Sviluppo e calibrazione di modelli di danneggiamento plastico duttile in acciai strutturali per tubi da pipeline per il trasporto di gas e petrolio

Come dice il Professor J. Lêmaitre, “L’endommagement, comme le diable,invisible mais redoutable” ovvero “Il danneggiamento, come il diavolo, è invisibile ma temibile”. In questa massima è racchiuso l’approccio che il progettista meccanico e lo studioso di meccanica dei materiali ha sempre avuto, anche inconsapevolmente, con questo fenomeno così sfuggente alla misura ma allo stesso tempo sempre presente nella vita di tutti i materiali di uso industriale. Sebbene non esista una definizione quantitativa unanimente accettata del danneggiamento, tutti gli studiosi sono concordi nell’affermare che esso si manifesta attraverso la formazione in seno al continuo del materiale di una serie di discontinuità di interfaccia per ciò che riguarda le micro-fissure,oppure di discontinutà di volume per le micro-cavità o micro-vuoti. Si tratta dunque di un processo reologico molto diverso dalla deformazione, benché le cause iniziali dei due fenomeni siano identiche: movimenti intermolecolari nei materiali organici, micro-decoesioni nei minerali. Il danneggiamento in particolare presenta un carattere di irreversibilità molto pronunciata: infatti persino i trattamenti termo-meccanici non fanno sparire che molto parzialmente i difetti creatisi. La rottura macroscopica è stata studiata da molto tempo. Già Leonardo da Vinci nel XVI secolo si preoccupava di caratterizzare la rottura con l’aiuto di grandezze meccaniche (il carico, la sezione resistente). Seppure molti criteri di rottura siano stati proposti nel corso degli ultimi secoli (Coulomb, Rankine, Tresca, Von Mises, Mohr, Caquot...), solo di recente ci si è cominciati a preoccupare degli effetti del progressivo deterioramento dei materiali che ne precede la rottura. Solamente nel 1958 Katchanov pubblicava la sua prima memoria che coniava una variabile continua di danneggiamento nell’ambito dell’evoluzione delle grandezze visco-plastiche dei materiali sollecitati a temperature medie e alte, gettando di fatto le basi per lo studio del danneggiamento. In seguito in diverse nazioni (Francia,Regno Unito, Svezia, Danimarca, Stati Uniti, Giappone) molti studiosi appassionati hanno continuato questo lavoro di indagine sperimentale ancor oggi in continuo sviluppo per quel che riguarda l’identificazione sperimentale dei parametri caratteristici dei materiali. Tuttavia oggi solo alcuni modelli di danneggiamento hanno raggiunto un grado di completezza tale da poter essere proposti per la previsione delle condizioni di esercizio di opere ingegneristiche destinate alla produzione industriale. Nondimeno rimane ancora un vuoto da colmare per poter ritenere i modelli di danneggiamento affidabili. Difatti, come per molti altri modelli, una delle maggiori difficoltà riguarda l’identificazione dei parametri caratteristici, ovvero di quelle grandezze numeriche che, caratterizzando un materiale o un processo, servono a rendere affidabili le previsioni di comportamento fornite dai modelli stessi. Tenendo presenti le premesse fatte, nel presente lavoro ci si propone di scegliere un modello di danneggiamento (tra quelli riconosciuti validi dalla comunità scientifica), di implementarlo in un software commerciale di calcolo agli elementi finiti, già ampiamente utilizzato e ritenuto affidabile da una vasta comunità di progettisti e dall’industria (MSC Marc per motivi di partnership), e di delineare una tecnica sperimentale di identificazione dei parametri del modello. Il problema industriale a cui si vuol iniziare a dare una risposta finalmente è quello di prevedere l’affidabilità in esercizio di materiali i quali durante la lavorazione e la messa in opera sono stati sottoposti ad una serie di grandi deformazioni plastiche. In particolare ci si vuole occupare di tubi in acciaio da impiegare nella costruzione di gasdotti ed oleodotti. Infatti la tecnica costruttiva di queste opere prevede una serie di grandi deformazioni a cui sottoporre i tubi durante il loro collegamento (per formare le cosiddette pipes) ed infine, in particolar modo, durante la loro messa in opera. Specialmente la tecnica cosiddetta del reeling per la posa di tubazioni sottomarine (off-shore) sottopone i materiali a un numero di grandi deformazioni plastiche.