Modellazione dell'impatto della grandine sulle membrane di copertura piane in acciaio per edifici residenziali

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 19836 (2022) Citare questo articolo

448 accessi

1 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

I pannelli per tetti in metallo sono comunemente usati negli edifici residenziali e commerciali. I pannelli in acciaio esposti alla grandine non sono stati ancora adeguatamente testati per la resistenza alle ammaccature. Per analizzare l'intera configurazione del test è stato utilizzato un modello agli elementi finiti (FEM). Per confrontare i chicchi di grandine artificiale con quelli naturali, rimasti intatti dopo l'impatto, diverse lamiere di acciaio sono state colpite da chicchi di grandine artificiale di diverse dimensioni a diverse velocità terminali. La simulazione e le proprietà del materiale vengono valutate confrontando i risultati sperimentali con il modello FE. Viene inoltre presentata un'equazione per prevedere la profondità dell'ammaccatura in base all'energia cinetica e allo stress. I risultati di questo studio forniscono una migliore comprensione delle modalità di cedimento della grandine e dei pannelli del tetto e dei loro effetti sulla resistenza alle ammaccature. In questo studio, i risultati delle osservazioni e delle simulazioni numeriche concordano bene con quelli dei modelli analitici. Il risultato è che l’equazione proposta sovrastima la profondità dell’ammaccatura rispetto a quella ottenuta con modelli agli elementi finiti, mentre l’equazione porta a sottostimare la profondità dell’ammaccatura riscontrata nelle lamiere di acciaio.

Le grandinate possono danneggiare gravemente i tetti. A seconda del flusso d'aria, durante le tempeste di grandine si possono osservare chicchi di grandine fino a 45 mm di diametro. I danni legati alla grandine spesso comportano danni al tetto. La letteratura suggerisce ancora che le grandinate possono causare danni significativi ai tetti. Se non sono presenti perdite o altri danni visibili, i danni da grandine non sono visibili sul tetto. Inoltre, la grandine che rimane solida dopo l'impatto provoca danni significativi. La simulazione del comportamento dei chicchi di grandine attraverso il loro impatto è fondamentale per valutare accuratamente la distruzione della grandine sui materiali del tetto. Poiché i chicchi di grandine naturali non si rompono, provocano danni maggiori perché non si perde energia durante la rottura1. Inoltre, è necessario sviluppare un metodo che permetta ai chicchi di grandine artificiale di rimanere integri durante un impatto ad alta velocità. L'azoto liquido viene utilizzato per creare chicchi di grandine che possono rimanere integri dopo un impatto ad alta velocità. Simili ai chicchi di grandine naturali, i chicchi di grandine artificiale sono uniformi e densi. Per una determinazione accurata della resistenza all'ammaccatura delle lamiere di acciaio, soprattutto in condizioni dinamiche, è necessario ottenere il comportamento realistico della grandine durante l'impatto. Il rischio di cedimento di un sistema di copertura deve essere valutato insieme a fattori significativi quali la dimensione della grandine, la velocità della grandine, la forma della piastra del tetto e la sollecitazione ultima. Finora non sono stati condotti studi di questo tipo. In questo studio, vengono utilizzati calcoli e test sperimentali per determinare la resistenza alle ammaccature. Le simulazioni FE sono state effettuate tramite il software Abaqus2. Un aspetto innovativo di questo studio è quello di eseguire un'analisi agli elementi finiti della grandinata, convalidata da test di laboratorio. L'attenzione principale è rivolta alla profondità delle ammaccature sulle lamiere d'acciaio dopo la grandine, poiché variano di spessore rispetto alla direzione di carico.

Quando i chicchi di grandine artificiale congelano dall'esterno verso l'interno, l'aria si raccoglie nel guscio esterno. A causa dell'aria intrappolata che viene trattenuta localmente, i chicchi di grandine hanno un punto debole. Kim et al.3 e Flüeler et al.4 hanno utilizzato una stratificazione superficiale per produrre grandine sintetica, replicata da Tippmann5. I veri chicchi di grandine hanno una struttura a strati dalla base alla punta che ricorda gli strati di una cipolla. Pertanto, tutti i chicchi di grandine prodotti con questo metodo si rompono quando colpiscono una superficie dura. Il metodo di immersione di Allaby e Garratt6 prevede la crescita degli embrioni su ghiaccio secco, racchiudendoli in una pallina da ping-pong con un foro nella parte superiore e congelandoli in acqua bollente. In questo processo, i chicchi di grandine erano sferici e il loro strato esterno era trasparente. Uno dei dodici modelli testati è sopravvissuto al primo test d'urto, sebbene nessuno di essi fosse perfettamente rotondo. Dopo l'impatto, una sfera di ghiaccio può mantenere la sua solidità aumentando la sua resistenza alla trazione. Uno studio condotto da Gold7 dimostra che il materiale noto come pykrete ha proprietà molto diverse dal ghiaccio. Per aumentare la resistenza alla trazione del ghiaccio, sono state incluse fibre di cotone o fibre di polipropilene. Secondo Wu8, i chicchi di grandine artificiale sono stati rinforzati con adesivi a base di PVA e microfibre, ma i loro parametri non sono stati notevolmente alterati. Chicchi di grandine artificiale sono stati lanciati a velocità di quasi 30 m/s su piastre di acciaio G300 con uno spessore di 0,55 mm. Solo una palla di ghiaccio composta per l'88% di acqua bollente e colla vinilica ha superato il test di impatto. La miscela di PVA nella grandine lo fa comportare come la gomma9,10. Qui, per la prima volta riportata in letteratura, sono stati realizzati chicchi di grandine artificiale con azoto liquido e acqua. Per creare i chicchi di grandine artificiali è stata utilizzata una miscela composta all'88% di acqua demineralizzata e al 12% di PVA. Quando colpivano i tetti in acciaio con velocità terminali più elevate, i chicchi di grandine di ghiaccio artificiale creati dall’azoto liquido rimanevano intatti.