Strumenti informatici innovativi applicati ad un laboratorio di tecnologia per l’edilizia

L’attività del reparto TCIS riguarda, principalmente, la certificazione, la sperimentazione e la ricerca su materiali e prodotti destinati all’edilizia, con particolare riferimento agli aspetti prestazionali dei serramenti, dei sistemi di copertura e tamponamento.

La crescente domanda di servizi di certificazione e sperimentazione del mondo produttivo in edilizia ha richiesto la messa a punto di strumentazioni ed apparecchiature sempre più flessibili e di facile utilizzo.

Si è così deciso di sostituire i vecchi sistemi di misura non informatizzati, interfacciati a registratori grafici o indicatori a quadrante, analogici o digitali ecc. con un sistema di acquisizione dati completamente informatizzato.

La nostra scelta è caduta su un sistema interfacciabile con la strumentazione già esistente che può essere utilizzato indifferentemente per tutte le prove svolte dal reparto in laboratorio, e, eventualmente anche per prove in opera.

Si è scelto un software basato su un linguaggio di programmazione per oggetti la cui semplicità di utilizzo permette di sviluppare velocemente programmi per la gestione delle prove e per l’elaborazione dei dati. L’obiettivo raggiunto è stato quello di realizzare un ambiente omogeneo, indipendente dalle diverse apparecchiature già esistenti, per tutte le prove eseguite all’interno del reparto.

Le prove eseguite nel laboratorio tcis e la loro informatizzazione

Le prove vengono eseguite seguendo norme tecniche nazionali ed internazionali, se esistenti, oppure per prodotti innovativi, quali ad esempio pannelli sandwich, lucernari ecc., vengono utilizzate guide tecniche messe a punto da organismi europei come l’UEAtc (Union Européenne pour l’Agrément Tecnique) o l’EOTA (European Organization for Technical Approvals).

Le principali prove eseguite all’interno del reparto sono:

• Prova di flessione su pannelli sandwich
  Questo test viene eseguito per valutare le prestazioni meccaniche dei pannelli sandwich secondo la guida europea UEAtc : il pannello viene appoggiato o fissato su due o tre appoggi su un banco di prova e, in funzione del carico imposto su quattro punti mediante una serie di travi, si misura la sua deformazione fino a rottura. La forza imposta viene misurata con una cella di carico, mentre le deformazioni del pannello in corrispondenza degli appoggi ed in mezzeria sono misurate con trasduttori di posizione di tipo potenziometrico. Sia la cella di carico che i trasduttori sono collegati al sistema di acquisizione dati e la prova viene gestita da un pannello di controllo che permette di monitorare contemporaneamente sia il valore del carico applicato che le deformazioni dei trasduttori.
  I dati vengono anche memorizzati su un foglio di calcolo per consentire le successive elaborazioni: calcolo della rigidezza e delle tensioni di taglio o raggrinzimento agli stati ultimi, secondo le raccomandazioni europee ECCS (European Convention for Constructional Steelwork).
• Prove termiche su pannelli sandwich
  L’influenza che le sollecitazioni termiche, dovute agli effetti climatici o agli impianti, inducono sui pannelli sandwich viene valutata attraverso prove termiche secondo quanto indicato nella guida UEAtc1. Il pannello viene fissato ad un telaio metallico indeformabile completo di un dispositivo di insolazione artificiale. La prova si articola in tre fasi: nella prima si incrementa la temperatura fino a portare le due facce del pannello ad un gradiente termico di circa 60°C e si misura, mediante trasduttori di posizione di tipo potenziometrico, la deformazione del pannello fissato esclusivamente su due appoggi in funzione delle differenza di temperatura; nella seconda il pannello è fissato su tre appoggi e, oltre alla deformazione nelle due campate, si misura, con una cella di carico, la reazione dell’appoggio centrale. La terza fase, relativa alla valutazione di durabilità del pannello, consiste nell’applicazione di tre cicli secondo le seguenti modalità: risalita in temperatura come per le due fasi precedenti, mantenimento della temperatura per circa tre ore, choc termico mediante innaffiamento del pannello con un getto di acqua fredda e stabilizzazione a temperatura ambiente. Alla fine dei tre cicli si controlla la riproducibilità delle deformazioni del pannello in funzione della temperatura e si determina la deformazione residua del pannello.
  Le termocoppie, i trasduttori di posizione e la cella di carico sono collegate al sistema di acquisizione dati e la prova è gestita da un pannello di controllo che consente di visualizzare l’andamento della temperatura, la deformazione del pannello e la reazione dell’appoggio centrale. Il tempo di acquisizione viene agevolmente modificato durante la prova adattandolo alle varie fasi. I dati vengono memorizzati su un foglio di calcolo per consentire successive elaborazioni
• Prova di permeabilità all’aria sugli infissi e sulle facciate
  La prova di permeabilità all’aria consiste nel misurare la portata di aria che una finestra o un elemento di chiusura verticale lascia passare quando è sottoposta a una pressione differenziale.
  La prova, eseguita secondo la norma UNI EN 42 , prevede l’applicazione di pressioni gradualmente crescenti o decrescenti secondo intervalli prestabiliti sino a 600 Pa. Si misurano i gradini di pressione con un manometro e la portata d’aria con un anemometro a filo caldo; entrambi sono collegati al sistema di acquisizione dati. La prova è gestita da un pannello di controllo che permette di monitorare l’andamento della pressione e della portata d’aria.
• Prova di resistenza al vento sugli infissi e sulle facciate
  La caratterizzazione del comportamento al vento si effettua, secondo la norma UNI EN 77 , attraverso l’applicazione di gradini di pressione e depressione e la misura ad ogni gradino dello spostamento frontale di punti caratteristici del campione di prova, mediante trasduttori di posizione di tipo potenziometrico. Si effettuano poi 50 cicli alla pressione (depressione) di 1400 Pa. La prova è gestita da un pannello di controllo che permette di visualizzare la deformazione dei trasduttori in funzione della pressione esercitata.
• Prova di carico statico e dinamico su lamiere o pannelli sandwich
  La prova è effettuata secondo le indicazioni della norma francese NF P 35-504 . Permette di verificare il comportamento a fatica delle lamiere nervate sottoposte a carico dinamico. Il numero di cicli di pressione a cui il campione viene sottoposto è di circa 500.000. L’apparecchiatura impiegata per le prove è costituita da una vacuum chamber con struttura metallica (2m x 12m), corredato da: un ventilatore munito di valvole di regolazione per il raggiungimento delle pressioni/depressioni impostate per la messa in carico; un pressostato che misura le pressioni imposte alle lamiere all’interno del cassone e che comanda una valvola on-off sulla testa della vacuum chamber, secondo due soglie di pressione impostate; trasduttori di posizione di tipo potenziometrico che misurano le deformazioni cicliche e residue delle lamiere durante i cicli e alla fine degli stessi. Il risultato della prova consiste nel rilevare situazioni di deformazione permanente della lamiera sottoposta a fatica attraverso i cicli, ovvero in casi estremi rilevare la fine della vita utile della lamiera attraverso la rottura della stessa. Il pressostato e i trasduttori sono collegati al sistema di acquisizione, e la prova viene gestita da un pannello di c ontrollo che permette di visualizzare sia le deformazioni dei trasduttori, sia l’andamento ciclico della pressione. I dati memorizzati su file Excel vengono successivamente elaborati per fornire i valori di deformazione residua della lamiera in funzione dei vari cicli di pressione e la deformazione finale.

Rilevazione delle condizioni ambientali esterne ed interne per le prove in opera

L’ICITE ha recentemente condotto anche prove “in situ”, presso la stazione aeroportuale di Malpensa 2000, per la verifica della permeabilità all’aria, della tenuta all’acqua, e della resistenza al vento di chiusure verticali. In tale occasione si è deciso di completare l’apparato sperimentale normalmente utilizzato per le prove di laboratorio con strumenti che consentono di misurare l’influenza delle condizioni ambientali interne e esterne.

Infatti la differenza di pressione impostata dalla apparecchiatura di prova può essere influenzata in determinate condizioni dalle differenze di pressione imposte dalla forzante vento e dalla forzante termica (stack effect); inoltre, la misura della portata d’aria può, a sua volta, essere condizionata dalla differenza di densità dell’aria rispetto a condizioni di riferimento in laboratorio.

Al fine di tenere sotto controllo queste influenze sono state misurate in continuo le condizioni ambientali, con:

• stazione meteo-climatica esterna completa dei seguenti strumenti:
  • tacoanemometro optooelettronico a coppe per la misura della velocità del vento;
  • termoigrometro antiradiazione a ventilazione forzata per la misura della temperatura dell’aria esterna e dell’umidità relativa esterna;
  • solarimetro per la misura della radiazione solare globale su piano orizzontale;
  • set microclimatico interno costituito da psicrometro con sensori Pt 100 per la misura di temperatura dell’aria interna a bulbo secco e di temperatura dell’aria interna a bulbo umido per la valutazione dell’umidità relativa interna.

Tutti questi strumenti sono stati collegati al sistema di acquisizione dati, il programma realizzato per monitorare l’influenza delle condizioni ambientali interne ed esterne viene lanciato contemporaneamente alle altre prove in corso, l’ora registrata in tutte le prove permette di correlare le condizioni ambientali interne ed esterne a tutte le prove eseguite.

Conclusioni

L’attività svolta in questi ultimi anni ha quindi portato alla informatizzazione dell’acquisizione dati relativamente alle principali prove afferenti al Reparto di tecnologia dei componenti, degli impianti e delle strutture dell’ICITE-CNR.

Questa innovazione ha portato una serie di miglioramenti nell’attività svolta che possono essere sintetizzati come segue:

• maggior rapidità nell’esecuzione delle prove e nella successiva elaborazione dei dati,
• controllo on-line delle prove, con possibilità di verifica ed eventuale intervento sul funzionamento delle prove stesse,
• miglior precisione nell’acquisizione delle misure,
• compatibilità tra il formato dei dati registrati e gli elaborati tecnici utili all’attività di ricerca e di certificazione.

Uno dei prossimi sviluppi riguarderà l’automazione della apparecchiatura per le prove di permeabilità all’aria, tenuta all’acqua e resistenza al vento sugli infissi e sulle facciate che consentirà il comando ed il controllo di dispositivi quali valvole, motori, ventilatori.

Questo consentirà di continuare il processo di informatizzazione avviato passando da un primo livello relativo esclusivamente agli aspetti di acquisizione dei dati ad un secondo livello, più performante, di completa automazione delle prove.

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