali Kevlar®
a nido d’ape e resine espanse viscoelastiche vengono compenetrati gli uni con gli
altri a formare strutture dalle incredibili
qualità di risposta; inoltre, l’adozione di
un ulteriore rinforzo costituito da Polietilene dal peso molecolare elevatissimo
e denominato U.H.M.W.P.E. (Ultra High
Molecular Weight Polyethylene), dimo-
Esempio di struttura a “sandwich”
stra estreme capacità di dissipazione dell’energia da avvenuto impatto.
Le fibre di U.H.M.W.P.E. sono costituite
da AlliedSignal (Spectra®), DSM (Dyneema®), Tenfor (Snia®) e Mitsui (Tekmilon®), e sono caratterizzate da un
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peso molecolare fino a
100 volte superiore rispetto alle comuni
resine polietileniche.
Le loro caratteristiche fisiche e meccaniche sono comparabili con quelle dei più
comunemente usati materiali di rinforzo quali il carbonio e le fibre di vetro e, al fine
di migliorare le proprietà leganti tra questa tipologia di fibre e i sistemi su matrice di resina, sia essa epossidica, poliestere o estere-vinilica, sono generalmente necessari speciali trattamenti delle superfici.
La particolare resistenza all’acqua e agli effetti dell’umidità,
nonché le spiccate doti di galleggiamento, rendono l’uso del polietilene U.H.M.W.P.E. particolarmente adatto ad impieghi nel
settore della nautica e dell’ingegneria navale; inoltre, tali fibre si
prestano enormemente ad interventi di rinforzo e blindatura di corazze a causa delle eccellenti doti di
resistenza agli urti e agli impatti violenti.
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Per cont
L’incendio quale effetto
collaterale
Lo sprigionarsi di un incendio o comunque la produzione di una fiamma è
un fenomeno generalmente conseguente
ad un’avvenuta esplosione; infatti, l’impatto con la struttura da parte di particelle ed oggetti di media grandezza
estremamente caldi o avvolti dalle
fiamme è un’eventualità che, ad esplosione avvenuta, può addirittura provocare
l’incendio di elementi strutturali.
Questo fenomeno di combustione può,
in alcuni casi, propagarsi fino ad interessare l’intera struttura, danneggiando la
resistenza globale della medesima; per
mitigare questo rischio tutt’altro che
remoto, specialmente nel caso di natanti
in genere, la struttura a “sandwich” viene
spesso integrata con l’adozione di uno
strato esterno di materiale ritardante gli
effetti esotermici innescatisi.
In questo caso specifico, lo sviluppo di
tecnologie e materiali di ultimissima
generazione si è orientato verso l’impiego sempre più frequente di isolanti
costituiti da nano-particelle di natura polimerica.
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