Tubazioni reti idriche: resistenza, toughness e duttilità. Il PVC-A

Tubazioni reti idriche e resistenza: il focus dell’attività di studio e di evoluzione tecnologica a cui si sono dedicati enti committenti, produttori e fornitori di materiali per le reti idriche in pressione.

In conseguenza della privatizzazione del servizio acquedottistico nel Regno Unito, le aziende concessionarie del servizio idrico si trovarono nella necessità di sviluppare delle soluzioni che garantissero un abbattimento dei costi di intervento e manutenzione per le tubazioni reti idriche rispetto a quelli noti che gravavano sulle reti realizzate con i materiali tradizionalmente usati: ghisa, cemento e acciaio.

Il concetto di “resistenza” delle tubazioni assunse quindi importanza scriminante nello sviluppo delle nuove tubazioni in materiale plastico.

Significato di resistenza tubazioni reti idriche

Resistenza, nel settore “reti idriche”, è un termine che può essere considerato da due prospettive diverse:

• capacità della tubazione di resistere a carichi di punta
• esiguità degli interventi necessari per la manutenzione delle linee di acquedotto

Oggi più che mai, con lo sviluppo tecnologico, la caratteristica di “resistenza” del materiale è in stretta correlazione con caratteristiche di “duttilità” dello stesso più che con caratteristiche di “durezza”.
A parità di resistenza meccanica, infatti, i tubi moderni in materiale plastico, caratterizzati da un meccanismo di rottura “duttile”, offrono maggiore resistenza ai carichi di punta e riducono notevolmente gli interventi di manutenzione alle reti di acquedotto rispetto ai tubi caratterizzati da meccanismo di rottura di tipo “fragile”.

Duttilità e resistenza nelle tubazioni per le reti idriche: la “toughness”

Il focus dello sviluppo tecnologico  dedicato ad aumentare la resistenza alle tubazioni reti idriche è stato quindi: “misurare e quantificare la caratteristica di duttilità” del nuovo materiale dedicato all’utilizzo acquedottistico: la lega polimerica in PVC-A.

Si giunse quindi all’introduzione di una nuova unità di grandezza meccanica: la “toughness“.

L’attività sperimentale venne eseguita con test su campioni nei quali veniva incoraggiato l’infragilimento introducendo crepe, per riprodurre le reali condizioni di un tubo che viene danneggiato durante la movimentazione o la posa d’opera.

Si cercò poi di dare una rappresentazione analitica e grafica al valore della resistenza all’avanzamento delle crepe e al controllo della transizione duttile-fragile, che in prima approssimazione venne espressa con la seguente formula:

formula della toughness per misurare la resistenza delle tubazioni delle reti idriche

Dove:

Kc = Toughness [MN/m3/2]
σf = carico di rottura
a = profondità della crepa prodotta artificialmente

 

influenza delle crepe sulla resistenza delle tubazioni per reti idriche

Influenza delle crepe sulla resistenza meccanica

 

Resistenza tubazioni reti idriche: rotture fragili e rotture duttili.

Due sono le modalità con cui le crepe influiscono sulla resistenza alle tubazioni per le reti idriche in pressione:
1  fungendo da concentrazione di sforzi. E provocando così “rotture fragili“.
2 riducendo la sezione netta di snervamento. E causando così “rotture duttili

grafico esempio di rottura fragile delle tubazioni per reti idriche
Questo grafico illustra la “rottura fragile”, in cui anche con una spinta sul tubo di modesto livello, sull’apice della cricca, o crepa, si produce una concentrazione di sforzi che ne causa l’espansione. La forza combinata per causare l’aumento della cricca, o crepa, diminuisce al crescere della sua dimensione.

Modificando le condizioni di processo o le materie prime, con l’introduzione del PVC-A, si influisce sulla resistenza alla rottura, rendendo necessari livelli di carichi molto diversi per dare inizio alla rottura “fragile”.

Questo grafico rappresenta i diversi livelli delle curve, ciascuna delle quali è caratterizzata da un singolo valore Kc.

Maggior resistenza alla rottura delle tubazioni per reti idriche con l'utilizzo del PVC-A
Questo grafico illustra invece la “rottura duttile”, in cui la presenza di un intaglio riduce la sezione trasversale della parete del tubo indebolendone la capacità di resistere alla pressione e facendo diminuire lo sforzo necessario per causare la rottura.

Esempio di rottura duttile delle tubazioni per reti idriche con l'utilizzo del PVC-A

Nel concreto, in tutti i cedimenti generati dalla concentrazione di sforzi (il caso della cricca appuntita) la rottura sarà di tipo “fragile”, laddove invece si verifica una riduzione della sezione netta, provocando rotture con basso sforzo, il materiale snerverà sull’apice della crepa (cricca arrotondata) e il cedimento sarà di natura duttile.

Rottura fragile e rottura duttile

Resistenza e toughness nelle tubazioni per reti idriche in PVC-A: un aumento correlato

Aumentare semplicemente la resistenza meccanica del polimero senza un corrispondente incremento della sua “toughness” non era la strada corretta: in tal caso la zona della sezione netta di snervamento diventa più grande ricadendo nel regime “fragile” per un più largo intervallo della dimensione iniziale della crepa; la zona fragile, infatti, si trova sempre sotto la condizione di snervamento.

Si è trattato quindi di sviluppare una soluzione diversa, migliorando la materia prima, per aumentarne la “toughness” portando il luogo fragile sopra la linea della sezione netta di snervamento.

aumento della toughness con separazione delle curve - maggior resistenza delle tubazioni delle reti idriche in PVC-A

La soluzione per garantire la resistenza alle tubazioni reti idriche è stata ottenuta aggiungendo una giusta quantità di CPE (Cloruro di Polietilene) alla mescola di PVC del materiale, andando così a separare le due curve, impedendo che queste si intersechino, ed ottenendo un materiale sempre duttile, il PVC-A, in grado di

• resistere a carichi di punta
• abbattere gli interventi di manutenzione di rete

 

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