Utilizzo TerrAdaptor a sbalzo: test di resistenza

Sommario

Durante il Simposio internazionale sul soccorso tecnico 2023 a St. Louis. MO, sono stati pubblicati i risultati dei test di resistenza sull’utilizzo TerrAdaptor a sbalzo. Vediamo insieme quali sono i risultati ottenuti dai test.
Questo articolo è stato tradotto dall’originale in lingua inglese che trovi cliccando QUI.

Introduzione

La terminologia AHD (Artificial High Directional) si applica alla gestione avanzata e al reindirizzamento delle corde in sistemi di sollevamento complessi. Dunque, man mano che i sistemi AHD guadagnano sempre più spazio nel mondo del lavoro e del soccorso in fune, gli specialisti del settore sviluppano nuove configurazioni per affrontare sfide di montaggio che neppure progettisti e ingegneri avrebbero potuto prevedere. Inoltre, si osservano alcune configurazioni comunemente adottate con fiducia dagli operatori, le quali tuttavia potrebbero mettere in gioco forze maggiori di quelle ammissibili.
Questo articolo esaminerà i risultati di test effettuati sui sistemi AHD nella sede SMC di Harken a Ferndale (WA), raccolti nel corso di diversi anni, e offrirà consigli sulle migliori pratiche operative.

Scenario dei test

I test sono stati effettuati utilizzando il dispositivo TerrAdaptor di SMC. L’autore, che ricopre il ruolo di Responsabile Prodotto per Harken Safety and Rescue, aveva già presentato il report “What’s your Vector, Victor?” durante il simposio internazionale sul salvataggio tecnico (ITRS) nel 2018.
In quella occasione, furono esaminate numerose configurazioni insolite dei sistemi TerrAdaptor e Vortex, Successivamente, furono analizzate le forze in gioco e fornite raccomandazioni su cosa evitare. Tuttavia, quella presentazione non forniva dati precisi sulla resistenza al carico delle configurazioni a sbalzo, come ad esempio l’utilizzo TerrAdaptor a sbalzo, risultando quindi di limitato interesse pratico.

Negli anni successivi, l’attenzione della comunità si è concentrata sui numerosi post sui social media che mostravano configurazioni a sbalzo esotiche.

Richard Delaney di RopeLab ha pubblicato uno studio nel febbraio 2020, disponibile a pagamento, intitolato Cantilevered Tripod Tubes. In questo studio venivano calcolati i carichi massimi sopportabili prima che i tubi centrali (terminologia usata per il TerrAdaptor) o i tubi interni (del sistema Arizona Vortex) cedessero o subissero deformazioni permanenti.
Anche SMC aveva realizzato test simili nel 2012. La configurazione del test prevedeva un dispositivo rigido a cui un’estremità del tubo era fissata. Invece, l’altra parte, quella a sbalzo, era sottoposta a carico attraverso un pistone idraulico che tirava verso il basso l’estremità del tubo, come illustrato nella fotografia:

Scenario dei test per utilizzo terradaptor a sbalzo
Fig. 1: Test SMC 2012

Per condurre i suoi test, Richard Delaney ha optato per l’utilizzo di materiali alternativi, evitando così di danneggiare i tubi dei sistemi TerrAdaptor o Vortex.

Ha osservato che le dimensioni dei tubi di entrambi i sistemi sono sufficientemente simili per rendere i risultati applicabili sia agli utenti di TerrAdaptor che a quelli di Vortex.
I risultati ottenuti hanno sostanzialmente confermato le sue previsioni iniziali: “Una massa di 206 kg appesa all’estremità di un tubo a sbalzo orizzontale di 850 mm causerebbe il cedimento del tubo”.
La conclusione di Delaney indica che “un peso di 272 kg appeso a un tubo orizzontale a sbalzo lungo 1 metro potrebbe danneggiare il tubo in modo irreversibile, portandolo anche a un cedimento completo”.

Risultati dei test SMC 2012 e Richard Delaney 2020

Tabella 1
1 Il rapporto di prova di Richard Delaney include altri tre test non mostrati qui poiché replicano condizioni che si applicano solo all’Arizona Vortex.

È importante osservare che nei test condotti ci sono state differenze significative nella lunghezza dello sbalzo, specialmente confrontando i test 1 e 4. La massima estensione di sbalzo ottenibile con un TerrAdaptor standard è di 27,25 pollici (circa 692 mm), se misurata dal centro dell’ultimo foro di ancoraggio numero 2.
Dalle analisi, emerge che i test effettuati da Richard Delaney potrebbero non aver replicato in modo accurato la sezione del tubo a sbalzo effettivamente supportata, almeno per quanto riguarda il TerrAdaptor.
Infatti, guardando la Figura 2, per realizzare un cantilever, il Perf-tube (grigio) deve essere collegato al Mid Tube (arancione) e al Leg Clamp. Questo configura uno sbalzo massimo non supportato di 27,25 pollici (692 mm), con una sezione supportata lunga 15,375 pollici (391 mm) quando il carico viene appeso dall’ultimo foro sul tubo, seguendo la metodologia del test SMC del 2012.

massimo sbalzo possibile per utilizzo terradaptor a sbalzo
Fig. 2: Massimo sbalzo possibile del TerrAdaptor

La discrepanza tra i metodi di test si evidenzia chiaramente nella Figura 3, che ritrae la configurazione utilizzata da Richard Delaney, mostrando un tubo che ha già subito un cedimento.

È importante notare che nei suoi test, Delaney non ha considerato la necessità di far passare il tubo attraverso il morsetto della gamba (Leg Clamp) per assicurarlo al tubo medio (Mid Tube). Questo dettaglio non trascurabile altera significativamente le condizioni di test rispetto a quelle previste per l’uso del TerrAdaptor. Inoltre, la configurazione testata da Delaney includeva un manicotto aggiuntivo che applicava il carico direttamente all’estremità del tubo, ulteriormente diversificando le condizioni di test rispetto alla procedura standard adottata nei test SMC del 2012, che mirava a replicare un utilizzo più fedele al contesto operativo reale del dispositivo.
La discrepanza tra la distanza di prova SMC 2012 e la distanza effettiva potrebbe essere dovuta all’uso di parti prototipo o semplicemente a un errore di calcolo al momento del test.

fase del test delaney del 2020
Fig. 3: Test Delaney 2020

Le differenze nelle dimensioni tra i test condotti da Delaney e quelli realizzati con il TerrAdaptor in configurazioni standard hanno avuto un impatto significativo sui risultati.

In particolare, si evidenzia l’uso di un braccio di leva più lungo nei test di Delaney, rispetto a quello che si otterrebbe con l’installazione standard dei tubi in un sistema a sbalzo completo. A meno che non si ricorra all’uso di una “Space Station” per estendere il cantilever come mostrato nella Figura 2.

Space station per Terradaptor
Space Station

Questo ha portato a un carico di rottura significativamente inferiore nei test di Delaney (674 lbf / 3 kN) rispetto a quelli del test SMC 2012 (1649 lbf / 7,36 kN). Questa discrepanza può essere attribuita sia alla lunghezza maggiore del braccio di leva sia al fatto che entrambi i test sono stati condotti utilizzando un tubo montato su un dispositivo di prova rigido. Infatti, questo potrebbe non riflettere accuratamente le condizioni di un sistema completo.

Prima del test, ci sono stati scambi di informazioni tra l’autore e Richard Delaney per assicurare che le dimensioni dei tubi TerrAdaptor fossero replicate il più fedelmente possibile per la realizzazione delle parti di prova.

Dopo aver esaminato la configurazione e i risultati dei test di Delaney, è stato sottolineato che il test di Delaney emulasse la procedura del test SMC del 2012 con un tubo inserito in un dispositivo rigidamente fissato. Inoltre, l’uso di tale tubo in un sistema reale comporterebbe la distribuzione delle forze su tutti i componenti del sistema, riducendo l’effetto della forza applicata su un singolo punto.
Questo fenomeno è evidente nei test in cui si osserva una deformazione elastica (flessione temporanea) di tutti i tubi delle gambe sotto carico. Di conseguenza, Richard Delaney ha incluso nel suo rapporto una nota di cautela:
È importante notare che questi valori teorici si basano sull’assunzione di un tubo a sbalzo fissato rigidamente. Tuttavia, in pratica, questo non si verifica poiché il resto della struttura può attenuare l’effetto della forza di torsione applicata”.

Questa osservazione sottolinea l’importanza di considerare come l’interazione tra i componenti di un sistema possa influenzare la resistenza complessiva e la distribuzione delle forze.

Un aspetto cruciale da tenere in considerazione quando si valutano i risultati dei test e si applicano questi sistemi in scenari reali.

I test effettuati nel 2021, 2022 e 2023

Abbiamo condotto i seguenti test presso la sede SMC di Harken a Ferndale (Washington), nelle estati del 2021, 2022 e 2023.

1) Cantilever orizzontali (2023)
    a) Cantilever orizzontale di base
    b) Cantilever orizzontale supportato


2) Cantilever di base (2021, 2022)
    a) Appuntato vs. rigido
    b) Cantilever vs. cantilever supportato


3) Monopiedi (2022)

I test condotti nel 2021 e nel 2022 hanno mirato a emulare con la massima accuratezza le configurazioni di treppiedi a sbalzo con l’aggiunta di una Lazy-leg (ovvero una terza gamba posizionata in appoggio posteriore per stabilizzare ulteriormente la struttura).
Questa configurazione di test si è rivelata complessa e ha richiesto un considerevole dispendio di tempo per la sua realizzazione, risultando in un insieme di dati che, sebbene tecnicamente interessanti, hanno trovato applicazioni pratiche limitate. Nonostante ciò, alcuni dei dati raccolti si sono dimostrati utili e verranno illustrati e discussi nei dettagli successivamente.

Tripode a sbalzo con lazy leg.

Test 2023

I test condotti nel 2023 hanno rappresentato un passo avanti rispetto alle sperimentazioni precedenti, grazie alla loro configurazione semplificata. Ciò ha permesso di ottenere dati più affidabili e di facilitare i confronti con i risultati dei test SMC del 2012 e quelli condotti da Delaney nel 2020. Pertanto, l’analisi si concentrerà su questi test come punto di partenza.

Nello specifico, si è scelto di massimizzare il momento flettente attraverso la creazione di un cantilever orizzontale, considerato lo scenario più critico possibile.

Il dispositivo utilizzato nei test era un TerrAdaptor, assemblato utilizzando parti di seconda scelta cioè con difetti estetici, ma funzionalmente integre. La configurazione vedeva la gamba a sbalzo disposta orizzontalmente con un Articulating Foot fissato ad un supporto verticale e una Space Station collegata al nono foro del tubo centrale.
Il carico, pari a 9 tonnellate, veniva applicato mediante un pistone idraulico e collegato attraverso una cella di carico Enforcer direttamente al pomello della Space Station, allo scopo di creare il cantilever più esteso possibile (come illustrato nelle Figure 2, 4 e 5).

È importante sottolineare che tutti i test sono stati effettuati con campione reale.

Infatti, i test effettuati con campioni in scala limitano la rilevanza statistica dei risultati ottenuti, rendendo necessaria l’esecuzione di ulteriori test per confermare o smentire i dati raccolti.

Fig. 4: Test 1 allestimento con cantilever da 270 mm.
Fig. 4: Test 1 allestimento con cantilever da 270 mm.
Fig. 5: Configurazione del test 2 con cantilever da 400 mm
Fig. 5: Configurazione del test 2 con cantilever da 400 mm

I test avviati prevedevano inizialmente l’esposizione di un solo foro (il numero 9) e l’applicazione di un carico di 3 kN per verificare la capacità del treppiede di sopportare un carico statico per due persone. Successivamente, si è cercato di incrementare il carico fino a 12 kN, al fine di simulare una situazione dinamica che potrebbe verificarsi durante l’uso reale del sistema.
Dopo questo primo test, le due gambe inferiori e la testa del treppiede sono state spostate per esporre un ulteriore foro (numero 8), ripetendo i test con carichi di 3 kN e 12 kN.

Questo processo è stato iterato, aumentando progressivamente il numero di fori esposti fino a un massimo di sei.

La scelta di utilizzare un carico massimo di 12 kN nei test è stata dettata dalla necessità di aderire ai limiti superiori stabiliti per la sperimentazione su questi sistemi. Ovvero, come indicato nei documenti dell’ITRS (International Technical Rescue Symposium) redatti da Mauthner nel 2014 e nel 2016.
Questo approccio ha inoltre permesso di ottimizzare l’uso delle risorse disponibili, limitando il consumo di tubi per TerrAdaptor a disposizione per i test, e garantendo così la possibilità di condurre un numero maggiore di esperimenti senza esaurire prematuramente le scorte.

Risultati test resistenza utilizzo terradaptor a sbalzo

Come anticipato, i risultati dei test hanno confermato che l’estensione del cantilever è direttamente proporzionale alla sua debolezza: maggiore è la lunghezza dello sbalzo, minore è la resistenza del sistema.

I dati hanno dimostrato che, sebbene un carico di 3 kN possa essere sopportato da un cantilever orizzontale, solo una configurazione con un cantilever di lunghezza pari a 273 mm è in grado di resistere a un carico di 12 kN senza subire deformazioni permanenti. Questo evidenzia chiaramente che qualsiasi configurazione a sbalzo presenta una resistenza significativamente inferiore rispetto a un treppiede configurato in maniera tradizionale.
La comparazione dei risultati ottenuti nei diversi anni di test (SMC del 2012, e 2023, Delaney nel 2020) offre una panoramica interessante sull’evoluzione della comprensione e della valutazione della resistenza di queste configurazioni.

Mentre i test più recenti hanno fornito dati più solidi e direttamente comparabili tra loro.

Infatti, ogni serie di test ha contribuito a delineare un quadro più completo delle capacità e dei limiti dei sistemi a sbalzo, evidenziando l’importanza di una configurazione attenta e della consapevolezza delle limitazioni strutturali in situazioni di utilizzo reale.

Risultati test resistenza utilizzo terradaptor a sbalzo

I confronti tra i test condotti in anni diversi evidenziano risultati interessanti che offrono spunti per ulteriori riflessioni e analisi:

  1. Confronto tra test RD 2020 e SMC 2023: Il test 4 condotto da Richard Delaney nel 2020 utilizzava un tubo di gamba isolato montato su un supporto rigido, mentre il test 6 dell’SMC del 2023 impiegava un sistema completo. Nonostante il campione SMC avesse un cantilever più lungo del 6,8%, ha mostrato una resistenza superiore del 68% rispetto al test di Delaney. Questa differenza significativa sottolinea l’importanza dell’integrazione del sistema nel valutare la resistenza complessiva di una configurazione a sbalzo;
  2. Confronto tra test SMC 2023 e SMC 2012: Il confronto tra i test 2 di entrambi gli anni rivela che, nonostante il cantilever del 2012 fosse più lungo del 4,8%, la sua resistenza era superiore del 15,67% rispetto al campione del 2023. Questa discrepanza, in contrasto con il confronto precedente, potrebbe richiedere ulteriori indagini per essere spiegata.

 

L’ipotesi di Delaney, che prevedeva il collasso del sistema con un carico di 272 kg sospeso su un tubo a sbalzo lungo un metro, è stata smentita dai risultati del test 6 del 2023.

Infatti, questi dimostrano che la capacità di carico del tubo era 1,6 volte superiore a quella prevista, mettendo in evidenza una resistenza maggiore del sistema rispetto alle aspettative iniziali.

Test SMC 2023 con l’uso di tiranti

I successivi test SMC hanno esplorato l’impiego di tiranti per migliorare le prestazioni dei sistemi a sbalzo. Implementando una gamba verticale estesa oltre la testa del sistema e dotata di un Lash Ring. Con due spezzoni di fune aramidica che collegavano la Space Station al Lash Ring in un angolo di circa 45° rispetto ai tubi orizzontali e verticali, si è cercato di valutare l’efficacia di questa configurazione nel potenziare la resistenza del cantilever.
Questa nuova impostazione è illustrata nella Figura 6.

Fig. 6: Dettaglio del tirante, test n.7
Fig. 6: Dettaglio del tirante, test n.7
Risultati test resistenza utilizzo terradaptor a sbalzo
*Per i test 9, 11 e 12, la testa era invertita con la Half Plate rivolta in avanti come mostrato in fig. 7.
Fig. 7: Half Plate rovesciata, test n. 9.

I risultati complessivi dei test offrono una panoramica dettagliata delle performance dei sistemi a sbalzo, evidenziando alcune osservazioni chiave:

  • Miglioramenti delle prestazioni: I test numerati 10, 11 e 12 hanno dimostrato un lieve miglioramento nelle prestazioni, mostrando che uno sbalzo di 400 mm può sostenere carichi di 12 kN, a differenza delle configurazioni non supportate menzionate nella Tabella 2, che hanno ceduto sotto lo stesso carico. Questo suggerisce che l’aggiunta di supporti, come i tiranti, può effettivamente aumentare la capacità di carico dei sistemi a sbalzo;
  • Variabilità nei risultati: È importante notare che il test 9 ha mostrato risultati significativamente diversi rispetto al test 8, nonostante la stessa lunghezza dello sbalzo. Questa differenza potrebbe essere attribuita all’uso di una maggiore quantità di corda nel tirante di supporto, dovuto alla configurazione invertita della testa del treppiede, oltre alla possibile variabilità nel pretensionamento del tirante e nella qualità del nodo, fattori che potrebbero influenzare i risultati dei test;
  • Uso di una cella di carico: Nel test 12, è stata impiegata una cella di carico nel tirante, con un pretensionamento di circa 0,5 kN durante l’installazione. La forza di picco registrata è stata di 4,02 kN, offrendo un dato quantitativo sull’efficacia del tirante nel distribuire il carico.

Prove di base sul cantilever 2021-2022

I test condotti nel 2021-2022 miravano a simulare condizioni d’uso più rappresentative dell’impiego comune dei treppiedi a sbalzo sul campo. Utilizzando un TerrAdaptor costruito con parti di seconda scelta (difetti estetici), si è applicato un carico di 9 tonnellate mediante un pistone idraulico, collegato attraverso cavo, catena e tenditore per limitare l’estensione del pistone e eliminare l’allungamento tipico delle corde.
La configurazione adottata per questi test era quella della Lazy-Leg, tipica di scenari di salvataggio oltre un bordo, mantenendo costante la lunghezza della Lazy-Leg durante tutta la serie di test. Le gambe anteriori venivano fissate per impedire lo spostamento sotto carico, e l’interconnessione tra le gambe era garantita da cinghie a cricchetto o spezzoni di corda, simulando così una configurazione realistica d’uso.
Va sottolineato che questi test sono stati specificamente condotti su sistemi AHD TerrAdaptor e, pertanto, i risultati potrebbero non essere direttamente trasferibili ad altri tipi di treppiedi.

Test su cantilever rigido o incernierato

Fig. 8: Connessione rigida; tutti e tre i perni della testa innestati
Fig. 8: Connessione rigida; tutti e tre i perni della testa innestati.
Fig. 9: Collegamento incernierato; un solo perno della testa impegnato nella posizione “pivot”.
Fig. 9: Collegamento incernierato; un solo perno della testa impegnato nella posizione “pivot”.

I test che distinguono tra connessioni rigide e incernierate nel contesto di strutture come treppiedi forniscono dati cruciali sulla reazione delle strutture sotto vari tipi di carico. Nella statica strutturale, la scelta tra una connessione rigida e una incernierata dipende dalla necessità di consentire o vincolare la rotazione agli incastri degli elementi, influenzando direttamente la capacità della struttura di resistere a carichi laterali o dinamici senza rinforzi aggiuntivi.

Connessioni Rigide

Le connessioni rigide limitano la rotazione tra gli elementi connessi, come una colonna e una trave, permettendo alla struttura di resistere ai carichi laterali attraverso la propria rigidezza senza necessità di rinforzi esterni. Questo tipo di connessione è cruciale per garantire la stabilità di edifici e strutture in aree soggette a forti venti o attività sismiche.

Connessioni Incernierate

Le connessioni incernierate, invece, consentono la rotazione tra gli elementi connessi, rendendo necessari rinforzi incrociati o strutture di stabilizzazione per resistere ai carichi laterali. Questo tipo di connessione è spesso utilizzato per semplificare l’analisi strutturale e per specifiche applicazioni dove la flessibilità della struttura è un requisito.

Test sul Treppiede

Nel contesto del test sul treppiede, l’obiettivo era di valutare come la struttura reagisse sotto carico quando la gamba a sbalzo era fissata in modo rigido rispetto a quando era consentita la rotazione (connessione incernierata).
I test rigidi sono stati condotti con tutti e tre i perni della testa di bloccaggio del carico inseriti nella Half plate del TerrAdaptor con il morsetto della gamba posteriore in posizione “C” nella testa del TerrAdaptor. 
I test incernierati, invece, hanno permesso alla gamba a sbalzo di ruotare, utilizzando il solo perno centrale per connettere la gamba alla testa del treppiede, offrendo così una maggiore flessibilità alla struttura. Sono stati esposti due fori per una distanza a sbalzo di 230 mm. Tutte le gambe erano fissate a terra. 

Entrambe le configurazioni sono state sottoposte a un carico di 3 kN per testare la capacità di supportare un carico statico equivalente a quello di due persone, seguito da un tentativo di carico a 12 kN per simulare condizioni di carico dinamico.

Risultati test resistenza utilizzo terradaptor a sbalzo

L’osservazione dei risultati dei test, in particolare dei test 1, 2 e 3, dimostra che il cantilever con connessione rigida ha prestazioni superiori rispetto al cantilever con connessione incernierata quando sottoposto a un carico di 12 kN. Questo suggerisce che una configurazione rigida è più efficace nel distribuire la forza del carico attraverso le gambe anteriori della struttura, riducendo così il rischio di deformazioni significative sotto carichi elevati.

L’effetto della distribuzione del carico può essere chiaramente osservato confrontando le deformazioni subite dalle due configurazioni di cantilever. Le figure 10 e 11 illustrano come il cantilever incernierato subisca una deformazione molto più significativa rispetto a quella del cantilever rigido, anche sotto carichi notevolmente inferiori.

Fig. 10: Cantilever rigido a 0 kN e 12 kN
Fig. 10: Cantilever rigido a 0 kN e 12 kN
Fig. 11: Cantilever incernierato a 0 kN e 6,8 kN
Risultati test resistenza utilizzo terradaptor a sbalzo

I test 4,5 e 6 sono stati rimossi da questo rapporto di prova per motivi di proprietà intellettuale.

Per quanto riguarda i test dal numero 7 al 18, è stato scelto di limitare l’applicazione del carico a 3 kN, al fine di minimizzare il rischio di danni alla struttura, data la disponibilità limitata di pezzi di ricambio. Questo approccio conservativo è comprensibile in contesti sperimentali dove il costo e la disponibilità dei componenti possono limitare la portata dei test.
La variazione della sovrapposizione tra il Perf Tube e il Mid Tube era mirata a valutare l’effetto di questa variabile sulla resistenza del cantilever. L’assenza di risultati significativi da questa variazione suggerisce che la lunghezza della sovrapposizione, entro certi limiti, potrebbe non avere un impatto critico sulla capacità del sistema di resistere a carichi statici moderati.

Un risultato particolarmente interessante emerge dalla misurazione delle forze sugli ancoraggi a terra delle gambe posteriori.

Il fatto che le forze sugli ancoraggi siano state maggiori nelle configurazioni incernierate rispetto a quelle rigide per ogni lunghezza di cantilever testata, fornisce ulteriore supporto all’idea che le connessioni rigide offrono una distribuzione del carico più efficace attraverso l’intera struttura. Questo indica che, in presenza di carichi statici, una struttura con connessioni rigide può essere preferibile per massimizzare la stabilità e minimizzare le sollecitazioni su singoli componenti o punti di ancoraggio.

Cantilever supportato

Fig. 12: Cantilever supportato
Fig. 12: Cantilever supportato

Similmente al test del 2023, questa sequenza di test aveva lo scopo di determinare se il supporto del cantilever, con un tie-back alle gambe anteriori estese, avrebbe migliorato le prestazioni del cantilever.
Abbiamo iniziato con il cantilever più lungo, testando solo lo scenario di carico di 3 kN. Dopo diversi test riusciti da 3 kN, abbiamo quindi tentato di caricarlo a 12 kN per simulare un evento dinamico.

Risultati test resistenza utilizzo terradaptor a sbalzo

La sequenza di test effettuata aveva l’obiettivo specifico di valutare le prestazioni di un cantilever supportato mediante l’uso di un tie-back alle gambe anteriori estese, iniziando con test sotto un carico statico di 3 kN per poi passare, in seguito al successo di questi test preliminari, a carichi maggiori fino a 12 kN per simulare condizioni di carico dinamico. 

L’unico test effettuato con il cantilever supportato e la gamba posteriore in configurazione incernierata (test 20) ha mostrato un fallimento a soli 3,07 kN, evidenziando una resistenza insufficiente di questa configurazione sotto anche modesti carichi statici.

Questo risultato ha portato alla decisione di procedere esclusivamente con configurazioni di gamba posteriore rigida per i test successivi, con il morsetto della gamba posteriore in posizione “C”.

Nei test numerati 21-23, sono state esplorate diverse posizioni dell’ancoraggio posteriore, che tuttavia non hanno prodotto variazioni significative nei risultati. Ciò indica che la posizione dell’ancoraggio, in questi specifici casi di prova, non ha avuto un impatto determinante sulla resistenza del cantilever.

Con l’avvicinarsi della conclusione della sequenza di test, è stata presa la decisione di sottoporre la configurazione supportata del cantilever a un carico di 12 kN.

Il primo tentativo (test 25) ha visto il fallimento dell’ancoraggio posteriore, ma, dopo averlo reimpostato, il test ha raggiunto un carico di 12,6 kN prima di essere interrotto. Anche il successivo test 26 ha superato la soglia di 12 kN, dimostrando che una configurazione supportata con uno sbalzo di 740 mm è capace di sopportare significativi carichi dinamici.

Nonostante questi risultati positivi sotto carichi elevati, è importante notare che le prestazioni di queste configurazioni di cantilever supportate rimangono comunque inferiori rispetto a quelle di un treppiede standard, il quale, per sua natura costruttiva e configurazione, offre una maggiore stabilità e resistenza.
L’assenza di un test diretto di confronto con un cantilever non supportato di pari lunghezza a 12 kN limita la possibilità di fare confronti diretti, ma i risultati ottenuti offrono comunque indicazioni preziose sulla fattibilità e sulla resistenza di configurazioni di cantilever supportate in scenari di carico elevato.

Test del monopiede

Il test descritto aveva come obiettivi principali l’analisi della resistenza strutturale di monopiedi realizzati con soli due tubi – specificamente, un Mid Tube utilizzato come base e un Perf Tube posizionato sopra – e la valutazione delle forze esercitate sui tiranti utilizzati per stabilizzare la struttura.
La configurazione iniziale prevedeva l’uso di un Lash Ring come punto di ancoraggio superiore, che tuttavia è stato sostituito con il Modulo Libero di una Space Station dopo un guasto. Questa modifica suggerisce l’importanza della selezione di componenti adeguati alla forza prevista e alla durata del carico.
Per massimizzare la rigidità del sistema e limitare la deformazione sotto carico, i tiranti erano costituiti da catene pesanti, mentre alla base venivano impiegati due spezzoni di fune aramidica, scelti per le loro elevate proprietà di resistenza e durabilità.
L’applicazione del carico è stata realizzata attraverso l’uso di un pistone idraulico da 9 tonnellate, collegato a un’assemblea di cavo, tenditore a vite e catena, al fine di minimizzare l’allungamento e adattarsi alle limitazioni di corsa del cilindro.

L’utilizzo di celle di carico Enforcer per registrare le forze di picco ha permesso di raccogliere dati precisi sull’impatto del carico applicato sulla struttura del monopiede e sui tiranti.

Questo metodo di misurazione è cruciale per comprendere non solo la capacità di carico massima della struttura, ma anche le potenziali sollecitazioni a cui sono sottoposti i componenti ausiliari come i tiranti.
L’obiettivo di allineare la risultante del carico con l’asse del monopiede era fondamentale per garantire che la forza applicata simulasse un carico verticale diretto, il che è essenziale per valutare la resistenza e la stabilità della configurazione in condizioni di utilizzo realistico.

Fig. 13: Configurazione del monopiede
Fig. 13: Configurazione del monopiede
Fig. 14: Configurazione del monopiede
Fig. 14: Configurazione del monopiede

Ciascuna configurazione di prova è stata prima caricata a 3 kN per determinare se potesse supportare un carico statico per due persone. Abbiamo quindi tentato di caricarlo a 12 kN per simulare un evento dinamico.

Risultati test resistenza utilizzo terradaptor a sbalzo

I risultati dei test dal numero 27 in poi forniscono informazioni significative riguardo alla resistenza e al comportamento dei monopiedi sotto carichi elevati, nonché sull’efficacia dei tiranti in configurazioni di supporto.

Sostituzione del Lash Ring

Il test 27 ha evidenziato la limitazione del Lash Ring, che non ha retto un carico di 12 kN, portando alla decisione di sostituirlo con un componente più robusto, il modulo della Space Station, per i test successivi. Questo cambiamento sottolinea l’importanza di selezionare componenti adeguati che possano sostenere i carichi previsti, specialmente in situazioni critiche dove il fallimento di un singolo componente può compromettere l’intera struttura.

Instabilità e modifiche agli ancoraggi dei tiranti

Il test 28 è stato interrotto a causa di instabilità, determinata dalla vicinanza degli ancoraggi dei tiranti anteriori. Questo ha portato alla decisione di utilizzare ancoraggi per tiranti più distanziati nei test successivi, migliorando la stabilità della struttura sotto carico.
I test 29 e 30, che hanno raggiunto l’obiettivo di 12 kN, hanno dimostrato l’efficacia di questa modifica, anche se i valori di forza registrati sui tiranti posteriori indicano che la forza risultante era posizionata anteriormente rispetto al piede del monopiede.

Osservazioni sul comportamento della puleggia

Durante i test, è stato osservato che nonostante gli sforzi di allineare la forza risultante con il monopiede, i tiranti anteriori tendevano ad allentarsi e la puleggia oscillava leggermente in avanti sotto carico. Questo comportamento è stato attribuito a un disallineamento naturale delle forze nei rami di ingresso e di uscita della fune, esacerbato dall’attrito nei cuscinetti. Questo fenomeno evidenzia come anche la meccanica fine, come l’attrito nei cuscinetti, possa influenzare significativamente il comportamento delle strutture sotto carico, soprattutto in configurazioni complesse come quelle testate.

Carico Massimo sul tirante posteriore e Conclusione

Infine, il test 31 ha registrato il carico più elevato sul tirante posteriore, segnalando un cedimento imminente del tubo centrale che ha infine ceduto a 11,95 kN. Questo risultato sottolinea il limite di resistenza della configurazione testata e l’importanza di monitorare attentamente tutti i componenti della struttura per prevenire fallimenti.

Fig. 15: Tubo centrale rotto
Fig. 15: Tubo centrale rotto
Fig. 16: Anello nell'anodizzazione che indica che il tubo ha ceduto
Fig. 16: Anello nell'anodizzazione che indica che il tubo ha ceduto

Il set di test descritto rivela informazioni cruciali riguardo la resistenza e la stabilità dei monopiedi, particolarmente quando questi sono configurati per essere il più debole possibile per testarne i limiti. Utilizzando una minima sovrapposizione dei tubi di soli 15 mm, l’esperimento ha mirato a esaminare il comportamento strutturale sotto carichi estremi, esponendo le parti a carichi ripetuti di 12 kN.

Il fallimento del Lash Ring durante il test 27 e l’interruzione del test 28 a causa dell’instabilità dovuta alla vicinanza degli ancoraggi dei tiranti evidenziano l’importanza della corretta configurazione e del posizionamento degli elementi di supporto per garantire la sicurezza e l’efficacia dei monopiedi.

L’adozione di ancoraggi per tiranti più ampi nei test successivi e il raggiungimento dell’obiettivo di 12 kN nei test 29 e 30 dimostrano l’effetto positivo di queste modifiche sulla stabilità complessiva della struttura.

La registrazione dei valori di forza sui tiranti posteriori fornisce dati preziosi sulla distribuzione delle forze all’interno della struttura. La differenza nei valori di forza tra i test indica variazioni nella distribuzione del carico e nell’allineamento della risultante, suggerendo che nonostante gli sforzi per centrare il carico, le forze dinamiche e l’attrito nei componenti come le pulegge possono influenzare significativamente la stabilità del sistema.

Il cedimento del tubo centrale nel test 31, che ha preceduto la rottura definitiva a 11,95 kN, evidenzia la vulnerabilità dell’alluminio alla fatica, specialmente in condizioni di basso numero di cicli.

L’assenza di anodizzazione sul tubo ha impedito la rilevazione precoce di segni di cedimento, che altrimenti sarebbero stati visibili come un anello rivelatore sull’anodizzazione, come dimostrato nella Figura 16 con un altro Mid Tube.

Il comportamento del sistema sotto carichi elevati ha rivelato un risultato significativo: indipendentemente dall’allineamento preciso della risultante con il monopiede, alla presenza di un carico molto elevato, la linea principale tende a trasformarsi in un tirante, causando il rilassamento di uno o entrambi i tiranti.
Nonostante la configurazione ottimale con ancoraggi simmetrici e la regolazione precisa della geometria del sistema tramite un tenditore, non è stato possibile mantenere l’allineamento della risultante con il monopiede al raggiungimento di carichi di 12 kN. Questo sottolinea la difficoltà di assicurare la stabilità dei monopiedi sotto forti sollecitazioni, specialmente in condizioni reali dove gli ancoraggi devono essere posizionati nelle locazioni disponibili.

Conclusioni

Il test del cantilever orizzontale condotto nel 2023 ha evidenziato come i cantilever, quando integrati in un treppiede completo, offrano prestazioni superiori rispetto a tubi singoli fissati in maniera rigida. Questo perché le forze esercitate sul cantilever vengono distribuite attraverso l’intera struttura del treppiede. Inoltre, è stato osservato che il supporto di un cantilever orizzontale tramite un tirante collegato a un tubo della gamba anteriore esteso migliora la resistenza del cantilever stesso. Tuttavia, è emerso che la qualità del tie-back ha un impatto significativo sulla resistenza complessiva.

I test di base sul cantilever effettuati nel biennio 2021-2022 hanno confermato che un treppiede a sbalzo con una gamba rigida supera notevolmente in prestazioni uno con una gamba fissata con un punto girevole, con un margine sostanziale.

Di conseguenza, agli utenti che intendono adottare configurazioni di treppiede a sbalzo viene consigliato di evitare l’uso di treppiedi con una gamba posteriore fissata in un unico punto (girevole).

Un altro risultato importante è che la massima configurazione supportata di un cantilever (utilizzando un Lash Ring) è stata in grado di sopportare un carico di 12 kN in quella specifica configurazione. Va tuttavia notato che la capacità di carico di un cantilever può variare in base all’angolo tra la gamba a sbalzo e la direzione della forza risultante. Questi risultati forniscono indicazioni preziose per la progettazione e l’uso di strutture a sbalzo in contesti che richiedono alta affidabilità e sicurezza.

Il test del monopiede condotto nel 2022 ha rivelato che una struttura composta da solamente due tubi, con la minima sovrapposizione tra di loro, è tecnicamente capace di reggere un carico di 12 kN.

Tuttavia, questa capacità di carico porta con sé un aumento dell’instabilità della struttura sotto carichi così elevati, mettendo in luce l’importanza critica della modalità di allestimento del monopiede per la sua stabilità e sicurezza effettiva. Questa constatazione spiega perché il manuale del TerrAdaptor non presenti la configurazione del monopiede come conforme agli standard applicabili.
Di conseguenza, si raccomanda di incrementare la sovrapposizione tra i tubi quando si costruiscono monopiedi, il che è più facilmente realizzabile utilizzando tre tubi anziché due. Questo approccio non solo migliora la resistenza e la stabilità della struttura, ma si allinea anche meglio con le pratiche di sicurezza consigliate.
Nonostante alcune delle configurazioni testate abbiano dimostrato di poter sopportare carichi fino a 12 kN, è importante sottolineare che tali carichi sono considerevolmente inferiori rispetto a quelli supportabili dalle configurazioni standard indicate nel manuale del TerrAdaptor.
L’utilizzo TerrAdaptor a sbalzo va oltre le raccomandazioni del produttore e, se le condizioni di utilizzo richiedono un’estensione oltre le configurazioni standard, si suggerisce di optare per alternative più sicure come l’uso di un treppiede inclinato in avanti o l’impiego di un Side Frame. Queste opzioni offrono una maggiore stabilità e sicurezza, conformemente alle linee guida del produttore e agli standard di sicurezza applicabili.

Crediti

Numerose persone meritano i miei ringraziamenti poiché questo progetto è stato un lavoro di squadra. L’ingegnere progettista Erik Warmenhoven ha svolto tutto il duro lavoro di allestimento dell’area di prova, ha condotto i test con me e mi ha fornito feedback su questo documento. Anche il direttore generale di SMC, Chris Starr, ha fornito il proprio contributo. Harken ci ha permesso di dedicare tantissime ore necessarie ai test.

 

NOTA
Questo articolo è stato tradotto dall’originale in lingua inglese che trovi cliccando QUI.

Per saperne di più sull’utilizzo TerrAdaptor a sbalzo Contattami.

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