Esercitazione Unioni Acciaio

STRUTTURE IN ACCIAIO :

SISTEMI DI COLLEGAMENTO E UNIONI – PARTE 1GENERALITÀ

UNIONI BULLONATE

UNIONI SALDATE

Website: http://www.francobontempi.org

Prof. Franco Bontempi, Ing. Stefania Arangio

[email protected] , [email protected]

Sapienza Università di Roma

Corso di Tecnica delle Costruzioni – Ingegneria Civile

A.A. 2012 – 13

ESERCITAZIONI 9 – 10

21 Dicembre 201228 Febbraio 2013

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Corso di Tecnica delle Costruzioni – Ingegneria Civile Prof. Franco Bontempi – Ing. Stefania Arangio

ESERCITAZIONI 9 - 10 A.A. 2012 - 2013

I sistemi di collegamento: generalità

Unioni bullonate

Unioni saldate

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Unioni bullonate

Unioni saldate

Outline

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SCOMPOSIZIONE STRUTTURALE

Struttura

Sottostruttura

Componenti

Struttura

Sottostruttura

Componenti

Elementi

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SISTEMI DI COLLEGAMENTO

L’acciaio è fornito dall’industria siderurgica in elementi di forme tipiche (profilati, lamiere, tubi) e di dimensioni unificate

A partire da questi elementi resistenti semplici è possibili costruire una qualsiasi struttura

In questo senso assumono un ruolo fondamentale i collegamenti.Devono essere realizzati in modo che ciascun elemento semplice contribuisca alla capacità portante dell’insieme.

Sistemi di collegamento : dispositivi costruttivi che hanno lo scopo specifico di connettere due o più elementi strutturali inizialmente indipendenti

Sistemi di collegamento nelle NTC 2008:

• bulloni normali (§ 11.3.4.6.1)• bulloni ad attrito (AR) (§ 11.3.4.6.2)• saldature (§ 13.3.4.5)• chiodi (§ 11.3.4.6.3)

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Gen

eral

ità

UNIONI TRA COMPONENTI STRUTTURALI

Unioni correnti : servono per creare profili composti a partire da ferri piatti e cantonali (profili che non esistono sui sagomari, come travi alte e profili a cassone)

Unioni di forza: uniscono tra lori i vari elementi strutturali per formare l’intera (collegamenti) costruzione

Immagine da http://dankuchma.com/stm

I giunti tra gli elementi sono realizzati nelle zone di diffusione (D regions):

- Sono sede di concentrazioni di sforzi

- Non vale la teoria della trave di Bernoulli (non sono verificate le ipotesi alla base della teoria di De Saint Venant)

- Le indicazioni progettuali sono basate su basate su teorie e modellazioni semplificate supportate da analisi sperimentali o numeriche

Lo studio accurato delle unioni è fondamentale perché i collegamenti possono costituire il punto debole della struttura

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CRITERI DI CLASSIFICAZIONE DELLE UNIONI (1)

Sistema di collegamento

Tipo di sollecitazione che trasmettono

(o vincolo che schematizzano)

Deformabilità

Statica

• bullonate• saldate• chiodate

• Taglio (T)• Sforzo normale (N)• Sforzo normale e taglio (N+T)• Sforzo normale, taglio, momento (N+T+M)

• flessibili• semirigide• rigide

• articolazioni• unioni a parziale ripristino• unioni a completo ripristino

cerniera

incastro, vincolo continuità

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CRITERI DI CLASSIFICAZIONE DELLE UNIONI (2)

Tipologia di componenti che vengono collegati

1. trave principale – trave secondaria (giunto di estremità)2. trave – trave continua3. trave – colonna4. colonna - colonna5. colonna – fondazione 6. elementi di controventamento7. …1

2

3

6

4

5

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QUADRO RIASSUNTIVO DELLE TIPOLOGIE DI COLLEGAMENTI

COMPONENTI VINCOLO SOLLECITAZIONE TIPO UNIONE

1) Trave principale - trave secondaria

cerniera T bullonata

2) Trave - trave continua continuitàT

T + M

bullonatabullonata con coprigiunto

3) 4) 5) Trave - colonna (a 2, 3, 4 vie)

RITTI: cerniera T bullonataTELAIO:

nodo rigidoT + M

bullonata + saldata (giunto flangiato)

6) Controvento cerniera N +( N*e) bullonata

7) Colonna - colonna biella N bullonata

8) Colonna - plinto di fondazionecerniera N Bullonata

incastro N + MBullonata + irrigidimenti

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TIPOLOGIE DI COLLEGAMENTI (ritti pendolari)

Gen

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TIPOLOGIE DI COLLEGAMENTI (controventi)

Gen

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TIPOLOGIE DI COLLEGAMENTI (telaio a nodi rigidi)

Gen

eral

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Unioni bullonate

Unioni saldate

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GENERALITA’

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VANTAGGI

• Facilità e velocità di montaggio e smontaggio – per questo motivo nel tempo la bullonatura ha rimpiazzato la chiodatura

• Flessibilità della struttura nel caso debba essere modificata per rispondere a nuove esigenze distributive

• Riutilizzo delle parti strutturali

SVANTAGGI

• Gli elementi strutturali sono indeboliti dalla presenza dei fori (è necessario effettuare opportune verifiche)

• La presenza dei fori comporta una distribuzione delle tensioni caratterizzatada punte locali

smax

smin

sm

Ø

s

Ø

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MORFOLOGIA DEI BULLONI

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Bullone Rondella Dado

filettatura

Vite con testa esagonale Rondella Dado

Area dei bulloni (CNR 10011 prosp. 4 IV)

d [mm]Anom , area nominale

[mm 2]Ares, area resistente

[mm 2]

12 113 84

14 154 115

16 201 157

18 254 192

20 314 245

22 380 303

24 452 353

27 572 459

30 707 561

Area nominale

Area resistente

Diametro del foro = d bullone + 1 mm (fino d= 20 mm)

Diametro del foro = d bullone + 1,5 mm (fino d > 20 mm)

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CLASSI DEI BULLONI

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CLASSE VITE

fyb

N/mm 2

snervamento

ftbN/mm 2

rottura

fdNN/mm 2

fdN = 0,9ftb/ γM2

fdVN/mm 2

fdV = 0,6ftb/ γM2

N

4.6 240 400 288 192

5.6 300 500 360 240

6.8 480 600 432 288

AR

8.8 649 800 576fdV = 0,6ftb/ γM2

320

fdV = 0,5ftb/ γM2

384

10.9 900 1000 720 400 480

10*9= 90 Kg/mm2 = 900 N/mm2 Aresistente Anominale

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INTERASSE E DISTANZE TRA I FORI

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(NTC 2008, § 4.2.8.1.1)

t = spessore minimo tra quelli degli elementi collegati

d = diametro bulloned0 = diametro foro

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INTERASSE E DISTANZE TRA I FORI

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(NTC 2008, § 4.2.8.1.1)

t = spessore minimo tra quelli degli elementi collegati

d = diametro bulloned0 = diametro foro

E’ necessario rispettare i limiti della normativa per rimanere nel campo di validità dei controlli sperimentali

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STATI DI SOLLECITAZIONE

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Si distinguono le unioni in:

• unioni in cui il bullone è sollecitato a taglio

• unioni in cui il bullone è sollecitato a trazione

• unioni in cui il bullone è sollecitato a trazione e taglio

Per il calcolo dello stato di sollecitazione non si possono usare le formule della teoria della trave. La sezione di calcolo coincide con la sezione di applicazione delle forze e non è applicabile il principio di De Saint Venant

IPOTESI utilizzate per lo studio delle unioni:

• lamiera “inifinitamente” rigida – si trascura la sua deformazione

• si trascura l’inflessione dei bulloni

• si trascurano le concentrazioni di tensioni in corrispondenza dei bordi dei fori

• pressioni uniformemente distribuite sui fori e sul gambo dei bulloni

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UNIONI A TAGLIO

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F

F/2

F/2

Forza che agisce nel piano di contatto tra gli elementi

Si considera un collegamentoelementare

FF

F/2

F/2

F/2

F/2

F/2

F/2

F

F/2

F/2

F

Il bullone è soggetto a notevoli sforzi taglianti

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UNIONI A TAGLIO: MODALITÁ DI COLLASSO

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1) Rottura per strappo della lamiera

2) Rottura per recisione del gambo del bullone

3) Rifollamento della lamiera

4) Rottura per trazione della lamiera

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UNIONI A TAGLIO: MODALITA’ DI COLLASSO (1/4)

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1) Rottura per strappo della lamiera

FF FF

D

D'

EE'

smF

⋅⋅⋅=2

11τ

s = spessorem = proiezione orizzontale del segmento DD’

Lo sforzo di taglio si divide su due sezioni di A = ms

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2) Rottura per recisione del gambo del bullone


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F/2

F/2

FF/2

F/2

F/2

F/2F

F/2

F/2

Il gambo lavora su due facceSulla sezione di A = π d2 /4 agisce la forza F/2

224

2 d

F

⋅⋅=π

τ

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3) Rifollamento della lamiera

F F

F

a b c

F

Campo elastico

Campo plastico

Valore medio

s = spessored = diametro del bullone

sd

F

⋅=1σ

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4) Rottura per trazione della lamiera

FF F F

F/2

F/2

F/2

F/2A

A'

smax

smin

sm

Ø

s

Ø

( ) sda

F

⋅−=2σ

a = altezza della lamierad = diametro del bullones = spessore

Andamento delle tensioni intorno al foro Valore convenzionale medio della tensione

Conoscendo le tensioni di collasso dei vari meccanismi è possibile risalire ai vari carichi di collasso. Il più piccolo dei 4 rappresenta l’effettivo carico ultimo del collegamento

a

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UNIONI A TAGLIO: VERIFICHE

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Una volta calcolate le tensioni agenti è necessario valutare la sicurezza nei confronti dei vari meccanismi di collasso. 4 meccanismi 4 verifiche (NTC 2008, § 4.2.8.1.1)

1) Verifica a strappo della lamieraLa verifica a strappo è soddisfatta se il predimensionamento di distanze e interassi è stato effettuato seguendo le indicazioni della normativa

2) Verifica a recisione del gambo del bulloneCon l’ipotesi che la tensione tangenziale si distribuisca uniformemente:

VRdb

fA

R ≤=τ2

6,0

M

tbVRd

ff

γ=

2

5,0

M

tbVRd

ff

γ=

R = risultante sul singolo bulloneAb = area della sezione interessata

(Ab = A se il bullone lavora su una facciaAb = 2A se il bullone lavora su due facce)

Bulloni 6.8 e 10.9 con filettatura a contatto

Ab = 2A Ab = A

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UNIONI A TAGLIO: VERIFICHE

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3) Verifica a rifollamento

4) Verifica di resistenza della lamiera

2M

tkrif

fk

ds

R

γασ ⋅⋅

≤⋅

=

R = risultante sul singolo bulloned = diametro del bullones = spessoreftk = resistenza a rottura del materiale della piastraγM2 = 1,25

ydf≤σ

ridA

N=σridW

M=σ

ridA

V=τ 22 3τσσσ +== id

⋅

=02

;9,0

minM

yk

M

tkyd

fff

γγo

Se è presente anche sforzo tangenziale

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UNIONI A TRAZIONE

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Forza che agisce in direzione perpendicolare al piano di contatto tra gli elementi

Si considera un collegamentoelementare

FN

FN

2

9,0

M

tb

resN

f

A

N

γγσ ⋅

≤⋅=γN = 1,25 per tenere conto dell’effetto leva

e di eventuali flessioni parassiteAres = A resistente del bulloneftb = resistenza a rottura del bulloneγM2 = 1,25

effetto leva

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UNIONI A TAGLIO E TRAZIONE

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14,1

≤⋅

+tRd

tEd

vRd

vEd

F

F

F

F

2

6,0

M

restbvRd

AfF

γ⋅=

2

9,0

M

restbtRd

AfF

γ⋅⋅

Nel caso di presenza combinata di taglio e trazione si può adottare la formula di interazione lineare:

FtEd sollecitazione di trazione di progetto

FvEd sollecitazione di taglio di progetto

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EFFETTI DELLE CARATTERISTICHE DI SOLLECITAZIONE

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Le unioni reali sono costituite da più bulloni.E’ necessario utilizzare metodi di calcolo che permettono di ripartire gli effetti delle azioni esterne tra gli n bulloni

Ipotesi semplificative• lamiera “infinitamente” rigida• bulloni perfettamente elastici

•T e N si ripartiscono in modo uguale tra i bulloni• lo spostamento di ogni bullone è costante e proporzionale alla distanza dal baricentro

T

M T

T

Se lo sforzo di taglio non è applicato sull’asse baricentrico nasce un momento torcente

Ne

Se lo sforzo normale non passa per il baricentro della bullonatura bisogna considerare anche gli effetti di un momento flettente

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EFFETTI DELLE CARATTERISTICHE DI SOLLECITAZIONE: TAGLIO

(E TORSIONE)U

nion

i bul

lona

te

V

VT.1

VT.6

V T.2

VT.5

VT.3

V T.4+ =

V

VV

V V

V1

V6

V 2

V5

V3V 4

T

T

M T M T

T

M T

Si trasporta la forza al baricentro della bullonatura

Si genera un momento torcente MT

Lo sforzo di taglio si ripartisce tra gli n bulloni

nn

TV

s

=

ns = numero sezioni resistenti

ii

TT y

yn

MV ⋅

⋅=

∑ 2

Anche MT si ripartisce tra i bulloni

yi = distanza dal baricentro della bullonatura

Su ogni bullone agisce la risultante di V e VT

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EFFETTI DELLE CARATTERISTICHE DI SOLLECITAZIONE: TRAZIONE

(E FLESSIONE)U

nion

i bul

lona

te

N

e

ymax

yi

NM

n

NFN =

Lo sforzo normale si ripartisce tra i bulloni

i

i

i yy

MF ⋅=

∑ 2

M è proporzionale alla distanza dei bulloni dall’asse neutro

n

Ny

y

MF

i

+⋅⋅

=∑

max2max 2Lo sforzo totale massimo nel bullone più sollecitato sarà:

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Unioni bullonate

Unioni saldate

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TECNOLOGIA DELLE UNIONI PER SALDATURA

UNI 1307Per saldatura si intende il processo mediante il quale si effettua l’unione deipezzi metallici sotto l’azione del calore, con o senza l’apporto di un materialemetallico, in modo da realizzare nei tratti di collegamento la continuità fra i pezzistessi.

VANTAGGI

SVANTAGGI

• collegamenti più rigidi

• si evita l’indebolimento dovuto ai fori dei bulloni

• le saldature occupano meno spazio. I giunti sono più snelli

• gli elementi da unire non devono subire un trattamento iniziale (per lebullonature bisogna realizzare i fori

• La buona riuscita dipende principalmente dall’operaio (si cerca infatti di farleil più possibile da manodopera specializzata in officina dove c’è piùcontrollo)

• Maggiori oneri di lavorazione che portano a costi maggiori

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PROCEDURE DI SALDATURA

Saldature a pressione

• Sono utilizzate per realizzare le strutture composte acciaio – cls

• I connettori sono saldati alla trave e la collegano alla soletta in cls

• Non si usa materiale d’apporto

Saldature a fusione

• Si crea continuità tra gli elementi

• Il materiale proviene da un corpo esterno. E’ necessario farlo sciogliere e una volta sciolto proteggere il bagno di fusione per evitare un raffreddamento troppo rapido

• Esistono oltre 40 tipi di diversi di procedure

elettrodo

rivestimento

arco guidato

metallo di basemetallo fusozona di trazione

cordone

scoria

gas

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PROCEDURE DI SALDATURA (1/2)

Saldatura manuale ad arco con elettrodi rivestiti

elettrodo

cordone di saldatura

pezzi da saldare(materiale base)

generatore

manico isolante

pinza porta elettrodo

E’ la più usata perché è la più semplice (si può fare anche in opera) ed è molto versatile.

Il generatore trasmette corrente che crea un arco elettrico tra l’elettrodo e il materiale base a causa della d.d.p.

Si crea una sorgente di calore localizzata che fa fondere entrambi e dal raffreddamento si ottiene il cordone di saldatura.

L’elettrodo è una bacchetta di materiale siliceo-vetroso (è più leggero dell’ acciaio fuso quindi galleggia sul materiale base e forma una pellicola protettiva contro l’idrogeno dell’atmosfera che fragilizza l’acciaio)

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PROCEDURE DI SALDATURA (2/2)

Saldatura automatica ad arco sommerso

Di suo industriale. E’ caratterizzata da bagli di fusione di elevate dimensioni

La sorgente termica è costituita da un filo avvolto in matassa che un opportuno dispositivo meccanico provvede a far avanzare man mano che si fonde

La parte da saldare è ricoperta da sabbia che protegge l’acciaio fuso (“sommerso” perché coperto dalla sabbia)

Saldatura automatiche o semiautomatiche sotto gas d i protezione

Saldature a filo continuo in cui la protezione del bagno di fusione è affidata a un gas inerte o a un gas chimicamente attivo.

Hanno un costo elevato e sono utilizzate per saldare acciai particolari

Saldature con elettrodo infusibile

L’arco elettrico scocca tra un elemento di tugsteno e il materiale base.

L’elettrodo di tugsteno serve solo per far scoccare l’arco. Il materiale di apporto proviene da una bacchetta dello stesso materiale da saldare.

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POSSIBILI DIFETTI

• Mancanza di penetrazione : il cordone non collega l’intera sezione da saldare (errore dell’operatore o lembi preparati male)

• Inclusioni solide : scorie nel bagno di fusione

• Soffiature : cavità formate dai gas che si liberano durante la saldatura

• Cricche a freddo : microfessure nel materiale base ai margini del cordone di saldatura. Dovute in genere a raffreddamento troppo rapido

• Cricche a caldo : fessure nella zona fusa causate da un elevato tenore di impurezze nel bagno di fusione. E’ il difetto peggiore.

• Deformazione

cricche a freddo

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Esistono due classi (NTC 2008 - § 4.2.8.2, CNR 10011/97 - § 2.5.3)

1) Giunti a completa penetrazione

• Viene ripristinata la continuità tra i pezzi uniti

• Diventano monolitici (e vanno verificati come tali)

La resistenza di calcolo dei collegamenti si assume uguale alla resistenza di progetto del più debole tra gli elementi connessi

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CLASSIFICAZIONE

testa a testa a T a croce

2) Giunti a cordone d’angolo

• Gli elementi da unire non vengono preventivamente modellati

• Sono solo accostati. Si hanno discontinuità nel flusso delle tensioni

discontinuità

discontinuità

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GIUNTI A CORDONE D’ANGOLO: CALCOLO E VERIFICHE

Il problema di verificare la resistenza di un cordone d’angolo è stato oggetto di numerosi studi.Tutti i metodi proposti si basano su una ipotesi semplificativa: le tensioni si vengono considerate uniformemente distribuite sulla sezione di gola (a*L)

Reale distribuzione degli sforzi.Mano a mano che il materiale si plasticizza si ha una ridistribuzione degli sforzi e le disuniformità si attenuano

Altezza di gola a

Sezione di gola nella reale posizione Sezione di gola ribaltata

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• Van den Eb traccia un dominio a peroide a partire da risultati sperimentali

Si cerca un dominio con una forma traducibile in equazione

• ellissoide ISO

• sfera inglese (BS, 1966): raggio pari a 0,58·fu;

• sfera americana (AISC, 1969): raggio pari a 0,61·fu;

• sfera tedesca (DIN, 1968): raggio pari a 0,70·fu.

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VERIFICHE SULLA SEZIONE DI GOLA RIBALTATA: CENNI STORICI

( ) ( )1

70,058,0 2

2//

2

2

2

2

=⋅

+⋅

+ ⊥⊥

uuu fff

ττσ

Lo scopo era quello di tracciare il dominio spaziale delle resistenze

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VERIFICHE SULLA SEZIONE DI GOLA RIBALTATA (NTC E CNR)

7,02//

22ydftnt ⋅⋅≤++ ⊥⊥ β

ydfnt ⋅⋅⋅≤+ ⊥⊥ β258,0

In Italia: • si vuole mantenere l’interpretazione delle DIN ma

rendendola più cautelativa

• Si vuole evitare una formulazione analitica di tipo quadratico

SFERA MOZZA

Sfera tagliata da due coppie di piani passanti per 0,58fu su entrambi gli assi

Verifiche

stato tensionale limitazioni Fe 360 Fe 430/ 510

0,85 fyd 0,70 fyd

fyd 0,85 fyd

fyd 0,85 fyd

0,85 fyd 0,70 fyd

0,85 fyd 0,70 fyd

0,85 fyd 0,70 fyd

0,85 fyd 0,70 fyd

0,85 fyd 0,70 fyd

0,85 fyd 0,70 fyd

⊥

⊥ ⊥

a

n σ⊥

t τ

2//

22 ≤++ ⊥⊥ ττσ

⊥

⊥

σ

τ

⊥

⊥

σ ττ

⊥

ττ

⊥ τσ

τ⊥

σ⊥

τ

≤+ ⊥⊥ στ

≤⊥τ

≤⊥σ

2//

2 ≤+⊥ ττ

2//

2 ≤+⊥ τσ

≤//τ

≤+ ⊥⊥ στ

≤⊥σ

≤⊥τ

≤⊥σ

44/47

Uni

oni b

ullo

nate

Uni

oni s

alda

teG

ener

alità



Uni

oni s

alda

te

EFFETTI DELLE CARATTERISTICHE DI SOLLECITAZIONE: TRAZIONE

a

F

F/2

F/2

L

yd

ii

faL

F ⋅≤⋅

=∑

85,0//τ

∑ ⋅⋅=⋅ aLaL ii 4

ydfaL

F ⋅≤⋅⋅

=⊥ 85,02

σ

a

LF

F/2

F/2

Cordoni laterali Cordone frontale

45/47

Uni

oni b

ullo

nate

Uni

oni s

alda

teG

ener

alità



(o )

Uni

oni s

alda

te


Fa

h

L

F

a

h

b

L

nσt

τ⊥n

tσ

⊥

⊥⊥

⊥

⊥

⊥

L’area resistente è pari a A = 2·a·h

con modulo di resistenza6

22ha

W⋅⋅=

La massima tensione derivante dal momentoflettente è pari a:

2max

3

halF

W

M

⋅⋅⋅==⊥σ

ha

F

⋅⋅=

2//τ

ydf⋅≤+⊥ 85,02//

2max τσ

hab

LF

W

M

⋅⋅⋅==⊥σ

ab

F

⋅⋅=⊥ 2

τ

ydfba

F

hab

FL ≤⋅⋅

+⋅⋅

=+ ⊥⊥ 2τσ ydf⋅85,0

ydf⋅≤⊥ 85,0σ ydf⋅70,0

ydf⋅≤⊥ 85,0τ ydf⋅70,0

Cordoni frontali longitudinali Cordoni frontali trasversali

habW ⋅⋅=

(o )

(o )

46/47

Uni

oni b

ullo

nate

Uni

oni s

alda

teG

ener

alità



Uni

oni s

alda

te


F

-σ max

flessione

τ

taglio

A

B

ydA f⋅≤⊥ 85,0maxσ

ydBB f⋅≤+⊥ 85,02//

2 τσ (o 0,70 fyd)

Verifica nel punto A

Verifica nel punto B

47/47

Uni

oni b

ullo

nate

Uni

oni s

alda

teG

ener

alità



Uni

oni s

alda

te

EFFETTI DELLE CARATTERISTICHE DI SOLLECITAZIONE: TORSIONE

a

H

L

h

a

H

MT

( )ah

MH T

+=

La

H

⋅=//τ

a

V

z

h

V

MT

a

L

z

MV T=

aLz

M

aL

V T

⋅⋅=

⋅=//τ

ydf⋅≤ 85,0//τ (o 0,70 fyd)

Cordoni laterali Cordoni frontali

PROSSIMA ESERCITAZIONE

STRUTTURE IN ACCIAIO :

SISTEMI DI COLLEGAMENTO E UNIONI – PARTE 2

ESEMPI: GIUNTI DI ESTREMITÀ (TRAVE PRINCIPALE – SECONDARIA)GIUNTI TRAVE – COLONNA

UNIONE CONTINUA TRAVE – TRAVE

UNIONE COLONNA – COLONNA

UNIONE COLONNA FONDAZIONE

UNIONE TRA GLI ELEMENTI DI CONTROVENTAMENTO

Website: http://www.francobontempi.org

Prof. Franco Bontempi, Ing. Stefania Arangio

Sapienza Università di Roma

Corso di Tecnica delle Costruzioni – Ingegneria Civile

A.A. 2012 – 13

ESERCITAZIONE 11 (Marzo 2013)

Documents

Esercitazione Unioni Acciaio