Il problema della perdita dell’aderenza acciaio-gomma negli isolatori elastomerici


L’isolamento sismico è un argomento relativamente recente, nonostante le prime applicazioni siano abbastanza antiche (si veda l’articolo “Isolamento sismico: le tappe storiche dal 1266 ad oggi“). Oltre ad essere un argomento affascinante, dunque, affascina anche il pensare che ci siano fenomeni non ancora compresi del tutto e per i quali sono in corso vaste campagne di sperimentazione (l’Università Federico II di Napoli è particolarmente attiva in questo settore grazie anche al contributo di personaggi del calibro di Antonello de Luca e Federico Massimo Mazzolani). Il mio misero contributo lo diedi con lo studio della stabilità degli isolatori elastomerici soggetti a spostamenti orizzontali per famiglie di dispositivi aventi diverso fattore di forma secondario S2. Ma chiudiamo queste divagazioni ed andiamo al nocciolo del problema: l’articolo di oggi vuole porre attenzione sul problema della perdita di aderenza acciaio-gomma.

Con riferimento all’immagine:

Deformazione tagliante di un blocco in gomma confinata. I punti A e B denotano le regioni rispettivamente in trazione e compressione.

la rottura del confinamento ci si aspetta che parta da uno dei due angoli A e B in figura, laddove vi è una concentrazione di tensioni. E dato che la gomma è in trazione nel punto A, mentre è in compressione nel punto B, ci si aspetta che la rottura inizi in A. Ma le analisi agli elementi finiti suggeriscono altro, in accordo anche con quanto è già presente in bibliografia. *

Si consideri l’aliquota di energia di deformazione GC rilasciata man mano che si sviluppa una lesione alla linea di confine con la piastra per un isolatore nastriforme di lunghezza L pari a dieci volte l’altezza H. All’isolatore si applica una leggera deformazione tagliante. A questo punto si può riportare su un grafico l’andamento della variazione ΔW di energia del sistema W, per piccoli step Δc di lunghezza della propagazione. I valori dell’energia di deformazione D impiegata per propagare la lesione nell’unità di superficie possono essere ottenuti dal rapporto ΔW/Δc per un’assegnata lunghezza effettiva c + (Δc/2). I risultati vengono riportati nella forma adimensionalizzata GC/UH, dove U è l’energia elastica del sistema per unità di volume, per una lesione che si propaga dal bordo teso A e per un’altra che si propaga dal bordo compresso B.

Aliquota di energia rilasciata GC per unità di lunghezza c di una lesione in corrispondenza del confine gomma-acciaio. U è l’energia di deformazione.

Dalla figura precedente si possono trarre conclusioni in accordo con i risultati sperimentali:

per un dispositivo intatto è più probabile che si abbia formazione di lesioni al lembo teso (è da tener presente anche il fenomeno della cavitazione nel caso di trazione idrostatica), ma la crescita della stessa è probabile che rallenti, al contrario di quelle al lembo compresso, che aumentano sempre più rapidamente una volta raggiunti determinati valori. Tali risultati sono discussi da Muhr ed i suoi colleghi (vedi riferimenti nel seguito).

In uno dei prossimi articoli aggiungerò i risultati di una serie di analisi con modellazione FEM (ABAQUS) che il sottoscritto fece ai tempi dell’università (purtroppo il tempo è poco e mi limito a scrivere di sera, altrimenti il sito avrebbe molti più contenuti…).

* le analisi cui si fa riferimento sono le seguenti:

[1] Muhr A. H., Thomas A. G. e Varkey J. K., 1996, “A fracture mechanics study of natural rubber-to-metal bond failure”, J. Adhesion Sci. Technol., 10, 593-616.

[2] Gregory I. H. e Muhr A. H., 1999, “Stiffness and fracture analysis of bonded rubber blocks in simple shear”, presente in “Finite Element Analysis of Elastomers” ed. Boast D. e Coveny V. A., Professional Engineering Publications, Bury St. Edmunds, Regno Unito, pag. 265-274.

[3] Gough H. e Muhr A. H., “Initiation of failure of rubber close to bondlines” in Proceedings of International Rubber Conference, Maastricht, Olanda, Giugno 2005, IOM Communications Ltd., Londra, 2005, pag. 165-174.

Come al solito, per chiarimenti, segnalazioni o altro potete scrivere al sottoscritto alla seguente e-mail:

ofs@hotmail.it

Ing. Onorio Francesco Salvatore

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