The Structural Engineer's Corner

Eng. Onorio Francesco Salvatore

Dinamica delle esplosioni I: generalità

Written By: Francesco Salvatore Onorio - Apr• 25•12

Dopo aver trattato l’argomento esplosioni con alcuni articoli pubblicati su questo sito (si veda “Le esplosioni ed i loro effetti sulle strutture – parte I – nozioni e relazioni di base“, “Le esplosioni ed i loro effetti sulle strutture – parte II – la conversione in TNT equivalente“, “Sovrappressioni limite per il collasso degli edifici, probabilità di sopravvivenza e casi di studio“) ho il piacere di annunciare la collaborazione con l’ing. Alessandro D’Andrea, ingegnere meccanico esperto dell’argomento e di cui riporterò i suoi studi sull’argomento. L’ing. D’Andrea ci terrà compagnia con parecchi articoli, avendo egli studiato a fondo l’argomento e scritto tanto al riguardo. Ringrazio D’Andrea per la volontà di condividere le sue conoscenze, totalmente in accordo con lo spirito de L’angolo dell’ingegnere strutturista.

Si parte con il primo articolo sulle generalità.

Berthelot, illustre chimico francese del XIX secolo, definì l’esplosione come una rapida espansione di gas in un volume molto più grande di quello iniziale con effetti sonori e meccanici notevolmente intensi. Caratteristica essenziale del fenomeno è infatti l’istantaneità; l’energia liberata deve essere sprigionata in un tempo brevissimo per accumularsi nel punto di scoppio prima di essere dissipata (S.Petralia 2000).
Questa definizione molto generale consente di suddividere le esplosioni in tre classi dipendenti dalla loro natura:

1. fisica;

2. eventi nucleari;

3. chimica.

In un’esplosione fisica l’energia può essere rilasciata dal cedimento strutturale di un serbatoio di gas compressi, da eruzioni vulcaniche o anche dalla miscelazione di due liquidi a temperatura diversa.

In quella nucleare l’energia è liberata a seguito di una reazione non controllata di fusione o di fissione, cioè da un processo di trasformazione di tipo nucleare.

Nell’esplosione chimica si ha invece una rapida ossidazione degli elementi di combustibile (atomi di carbonio e idrogeno).

L’improvviso e violento rilascio di energia meccanica, chimica o nucleare, normalmente è associato alla produzione di gas ad altissima temperatura e pressione. L’espansione istantanea di questi gas crea un’onda d’urto nel mezzo in cui avviene che si propaga su una sfera centrata nel punto di scoppio. Quando quest’onda incontra un ostacolo, esercita su di esso una forza tanto maggiore quanto lo è la superficie investita e quanto più è vicina al centro d’esplosione. I parametri che la caratterizzano sono misurabili sperimentalmente con un’accuratezza inferiore al 10%, ma il grado d’incertezza aumenta sensibilmente quando si tenta di stimarli per via teorica.

Le esplosioni sono state oggetto di numerosi studi nell’intento di realizzare una modellistica in grado di rappresentarne gli aspetti più significativi. In seguito, saranno illustrati una serie di modelli che si reputano adatti per calcolarne i parametri caratteristici, il comportamento di elementi strutturali semplici sottoposti alle forze messe in giuoco ed alcuni dati considerati necessari nell’analisi degli eventi legati allo scoppio di una sostanza esplosiva, sia essa gassosa, liquida o solida.

Nel presente lavoro, tali modelli riguarderanno prevalentemente composti di tipo solido, come le cariche ad alto potenziale che, nella loro composizione molecolare, contengono combustibile e comburente e sono caratterizzate da un’elevata velocità di reazione in grado di originare delle detonazioni. Infatti, in presenza di gas e vapori infiammabili della famiglia degli idrocarburi si hanno di norma deflagrazioni, che solo in casi particolari possono dar luogo ad esplosioni approssimabili a detonazioni. La distinzione tra detonazioni e deflagrazioni, quindi, è importante, in quanto, le prime si esauriscono in alcuni millisecondi, mentre le seconde richiedono tempi molto più lunghi (decine di millisecondi).
In letteratura, l’esplosione di una carica di esplosivo solido viene analizzata in relazione al tipo di detonazione:

– esplosione in aria libera senza superfici riflettenti (propagazione sferica);

– esplosione in aria sopra una superficie con detonazione sul terreno (propagazione emisferica);

– esplosione sotterranea;

– esplosione subacquea.

Questo è tutto, per il momento.

Ci diamo appuntamento al prossimo articolo, che tratterà in dettaglio le detonazioni e le deflagrazioni. Chiudo ringraziando nuovamente l’ing. Alessandro D’Andrea.

Come al solito, per chiarimenti, segnalazioni ed altro è possibile contattare il sottoscritto a:

onorio@strutturista.com

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