Studio e caratterizzazione mediante analisi FEM di una schiuma innovativa per l’isolamento termico ed acustico di porte tagliafuoco ad uso navale
In questo lavoro vengono considerati tre aspetti fondamentali dell’industria navale: il primo riguarda la lana di roccia, il materiale isolante più utilizzato a bordo ma che rilascia, se maneggiato, delle fibre, fenomeno che potrebbe avere serie ricadute sulla salute degli operatori; la vetroresina, materiale composito largamente utilizzato nel settore nautico, ma difficile da riciclare e da riutilizzare; infine, la sicurezza ed il comfort a bordo, esigenze per le quali armatori ed Enti di Classifica sono sempre più stringenti. Le diverse richieste riguardanti questi tre aspetti hanno incoraggiato questo lavoro basato sulla produzione di una shiuma innovativa - a partire da scarti di vetroresina - da utilizzare per l’isolamento termico e acustico delle porte tagliafuoco ad uso navale. In particolare la schiuma innovativa è stata progettata ed ottimizzata per sostituire la lana di roccia nelle porte tagliafuoco navali. A tal fine l’isolante innovativo è stato sottosposto al test di incombustibilità come richiesto dal FTP Code (Codice Internazionale per l’applicazione della procedura di prova antincendio). Sono stati poi eseguiti ulteriori test sperimentali per valutare le proprietà acustiche, meccaniche e termiche ed infine è stato creato un modello numerico per simulare il test di resistenza al fuoco richiesto dal FTP Code per le porte tagliafuoco.
Il modello numerico
L’analisi numerica consente di risparmiare tempo e denaro nella fase progettuale, in quanto riduce il numero di prototipi da creare e testare.
Questa fase rende doveroso l’utilizzo dei software di supporto. In questo caso specifico la scelta è ricaduta su due dei software proposti da MSC Software: MSC Nastran e Patran. Il primo oramai diffuso come il solutore più affidabile quando si tratta di simulare comportamenti legati alle sollecitazioni e deformazioni e ai comportamenti non lineari. Il secondo è una soluzione completa per la modellazione a elementi finiti che permette di effettuare modellazione, meshatura, impostazione dell’analisi e post-processazione per molti solutori, tra cui MSC Nastran e Marc. Con l’aiuto di questi software l’attività si è svolta secondo il seguente flusso di lavoro:
La geometria del modello è stata realizzata sulla base di un disegno tecnico fornito da un’azienda che produce porte tagliafuoco navali.
Tale geometria è stata discretizzata e, successivamente, è stata eseguita un’analisi di sensitività (DOE) della mesh per ottimizzare l’onere computazionale e la convergenza dei risultati.
Il modello numerico ottenuto è stato validato utilizzando i dati contenuti in un verbale di prova RINA (Registro Navale Italiano) relativo ad un reale test di resistenza al fuoco. Tale test era stato eseguito su una porta tagliafuoco con lana di roccia come isolante.
Il modello validato è stato quindi utilizzato per simulare il test sulla porta con la schiuma innovativa come isolante.
Simulazione termomeccanica
La porta tagliafuoco considerata nel presente lavoro è una porta ad anta singola, composta da due fogli di acciaio al carbonio all’interno dei quali si trova il materiale isolante. Il telaio è avvitato sulla paratia e la porta è fissata ad esso mediante tre cerniere sul lato sinistro. La serratura è presente sul lato destro. Durante il test di resistenza alla fiamma la porta viene riscaldata secondo una relazione tempo-temperatura espressa nel FTP Code. In questo lavoro viene considerata una porta di Classe A-60: il test è eseguito fino a una temperatura di 950 °C raggiunta in 60 minuti.
La procedura di prova richiede che la temperatura e gli spostamenti siano monitorati in punti prefissati. È inoltre richiesto che la temperatura sulla superficie non esposta della porta non superi un determinato valore essendo tollerati solo piccoli interstizi tra la porta e il telaio poiché la fiamma non deve passare attraverso la porta. La modellazione numerica del test di resistenza al fuoco richiede due passaggi. Da una parte è necessaria un’analisi termica per valutare la distribuzione di temperatura all’interno della porta. In un secondo passaggio, quest’analisi sarà utilizzata come input per una successiva analisi strutturale atta ad evidenziare le deformazioni della porta. Le proprietà termiche e meccaniche dell’acciacio al carbonio e della lana di roccia necessarie per l’analisi numerica sono riportate nelle schede tecniche per le basse temperature e vengono integrate con i dati disponibili in letteratura per le alte temperature.
Le caratteristiche della schiuma innovativa vengono invece valutate in modo sperimentale. Il materiale isolante è modellato con elementi solidi, mentre gli elementi a shell vengono adottati per le piastre in acciaio della porta, del telaio, della paratia e dei rinforzi. Un’analisi di sensitività della mesh consente di stabilire le dimensioni delle celle come compromesso tra l’onere computazionale e la convergenza dei risultati. Per l’analisi termica, viene eseguita un’analisi stazionaria anziché una transitoria considerando la radiazione e la convezione sul lato esposto al fuoco. Il regime stazionario è ipotizzabile poiché la curva di riscaldamento espressa nel FTP Code è asintotica dopo i primissimi minuti. Il lato della porta esposto al fuoco viene perciò sottoposto direttamente alla temperatura massima raggiunta dopo i 60 minuti e pari a 950°C. Questa semplificazione consente di ridurre i tempi di calcolo senza perdere precisione nel risultato. Per il lato non esposto vengono considerate convezione e radiazione, applicando un coefficiente equivalente di 10 W (m K)-1. Le temperature nei punti delle termocoppie (1, 2, 3, 4, 5) sono rilevate e confrontate con i risultati riportati nei rapporto RINA. I risultati numerici differiscono al massimo di 1 °C da quelli sperimentali, consentendoci di affermare che il modello può essere considerato validato dal punto di vista termico. Per l’analisi strutturale, è necessario considerare i vincoli della paratia e le connessioni tra la porta ed il telaio. Poiché la paratia è saldata all’apparecchiatura di prova, tutti i movimenti traslazionali e rotazionali ai lati sono fissati. Per modellare la serratura e le cerniere sono utilizzati i connettori MPC/RBE2, che vincolano i nodi ad avere gli stessi spostamenti. I risultati mostrano che l’anta, a causa dei vincoli e del gradiente di temperatura interno, tende ad inflettersi nella direzione del carico. Gli spostamenti nelle altre direzioni possono essere considerati trascurabili. Gli spostamenti tra porta e telaio calcolati nei punti di misurazione (A, B, C, D, I) sono confrontati con i dati forniti dal rapporto RINA. I risultati numerici differiscono al massimo di 2 mm da quelli sperimentali: il modello può quindi essere considerato validato anche dal punto di vista meccanico. Successivamente il modello viene utilizzato per valutare le prestazioni della porta con la schiuma innovativa. Tutte le condizioni al contorno sono mantenute costanti e solamente le caratteristiche del materiale isolante vengono modificate con i valori ottenuti per l’isolante innovativo. L’aumento della temperatura rilevata sulla faccia della porta non esposta al fuoco (20 °C) è dovuto alla maggiore conducibilità termica della schiuma innovativa rispetto alla lana di roccia. Ad ogni modo, i requisiti del FTP Code sono soddisfatti anche dal modello con l’isolante proposto. Dal punto di vista strutturale, gli spostamenti rilevati sono uguali a quelli del modello con la lana di roccia poiché l’aumento di 20 °C del carico termico non genera ulteriori deformazioni dell’acciaio, le cui proprietà dominano il comportamento meccanico della porta. In questo modo è stata dimostrata la possibilità di utilizzo dell’isolante innovativo all’interno di porte tagliafuoco di classe A-60 per uso navale.
