X Lezione Acciaio

LE STRUTTURE IN ACCIAIO 2LE STRUTTURE IN ACCIAIO 2

L’acciaio è una lega ferro-carbonio. La quantità di carbonio condiziona la resistenza e laduttilità (la prima cresce e la seconda diminuisce all’aumentare del contenuto in carbonio). Ipiù comuni acciai per carpenteria metallica hanno un contenuto in carbonio molto basso (da0.17% a 0.22%) e sono quindi estremamente duttili. Una caratteristica importante è latenacità dell’acciaio, cioè la sua capacità di evitare rottura fragile alle basse temperature.Le normative (NTC 2008 o Eurocodice 3) impongono limiti alle caratteristiche meccaniche(tensione di rottura e di snervamento) ed all’allungamento a rottura dei diversi tipi diacciaio, nonché limiti alla resilienza (legati alla temperatura ed al grado di saldabilità),

i i l i à ( i d h il 2 3 2)necessari per garantire la tenacità (si veda anche il punto 2.3.2).Negli acciai sono contenute piccole quantità di manganese e silicio, che favoriscono lasaldabilità, e di altri elementi (fosforo, zolfo, ecc.) che sono da considerare impuritài it bili P l ld bilità d ll’ i i è i t t il d di di id i l’ iinevitabili. Per la saldabilità dell’acciaio è importante il grado di disossidazione: l’ossigenopresente nell’acciaio fuso si combina col carbonio formando monossido di carbonio CO chenel raffreddamento torna allo stato gassoso creando diffuse soffiature (l’acciaio viene dettoeffervescente); l’aggiunta di alluminio e silicio che si combinano con l’ossigeno formandoeffervescente); l aggiunta di alluminio e silicio, che si combinano con l ossigeno formandoossidi che vengono poi eliminati, riduce la formazione di monossido di carbonio (acciaicalmati o semicalmati). Precisi limiti alla composizione chimica dell’acciaio per strutturesaldate sono riportati nel punto 11 3 4 delle NTCsaldate sono riportati nel punto 11.3.4 delle NTC.Per la realizzazione di strutture metalliche e di strutture composte si dovranno utilizzare acciai conformi alle norme armonizzate della serie UNI EN 10025 (per i laminati), UNI EN 10210 (per i tubi senza saldatura) e UNI EN 10219-1 (per i tubi saldati).10210 (per i tubi senza saldatura) e UNI EN 10219 1 (per i tubi saldati).

La vecchia normativa italiana sulle costruzioni di acciaio, pur non precludendo lapossibilità di impiego di altri acciai, si riferisce a tre tipi di acciaio che definisconosostanzialmente tre classi di resistenza: l'acciaio Fe 360 con tensione di rottura a trazioneσt 360 MPa, l'acciaio Fe 430 con σt 430 MPa e l'acciaio Fe 510 con σt 510 MPa.

Simbolo adottato

Simbolo UNI Caratteristica o parametro Fe 360(1)

Fe 430(1)

Fe 510(1)

ft Rm Tensione (carico unitario) di rottura a trazione [N/mm2]

(2)

340 470

(3)

410 560

(4)

490 63070 560 630

Fy Re Tensione (carico unitario) di snervamento [N/mm2]

(5)

235(6)

275(7)

355

KV KV Resilienza KV [J](8)

B +20°C 27 27 27

C 0°C 27 27 27

D -20°C 27 27 27

DD -20°C --- --- 40

t Ai

Allungamento % a rottura 24(9)

20(9)

20(9)min

- per lamiere- per barre, laminati mercantili, profilati, larghi piatti

(9)

26(10)

(9)

22(10)

(9)

22(10)

)A65,5(L 00

(1)Rientrano in questi tipi di acciai, oltre agli acciai S235, S275 ed S355 nelle qualità JR, J0, J2 e K2 della UNI EN 10025

Eurocodice 3 e NTC del 2008: valori nominali della tensione di snervamento fy e tensione di rottura fu per acciaio strutturale laminato a caldo.

Eurocodice 3 e NTC del 2008: valori nominali della tensione di snervamento fy e tensione di rottura fu per acciaio strutturale laminato a caldo con sezione cava.

Norme tecniche DM 14/01/2008

11.3.4 ACCIAI PER STRUTTURE METALLICHE E PER STRUTTURE COMPOSTE

Metodo di verifica alle Tensioni AmmissibiliAzioni di calcoloAzioni di calcolo

Le azioni agenti sulla costruzione sono raggruppate in due sole condizioni di carico.

La condizione di carico I cumula nel modo più sfavorevole le azioni permanenti e variabili(compresi eventuali effetti dinamici) ad eccezione degli effetti del vento, del sisma e degli staticoattivi sfavorevoli (temperatura, cedimenti dei vincoli ecc.).

Si devono includere nella condizione di carico I gli effetti statici e dinamici del vento (o del sisma)qualora le tensioni da essi provocate siano maggiori di quelle generate dagli altri carichi permanentio variabili.

La condizione di carico II cumula nel modo più sfavorevole le azioni permanenti e variabili (ventoo sisma inclusi).

Resistenza di calcolo

Si fa riferimento ai valori ammissibili σ e τ della resistenzaSi fa riferimento ai valori ammissibili σadm e τadm della resistenza.

Tali valori sono specificati nei punti successivi relativamente alla condizione di carico I.

Le tensioni ammissibili per la condizione di carico II sono da assumersi pari a:

1,125 σadm e 1,125 τadm .

Sono obbligatorie le verifiche per ambedue le condizioni di carico I e II.

Materiale adm [N/mm2]t 40

adm [N/mm2]40 t 100

adm [N/mm2]100 t 250

F 360 160 140 115Fe 360Fe 430Fe 510

160190240

140170210

115135180

t = spessore (mm)

Per gli stati piani, i soli per i quali si possono dare valide indicazioni, si deve verificare che risulti

σ <σid < σadm ,essendo nel riferimento generico:

in particolare per y = 0 (per esempio nelle travi):

e nel caso di tensione tangenziale pura: .

Metodo di verifica semiprobabilistico agli Stati LimiteIn funzione della severità del danno che si manifesta gli stati limite sono divisi in:In funzione della severità del danno che si manifesta, gli stati limite sono divisi in:-- stati limite ultimi (SLU) corrispondenti al raggiungimento della capacità portante o avalori limite di spostamento e deformazione;

• stato limite di equilibrio al fine di controllare l’equilibrio globale della struttura estato limite di equilibrio, al fine di controllare l equilibrio globale della struttura e delle sue parti durante tutta la vita nominale comprese le fasi di costruzione e di riparazione;• stato limite di collasso, corrispondente al raggiungimento della tensione distato limite di collasso, corrispondente al raggiungimento della tensione di snervamento oppure delle deformazioni ultime del materiale e quindi della crisi o eccessiva deformazione di una sezione, di una membratura o di un collegamento (escludendo fenomeni di fatica), o alla formazione di un meccanismo di collasso, o ( ), ,all’instaurarsi di fenomeni di instabilità dell’equilibrio negli elementi componenti o nella struttura nel suo insieme, considerando anche fenomeni locali d’instabilità dei quali si possa tener conto eventualmente con riduzione delle aree delle sezioni resistenti.• stato limite di fatica, controllando le variazioni tensionali indotte dai carichi ripetuti in relazione alle caratteristiche dei dettagli strutturali interessati.

Per strutture o situazioni particolari, può essere necessario considerare altri stati limite ultimi.

Metodo di verifica semiprobabilistico agli Stati LimiteIn funzione della severità del danno che si manifesta gli stati limite sono divisi in:In funzione della severità del danno che si manifesta, gli stati limite sono divisi in:-- stati limite di servizio (o esercizio) (SLS) legati alle esigenze di funzionalità e didurata.

• stati limite di deformazione e/o spostamento al fine di evitare deformazioni estati limite di deformazione e/o spostamento, al fine di evitare deformazioni e spostamenti che possano compromettere l’uso efficiente della costruzione e dei suoi contenuti, nonché il suo aspetto estetico;• stato limite di vibrazione, al fine di assicurare che le sensazioni percepite daglistato limite di vibrazione, al fine di assicurare che le sensazioni percepite dagli utenti garantiscano accettabili livelli di confort ed il cui superamento potrebbe essere indice di scarsa robustezza e/o indicatore di possibili danni negli elementi secondari;• stato limite di plasticizzazioni locali, al fine di scongiurare deformazioni plastiche p , g pche generino deformazioni irreversibili ed inaccettabili;• stato limite di scorrimento dei collegamenti ad attrito con bulloni ad alta resistenza, nel caso che il collegamento sia stato dimensionato a collasso per taglio dei bulloni.

Metodo di verifica semiprobabilistico agli Stati LimiteIl materialeI valori della resistenza di calcolo in trazione o compressione fd sono calcolati come

fd = fyk /M

Per gli stati piani si deve verificare che risulti σid < fd

essendo nel riferimento generico:

in particolare per y = 0 (per esempio nelle travi), e nel caso di tensione tangenziale pura:

Metodo di verifica semiprobabilistico agli Stati LimiteIl materiale

Metodo di verifica semiprobabilistico agli Stati Limite

Classificazione delle sezioniLe sezioni trasversali degli elementi strutturali si classificano in funzione della loro capacitàrotazionale C Si distinguono le seguenti classi di sezioni:rotazionale Cθ. Si distinguono le seguenti classi di sezioni:

• classe 1 quando la sezione è in grado di sviluppare una cerniera plastica avente la capacità rotazionale richiesta per l’analisi strutturale condotta con il metodo plastico di cui al § 4.2.3.2 senza subire riduzioni della resistenza. Possono generalmente classificarsial § 4.2.3.2 senza subire riduzioni della resistenza. Possono generalmente classificarsi come tali le sezioni con capacità rotazionale Cθ ≥ 3• classe 2 quando la sezione è in grado di sviluppare il proprio momento resistente plastico, ma con capacità rotazionale limitata. Possono generalmente classificarsi come tali p , p gle sezioni con capacità rotazionale Cθ ≥ 1,5• classe 3 quando nella sezione le tensioni calcolate nelle fibre estreme compresse possono raggiungere la tensione di snervamento, ma l’instabilità locale impedisce lo sviluppo del momento resistente plastico;• classe 4 quando, per determinarne la resistenza flettente, tagliante o normale, è necessario tener conto degli effetti dell’instabilità locale in fase elastica nelle parti compresse che compongono la sezione. In tal caso nel calcolo della resistenza la sezione geometrica effettiva può sostituirsi con una sezione efficace.

Le azioni

I di d t t d l t d di ifi tili t l i i d l tIndipendentemente dal metodo di verifica utilizzato le azioni devono essere cumulatesecondo condizioni di carico tali da risultare più sfavorevoli ai fini delle singoleverifiche, tenendo conto della ridotta probabilità di intervento simultaneo di tutte leazioni variabiliazioni variabili.

Le combinazioni di carico vengono simbolicamente espresse

n

iikiqikqkPkgkgd QQPGGF

2012211 )(

Dove sono coefficienti amplificativi, il pedice k indica il termine caratteristico, Gindividua i carichi permanenti, Q i carichi variabili e P l’azione di pre-compressione. Iltermine oi rappresenta il coefficiente di combinazione allo stato limite ultimo.

Nella espressione di Fd ciascuna azione variabile Qik deve essere di volta in volta assuntacome azione base o dominante della combinazione (Q1k).

P li t ti li it lti i i ffi i ti i ti l iPer gli stati limite ultimi i coefficienti assumo i seguenti valori:g1=1.3 (1 se a favore di sicurezza); g2=1.5 (0 se a favore di sicurezza); P=0.9 (1.2 se afavore di sicurezza); q=1.5 (0 se a favore di sicurezza).

Le combinazioni di carico per gli stati limite di esercizio sono le seguenti

Combinazione raraCombinazione rara

Combinazione frequente

n

iikikkkd QQPGF

201

nCombinazione frequente

Combinazione quasi-permanente

n

iikikkkkd QQPGF

2211

Combinazione quasi permanente

n

iikikkd QPGF

12

Dove i valori dei termini sono riporati in tabella

VERIFICA E PROGETTO DI SEZIONI IN ACCIAIO

Elementi tesi

VERIFICA E PROGETTO DI SEZIONI IN ACCIAIO

Aste teseAste teseIn presenza di una azione assiale di trazione N, cioè applicato al baricentro della

sezione, tutti i punti della sezione avranno la stessa deformazione e tensione σs. Laverifica consiste nel calcolare la tensione e confrontarla la resistenza del materiale fverifica consiste nel calcolare la tensione e confrontarla la resistenza del materiale fd.

Se un’asta tesa è collegata alle altre aste mediante bulloni, occorre tener conto delfatto che i fori praticati per inserire i bulloni ne indeboliscono la sezione. L’area cheva considerata deve essere quindi quella della sezione netta. L'area netta è quellava considerata deve essere quindi quella della sezione netta. L area netta è quellaminima corrispondente o alla sezione retta o al profilo spezzato.

Nel caso dell’angolare singolo di figura, l'area effettiva può essere assunta pari a:g g g , p pAeff = Asez - Aforo

Esempio

Esempio

ELEMENTI INFLESSI

Il dimensionamento degli elementi inflessi deve essere eseguito con riferimento sia allaIl dimensionamento degli elementi inflessi deve essere eseguito con riferimento sia allacondizione di deformabilità sia a quella di resistenza, considerando anche l’effettodell’azione tagliante.

Gli elementi inflessi possono manifestare una particolare forma di instabilità denominatainstabilità laterale, detta anche instabilità flesso-torsionale o svergolamento. Essa èdovuta all’azione di compressione che agisce su una parte del profilo che può provocare

b d l l d ll iuno sbandamento laterale della sezione.

ELEMENTI INFLESSI: Verifica di deformabilitàIl massimo abbassamento v di un elemento inflesso può essere valutato come somma di duecontributi: quello dovuto alla deformabilità flessionale, vF, e quello dovuto alla deformabilitàa taglio, vT:

v = vF + vT

Il contributo della deformabilità a taglio può essere trascurato nel caso di elementisufficientemente snelli. Invece nel caso di travi tozze (con lunghezza inferiore a 10 voltel’altezza della trave) il termine vT è rilevante e deve essere considerato nelle verifiche dil altezza della trave) il termine vT è rilevante e deve essere considerato nelle verifiche dideformabilità.

La verifica di deformabilità viene condotta calcolando il massimo abbassamento, v, ef t d l i li iti i d ll ti di if i tconfrontandolo con i limiti ammessi dalla normativa di riferimento vLim.

ELEMENTI INFLESSI: Verifica di deformabilità

Valori limite degli spostamenti per elementi orizzontali secondo DM 14/1/2008

ELEMENTI INFLESSI: Verifica di deformabilità

Valori limite degli spostamenti per elementi orizzontali secondo DM 14/1/2008

ELEMENTI INFLESSI: Verifica di resistenza

La flessione è generalmente associata al taglio e pertanto nella fase di progetto e verificaLa flessione è generalmente associata al taglio e pertanto, nella fase di progetto e verificarisulta neccessario tenere conto delle rispettive componenti.

Resistenza a flessione

La resistenza a flessione risulta soddisfata se

max ≤ fd

Le tensioni normali hanno andamento lineare (a farfalla) lungo la sezione trasversaledell’elemento. I valori estremi sono le tensioni significative da considerare nelleverifiche:

supsup

M

yI

M

infinf

yI

M

dove M è il momento flettente sollecitante Idove M è il momento flettente sollecitante, Iè il momento d’inerzia della sezione rispettoall’asse x e è il coefficiente di adattamentoplastico (=1 è a favore della sicurezza)plastico ( 1 è a favore della sicurezza).


Resistenza a taglioResistenza a taglio

La resistenza a taglio risulta soddisfata se

≤ d = fd / 3max ≤ d fd / 3

Nel caso in cui il baricentro coincida con il centro di taglio, la distribuzioni delle tensionitangenziali sono date dalla trattazione approssimata di Jourawski:

tIySTy i

)( )(

d T è l’ i di t li ll it t S ( ) è il t t ti i tt ll’ tdove T è l’azione di taglio sollecitante, Si(y) è il momento statico rispetto all’asse neutrodell’area della parte di sezione delimitata dalla corda distante y dal baricentro, I è ilmomento d’inerzia della sezione rispetto all’asse neutro e t è lo spessore della sezionenella corda consideratanella corda considerata.

La massima tensione tangenziale si hanella fibra baricentrica (che coincidecon l’asse neutro della flessione).


Resistenza a flessione e a taglioResistenza a flessione e a taglio

Nel caso di profili comuni a doppio T (IPE o HE) nella generica sezione si hanno tensioninormali e tangenziali del tipo mostrato in figura.

Nel caso generale in cui la verifica deve essere effettuata tenendo conto dellacontemporanea presenza di tensioni normali e tangenziali, bisogna verificare in ogni fibra

1 o 322

22

ddd f

f

p p g , g gdella sezione che

ddf

Travi inflesse a parete piena

Stabilità laterale delle travi inflesse (sicurezza allo svergolamento)Stabilità laterale delle travi inflesse (sicurezza allo svergolamento).

Per la verifica di una trave inflessa deve risultare secondo il metodo dell’ala isolata:

M

df

xeq

fA

SI

M

essendo Meq /I Sx l’azione assiale nell’ala compressa ed Meq è il momento equivalente paria 1.3 il momento medio. Questa verifica è valida solo per profili a doppio T.

f


Stabilità laterale delle travi inflesse (sicurezza allo svergolamento secondo DM 14/01/2008)Stabilità laterale delle travi inflesse (sicurezza allo svergolamento secondo DM 14/01/2008).


Stabilità laterale delle travi inflesse (sicurezza allo svergolamento secondo DM 14/01/2008)Stabilità laterale delle travi inflesse (sicurezza allo svergolamento secondo DM 14/01/2008).

Elementi compressi: verifica di stabilità

Oltre alle verifiche di resistenza previste nei paragrafi precedenti, che in nessun casopossono essere omesse, devono essere eseguite le verifiche necessarie ad accertare lasicurezza della costruzione, o delle singole membrature, nei confronti di possibilifenomeni di instabilità.Le verifiche verranno condotte tenendo conto degli eventuali effetti dinamici, ma senzaconsiderare le riduzioni delle resistenze dovute ai fenomeni di fatica. La determinazioned ll i i i i d d ll li i li f i didelle tensioni in corrispondenza delle quali possono insorgere eventuali fenomeni diinstabilità è condotta adottando i metodi di calcolo indicati dalle CNR 10011/97“Costruzioni di acciaio. Istruzioni per il calcolo, l'esecuzione, il collaudo e la

t i ”manutenzione”.In presenza di una azione normale N di compressione, la resistenza di un’asta èfortemente condizionata dal problema dell’instabilità. Come è noto, per un’asta rettilineacompressa quando l’azione assiale N raggiunge un valore detto carico critico Eulerianocompressa quando l azione assiale N raggiunge un valore, detto carico critico Euleriano,Ncr, sono possibili anche configurazioni con deformazioni flessionali. Il valore del caricocritico risulta

N = ²(EI)/ ²Ncr (EI)/ 0 ,

dove I è il momento d’inerzia della sezione trasversale dell’asta, l0 la lunghezza liberad’inflessione.d inflessione.

Si definisce lunghezza d'inflessione la lunghezza lo= • l da sostituire nel calcolo allalunghezza l dell'asta quale risulta nello schema strutturale. Il coefficiente deve esserevalutato tenendo conto delle effettive condizioni di vincolo dell'asta nel piano di flessionevalutato tenendo conto delle effettive condizioni di vincolo, dell asta nel piano di flessioneconsiderato.Nelle condizioni di vincolo elementari, per la flessione nel piano considerato, si assumono ivalori seguenti:valori seguenti: = 1,0 se i vincoli dell'asta possono assimilarsi a cerniere; = 0,5 se i vincoli possono assimilarsi ad incastri; = 0,7 se un vincolo è assimilabile all'incastro ed uno alla cerniera;= 2,0 se l'asta è vincolata ad un solo estremo con incastro perfetto; in tal caso l è ladistanza tra la sezione incastrata e quella di applicazione del carico.distanza tra la sezione incastrata e quella di applicazione del carico.

Dividendo per l’area della sezione trasversale il carico critico si ottiene la tensione critica:

= N /A = 2E I/(l 2 A) = 2E/ 2c = Nc/A = 2E I/(lo2 A) = 2E/ 2.

Il rapporto λ = lo/i è la snellezza di un'asta prismatica in un suo piano principale di inerziacon i = √ I/A raggio d'inerzia della sezione trasversale giacente nello stesso pianocon i = √ I/A raggio d inerzia della sezione trasversale, giacente nello stesso pianoprincipale in cui si valuta lo.

Tenendo conto di sezioni non simmetriche e lunghezze di libera inflessione diverse, laTenendo conto di sezioni non simmetriche e lunghezze di libera inflessione diverse, latensione critica cr è

2

2

2

2

,mincrEE

22

yxcr

in cui le snellezze sono calcolate come

y

yy

x

xx i

li

l ,0,0 yx

La snellezza non deve superare il valore 200 per le membrature principali e 250 per quellesecondarie; in presenza di azioni dinamiche rilevanti i suddetti valori vengono limitatirispettivamente a 150 e a 200.

In un grafico che abbia in ascisse la snellezza e in ordinate la tensione critica cr, larelazione sopra scritta è rappresentata da una iperbole (curva 1)relazione sopra scritta è rappresentata da una iperbole (curva 1).

L’asta reale

La curva di stabilità euleriana si riferisce ad un asta ideale con materiale elastico e priva di imperfezioni. Nella realtà le imperfezioni influenzano la stabilità riducendo gli sforzi critici. La normativa italiana prevede l’utilizzo di 4 curve di stabilità:

La curva a si riferisce ai tubi quadrati, rettangolari e tondi.

La curva b si riferisce alle aste semplici costituite da:p1) sezioni a doppio T laminate, in cui il rapporto fra l'altezza h del profilato e la larghezza b delle ali sia tale che h/b > 1,2 (per esempio HE con h > 360 mm ed IPE), 2) sezioni a doppio T laminate in cui le ali siano rinforzate da piani ad esse saldati;3) sezioni chiuse a cassone composte mediante saldatura.

La curva c si riferisce alle aste semplici costituite da tipi di laminati diversi da quelli elencati di sopra o da sezioni aperte composte mediante saldatura e a tutte le aste composteelencati di sopra o da sezioni aperte composte mediante saldatura e a tutte le aste composte da più profilati.

La curva d si riferisce ad aste semplici o composte aventi spessore t > 40 mm.p p pNel caso in cui vengano disposti dei piatti saldati a rinforzo delle ali di un profilato a doppio T laminato, deve essere assunto come spessore t il maggiore fra i valori dello spessore dell'ala e quello del piatto di rinforzo.

Verifica.La verifica di sicurezza di un'asta si effettuerà nell'ipotesi che la sezione trasversale siauniformemente compressa. Deve essere:

cr ,dove:cr = Ncr/A è la tensione critica corrispondente alla forza Ncr, che provoca il collassoelastoplastico per inflessione dell'asta nel piano che si considera; = N/A è la tensione assiale di compressione nella sezione della membratura

i d l i i l N di l lcorrispondente al carico assiale N di calcolo.

Coefficiente di maggiorazione della forza assiale.L ifi di i di ' t ò ff tt i ll i t i h l iLa verifica di sicurezza di un'asta compressa può effettuarsi nella ipotesi che la sezionetrasversale sia compressa da una forza N maggiorata del coefficiente ω= fd /cr.Deve cioè essere:

N / A f N / A fd .

I coefficienti ω, dipendenti dal tipo di sezione oltreché dal tipo di acciaio dell'asta, sidesumono da appositi diagrammi o tabellazioni; si possono adottare a tale riguardo ledesumono da appositi diagrammi o tabellazioni; si possono adottare a tale riguardo leindicazioni della CNR 10011/97 "Costruzioni di acciaio. Istruzioni per il calcolo,l'esecuzione, il collaudo e la manutenzione", che fornisce i valori di in tabelle infunzione della snellezza, del tipo di acciaio e della curva di stabilità (a, b, c, d).funzione della snellezza, del tipo di acciaio e della curva di stabilità (a, b, c, d).

Coefficienti ω – Fe 360Curva a. Curva b.

Coefficienti ω – Fe 360Curva c. Curva d.

Curve di stabilità adimensionalizzate

dp f

E df

Verifica di stabilità per NTC

Verifica di stabilità per NTC

UNIONI

L'assemblaggio di elementi metallici viene usualmente effettuatomediante unioni chiodate, unioni con bulloni normali o ad altaresistenza, unioni saldate. Con queste tecniche si realizzano siale membrature strutturali vere e proprie (per es. le travi e lecolonne composte), sia i collegamenti fra la membrature stesse.

Il collegamento è definitivo se eseguito mediante chiodatura osaldatura, rimovibile se utilizza bulloni normali o ad attrito. Leunioni possono effettuarsi in officina (preferibilmente sehi d ld ) i ( f ibil b ll )chiodate o saldate) o in opera (preferibilmente se bullonate).

Le unioni chiodate sono state ormai quasi del tuttoabbandonate per essere sostituite dalle unioni saldate. I bulloni,

ti i i i ll t tt t bili ll tusati in origine nelle strutture smontabili o come collegamentoprovvisorio, si stanno affermando sempre più anche incostruzioni stabili. La recente introduzione in Europa delleunioni ad attrito con bulloni ad alta resistenza fa preferireunioni ad attrito con bulloni ad alta resistenza fa preferirequesto tipo di collegamento a quello con bulloni normali,soprattutto per giunti particolarmente sollecitati.

Un collegamento può essere classificato:

- in base alla rigidezza: Collegamento cerniera;Collegamento rigido;Collegamento semirigido.

- in base alla resistenza:Collegamento di ripristino parziale;Collegamento di ripristino completo;in base alla resistenza:

In base alla rigidezza:

Co ega e to d p st o co p eto;Collegamento a cerniera.

g- È considerato collegamento a cerniera quello che trasmette le forze di progetto permettendo la

rotazione relativa delle parti unite senza far insorgere momenti secondari.

È id t ll t i id ll h t tt l ll it i i di tt h l- È considerato collegamento rigido quello che trasmette le sollecitazioni di progetto senza che la sua deformazione faccia insorgere effetti secondari che possano ridurre la resistenza dell’unione più del 5%.

È id ll i i id ll h ddi f i i i i d ll i- È considerato collegamento semi rigido quello che non soddisfa i requisiti delle categorie precedenti. È in grado di trasmettere le caratteristiche di sollecitazione di progetto ed assicurare contemporaneamente un grado di interazione fra le parti collegate, che può essere previsto sulla base della relazione momento-curvatura.base della relazione momento curvatura.

In base alla resistenza:

- È considerato collegamento a cerniera quello che è in grado di trasmettere le forze diprogetto senza far insorgere momenti secondari; la capacità di rotazione deve esseresufficiente da permettere lo sviluppo delle cerniere plastiche necessarie.

- È considerato collegamento a completo ripristino di resistenza quello che è in grado dil i i h di ll i i l i d l i li l itrasmettere le caratteristiche di sollecitazione ultime del meno resistente tra gli elementi

collegati. Non è necessario verificare la capacità di rotazione dell’unione se la resistenzadi progetto è 1.2 volte quella plastica dell’elemento meno resistente.

- È considerato collegamento a parziale ripristino di resistenza quello che è in grado ditrasmettere le caratteristiche di sollecitazione di progetto ma non quelle ultimedell’elemento meno resistente La capacità di rotazione del collegamento deve esseredell elemento meno resistente. La capacità di rotazione del collegamento deve esseredimostrata sperimentalmente e se sede di cerniera plastica deve essere tale da permetterelo sviluppo di tutte le cerniere plastiche necessarie.

NODI TRAVE-TRAVE

NODI TRAVE-PILASTRO

NODI DI ELEMENTI DI CONTROVENTO

NODI TRAVE-PILASTRO

icerniere

incastri

incastri

Unioni saldate

La possibilità di unire lamiere mediante saldatura è strettamente connessa allacapacità di produrre alta temperatura in modo localizzato.Le lamiere da saldare vengono di norma tagliate con il cannello a fiammaossiacetilenica (reazione esotermica a 3100 °C di acetilene C2H2 e ossigeno O2) chefondendo il metallo produce un taglio abbastanza netto e tale da non richiedereulteriori lavorazioni prima della saldatura.I di i di ld i diff i i f i d ll iI procedimenti di saldatura si differenziano in funzione della sorgente termicautilizzata e delle modalità di protezione del bagno fuso contro l’azione dell’aria. Iprocedimenti di saldatura possono essere raggruppati in tre classi:

li ld t i til i ld t d l tt di i titi- manuali: saldatura ossiacetilenica o saldatura ad arco con elettrodi rivestiti;- semiautomatici: saldatura a filo continuo sotto protezione di gas;- automatici: saldatura ad arco sommerso.

Procedimenti manualiSaldatura ossiacetilenica: la sorgente termica viene fornita da una reazioneSaldatura ossiacetilenica: la sorgente termica viene fornita da una reazione fortemente esotermica tra acetilene ed ossigeno C2H2+O2=2CO+H2 con produzione di gas riducenti e calore. Il materiale di apporto viene fornito dall’operatore sotto forma di bacchetta metallica. Questo procedimento è ora p Q pmolto meno utilizzato che in passato.Saldatura ad arco con elettrodi rivestiti: la sorgente termica viene fornita dall’arco elettrico fatto scoccare tra materiale base ed elettrodo. L’elettrodo ha anche funzione di materiale di apporto ed è costituito da una bacchetta cilindrica con rivestimento la cui fusione genera gas per la protezione della zona fusa. Gli elettrodi, in funzione del rivestimento, sono classificati in basici, acidi e cellulosici. Il materiale di apporto, di qualità controllata e migliore del materiale base, si mescola nella zona fusa secondo un rapporto di diluizione (area del cordonef d l i l b / l d llfuso del materiale base/area totale della zona fusa). All’aumentare del rapportodi diluizione aumenta la profondità fusad l t i l b i di il i hi didel materiale base e quindi il rischio di scorie (principalmente zolfo e fosforo).

DIFETTI DI SALDATURANella zona di materiale base attorno alla saldatura di possono avere:- cricche a freddo: si generano ai bordi della saldatura per effetto dei cicli termici adelevata velocità di raffreddamento che danno luogo a fenomeni simili a quella dellatempera. La prevenzione da questo fenomeno può ottenersi con un preriscaldamento delpezzo facendo più passate di saldatura ed utilizzando elettrodi con rivestimento basicopezzo, facendo più passate di saldatura ed utilizzando elettrodi con rivestimento basico.

- cricche a caldo: si generano durante la solidificazione della zona fusa e a seguito discorie provenienti dal materiale base; queste ultime tendono a segregare in zonescorie provenienti dal materiale base; queste ultime tendono a segregare in zonepreferenziali e a temperature più basse del materiale circostante dando luogo a tensioni daritiro e a non coesione del materiale.

- tensioni residue: quando i pezzi da saldare sono impediti di deformarsi nascono tensioniresidue di entità rilevanti.

d f i i i d i i d ld i l i i h- deformazioni permanenti: quando i pezzi da saldare non sono vincolati si hannospostamenti relativi importanti che possono essere corretti con frecce iniziali di segnoopposto, con bloccaggio dei pezzi da saldare o con studio delle sequenze di saldatura.

- difetti da esecuzione: sono dovuti a cavità contenenti scoria per sequenze impropriedelle passate di saldatura, a mancata penetrazione dei pezzi da saldare o ad incollatura tramateriale di apporto fuso e materiale base non ancora fuso.pp

CONTROLLI DELLE SALDATUREIl metodo più usato per eseguire controlli sull’idoneità della saldatura è l’esameIl metodo più usato per eseguire controlli sull idoneità della saldatura è l esameradiografico; i difetti interni appaiono come macchie più scure nella pellicola chevengono confrontate con quelle corrispondenti a difetti campione.Altri procedimenti sono l’esame ad ultrasuoni e l’esame con liquidi penetranti.Altri procedimenti sono l esame ad ultrasuoni e l esame con liquidi penetranti.

Le saldature si suddividono in due tipologie, nettamente differenti per comportamento everifiche da effettuare: saldature a completa penetrazione e saldature a cordonip pd’angolo.

saldature a completa penetrazione saldature a cordoni d’angolosaldature a completa penetrazione saldature a cordoni d angolo

Per i giunti a completa penetrazione è indispensabile la preparazione dei lembi dei pezzi da saldare.

Il giunto a completa penetrazione ripristina la continuità tra i pezzi. Lo stato tensionaleè quindi quasi uguale a quello del pezzo continuo. Poiché il materiale di apporto ha unaè quindi quasi uguale a quello del pezzo continuo. Poiché il materiale di apporto ha unaresistenza pari o superiore a quella del materiale base, la rottura teoricamente dovrebbeavvenire fuori dal giunto. Solo la presenza di imperfezioni può portare alla rottura nellasezione saldata. La verifica di una saldatura a completa penetrazione viene effettuatap pcon lo stesso criterio utilizzato per la verifica delle sezioni, cioè determinando latensione massima oppure, in presenza di sollecitazioni composte, la tensione ideale inbase al criterio di resistenza di Hencky-Von Mises

id √ //

- // 3 ____________________

avendo indicato con: la tensione di trazione o compressione normale alla sezione longitudinale dellasaldatura;

l i di i i ll l ll d ll ld// la tensione di trazione o compressione parallela all’asse della saldatura; la tensione tangenziale nella sezione longitudinale della saldatura.

Ai fini delle verifiche di collegamenti saldati a completa penetrazione, la normativa italiana fa riferimento a due classi di qualità della saldatura: I classe e II classe:- I classe: la saldatura è eseguita con elettrodi di qualità 3 o 4 secondo la norma UNII classe: la saldatura è eseguita con elettrodi di qualità 3 o 4 secondo la norma UNI 2132 e soddisfa i controlli radiografici previsti dal raggruppamento B della UNI 7278;- II classe: la saldatura è eseguita con elettrodi di qualità 2, 3 o 4 secondo la norma UNI 2132 e soddisfa i controlli radiografici previsti dal raggruppamento F della UNI 7278.g p gg ppIl valore limite imposto dalla norma italiana per la tensione è fd (o σadm) se la saldatura è di prima classe, 0.85 fd se la saldatura è di seconda classe (per tenere conto del minor controllo delle imperfezioni che si ha in questo caso).p q )

Giunti con cordoni d’angolo

La sezione resistente di una saldatura a cordoni d’angolo è la sua sezione di gola. Essa è definita come l’area di lunghezza L pari a quella del cordone ed altezza a quella minore del triangolo inscritto nella sezione trasversale della saldatura.

a: altezza di gola




UNIONI BULLONATE

UNIONI BULLONATE

I bulloni sono costituiti da:a) vite con testa esagonale e gambo filettato in tutta o in parte della sua lunghezza;b) dado di forma esagonale;c) rondella (o rosetta) sia del tipo elastico che rigido.Può essere presente anche:d) d d i h il d d i i id) controdado per garantire che il dado non si sviti neanche in presenza di vibrazioni.

Classe vite ft [N/mm2]

fy [N/mm2]

fk,N [N/mm2]

b,adm [N/mm2]

b,adm [N/mm2]

4,6 400 240 240 160 113 5,6 6,8 8,8 10,9

500600 800 1000

300480 640 900

300 360 560 700

200240 373 467

141170 264 330

f è i l i d i d l i f 0 7 f (f 0 6 f i i di l 6 8) f ffk,N = è assunto pari al minore dei due valori fk,N = 0,7 ft (fk,N = 0,6 ft per viti di classe 6,8) fk,N = fyessendo ft ed fy le tensioni di rottura e di snervamento secondo UNI EN 20898 b,adm = fk,N / = tensione ammissibile a trazione b,adm = fk,N/1,5 2 = tensione ammissibile a taglio

UNIONI BULLONATE

Un collegamento bullonato può giungere al collasso per:• Rottura del gambo del bullone per taglio;• Rifollamento della lamiera; • Strappo della lamiera verso il bordo;• Rottura per trazione della lamiera lungo la sezione indebolita dal foro.

Verifica a taglio sui bulloniPer la verifica dei bulloni soggetti ad una azione di taglio V deve essere verificato che

ll i i ll d ll i ll l d l b d h ilsulla sezione resistente, quella della vite o quella totale del gambo, a seconda che ilpiano di taglio interessi o non interessi la parte filettata, lo sforzo tangenziale risulti:

,dbfV

in cui nf indica il numero dei piani di contatto delle lamiere.Verifica a trazione sui bulloni

3 ,db

fb An

Verifica a trazione sui bulloniPer la verifica dei bulloni soggetti ad una azione di trazione N deve essere verificato che sulla sezione resistente, quella della vite, lo sforzo normale risulti:

Dove N è un coefficiente pari a 1.25 per tenere in conto eventuali affetti di leva e di e

dbN

b fA

N,

N p peventuali flessioni parassite.

Verifica a trazione della lamieraSi deve verificare che la trazione media sulla sezione più debole risulti

dfAT

nettaA

Ai fini del calcolo della b la sezione resistente è quella della vite; ai fini del calcolodella b la sezione resistente è quella della vite o quella totale del gambo a seconda cheil piano di taglio interessi o non interessi la parte filettata.

Nel caso di presenza contemporanea di sforzi normali e di taglio deve risultare:

+ 1 .2

,

db

b

f

2

,

db

b

Verifica al rifollamento della lamieraLa pressione convenzionale sul contorno del foro rif, riferita alla proiezione diametralerifdella superficie cilindrica del bullone, deve risultare:

drif fds

V

essendo = a/d e comunque da assumersi non superiore a 2.5, fd la resistenza delmateriale costituente gli elementi del giunto, a è la distanza dal centro di un chiodo al

i d li l i d ll d iù i i ll di i d ll f

f dsmin

margine degli elementi da collegare ad esso più vicino nella direzione dello sforzo, sminè lo spessore minimo degli elementi collegati, e d è il diametro del bullone.

I bulloni di ogni classe devono essere convenientemente serrati.g

Le caratteristiche geometriche che individuano il bullone sono lunghezza e diametro(nominale). La lunghezza deve essere tale da assicurare l’attraversamento degli elementida collegare, ma non deve essere eccessiva per evitare sprechi e necessità di tagliare ipezzi in eccesso.Molto importante è anche la lunghezza della parte filettata. Nel caso, molto frequente, dibulloni sollecitati a taglio è preferibile che la parte del gambo interna al collegamento nonsia filettata per offrire una maggiore area resistente al taglio; se si verifica tale condizioneè possibile considerare nei calcoli l’area nominale del gambo, altrimenti bisogna

id ’ id d (A 0 75 0 82 A l )considerare un’area ridotta, detta area resistente (Ares = 0.750.82 Area nominale).Ciò non vale per i bulloni sottoposti a trazione perché in ogni caso la rottura avviene nellasezione più debole e quindi bisogna fare riferimento sempre all’area resistente.I di t i tt ti d ll ti it li d li t iI diametri accettati dalle normative italiana ed europea sono gli stessi.

Forze nelle bullonature

Azione di taglioAzione di taglio

Azione normaleAzione mista

Azione normale

SerraggioQuando si avvita il dado del bullone, una volta avvenuto il contatto trale piastre un ulteriore avvitamento (effettuato applicando una coppiadetta coppia di serraggio) comporta l’allungamento del gambo conconseguente trazione nel bullone e compressione nelle lamierecollegate. Questo stato tensionale è benefico per l’unione in quanto evitascorrimenti relativi e ne aumenta le prestazioni in esercizio. Tuttavia ilserraggio non deve essere spinto oltre un certo limite per non

l i l i d ll icompromettere la resistenza ultima della unione.Indicazioni precise sui valori ottimali per le coppie di serraggio deibulloni sono riportate nelle norme. Esse impongono che la forza dit i N h l b ll ff tt d l i i iltrazione N che nasce nel bullone per effetto del serraggio non superi ilvalore Nb 0.80 Ares f kN e la coppia di serraggio Ts non superi il valoreTs d Nb, con =0.20. In definitiva il valore massimo della coppia diserraggio è pari a T 0 16 d A f (dove f é il minimo tra f e 0 7fserraggio è pari a Ts 0. 16 d Ares fk,N (dove fk,N é il minimo tra fy e 0.7fusecondo UNI 3740).

L’Eurocodice 3 rinvia ad altre norme più specifiche; nelle indicazioniL Eurocodice 3 rinvia ad altre norme più specifiche; nelle indicazionirelative a giunti ad attrito indica però come valore della forza diprecarico Nb 0.70 Ares f ub .

Serraggio: area resistente, coppia di serraggio e forza di trazione nel gambo secondo DM 9/1/96

Interasse dei bulloni e distanza dai margini.In rapporto al diametro d deiIn rapporto al diametro d dei bulloni, ovvero al più piccolo t1 tra gli spessori collegati dai chiodi devono esserechiodi, devono essere soddisfatte le limitazioni seguenti: - per le file prossime ai bordi:per le file prossime ai bordi:

a = e1a1= e2

Unioni ad attrito con bulloni.La forza Ff trasmissibile per attrito da ciascun bullone per ogni piano di contatto trafelementi da collegare, è espressa dalla relazione:

in cui è da porre:Vf coefficiente di sicurezza contro lo slittamento, da assumersi usualmente pari a 1,25

ffi i di i d i i coefficiente di attrito da assumersi pari a:- 0,45 per superfici sabbiate al metallo bianco e collegate in officina;- 0,30 per superfici non particolarmente trattate, e comunque nelle giunzioni in opera;N f di t i l b d ll itNb forza di trazione nel gambo della vite.La pressione convenzionale sulle pareti dei fori non deve superare il valore di 2,5 fd.In un giunto per attrito i bulloni ad alta resistenza possono trasmettere anche una forzaassiale di trazione N In questo caso in assenza di flessioni parassite apprezzabili nelassiale di trazione N. In questo caso, in assenza di flessioni parassite apprezzabili nelbullone, il valore della forza trasmissibile dal bullone per attrito si riduce a:

Verifica di giunzione con bulloni non preserrati

tmin = 10mmdb = 16mm

140kN

bdf=17mmClasse bulloni 6.6

140kN140kN


Verifiche geometriche dimensionali


Verifica taglio del bullone

Verifica rifollamento


Verifica lamiera

Caratteristiche geometriche dei profilati IPE

Caratteristiche geometriche dei profilati HEA

Caratteristiche geometriche dei profilati HEB

Caratteristiche geometriche dei profilati HEM

Caratteristiche geometriche dei profilati a C

Aste composte

Si dicono "aste composte" le sezioni ottenute dall'accoppiamento in genere simmetricoSi dicono "aste composte" le sezioni ottenute dall'accoppiamento, in genere simmetricodi due o più profilati fra loro. Si applica il metodo come descritto al punto precedente,anche alla verifica d'instabilità di tali aste composte. Il comportamento instabile dell'astaè influenzato dal piano in cui avviene l'inflessione laterale Si distinguono dueè influenzato dal piano in cui avviene l inflessione laterale. Si distinguono duecomportamenti diversi in relazione all'inflessione nei due piani principali: il piano x-xche taglia i profilati dell'asta composta ed il piano y-y. che non li taglia. Se l'inflessioneavviene nel piano y-y l'asta composta si comporta come costituita da un'unico profilatoavviene nel piano y y l asta composta si comporta come costituita da un unico profilatocon area A e momento di inerzia I pari alla somma di quelli dei profilati componenti;quindi la verifica d'instabilità dell'asta composta si effettua in maniera identica a quelladelle aste a sezione compatta con il metodo ω. Quando l'inflessione laterale avviene nelp Qpiano x-x, entra in gioco il collegamento di parete fra i profili componenti la sezione; intal caso il fenomeno risulta ovviamente influenzato dalla natura del collegamento e diciò si tiene conto introducendo per l'asta composta una snellezza equivalente. Per unp p qcollegamento a calastrelli distanziati fra loro di L0 lungo l'asse del pilastro, se ladeformabilità di questi è trascurabile rispetto a quella dei correnti, si assume la snellezzaequivalente:

λeq = √ λy2 + λ1

2 ,_________

y è la snellezza dell'intera asta composta immaginata a sezionecompatta: 1 è la snellezza del singolo profilato sulla luce pari1all'interasse fra i calastrelli:

yy y

y

Il , con ;A

La snellezza ideale eq, così valutata è maggiore di quella diun'equivalente aste a sezione compatta e ciò per tener conto delladiscontinuità del collegamento di parete, espressa da 1.

La verifica dei collegamenti trasversali dei profilati (calastrelli) sieffettua ipotizzando la presenza di una forza orizzontale fittizia,pari a:p

V = ω N/100 .

Tale forza ha lo scopo di saggiare la rigidezza trasversale dell'astacomposta e di tener conto implicitamente di azioni orizzontaliindotte da eventuali difetti geometrici di costruzione che creanoeccentricità del carico verticale ed impegnano così la resistenzadei calastrelli. Il collegamento fra calastrello e montante sieffettua di norma con almeno due bulloni oppure mediantesaldatura.

Per aste tralicciate, si definisce una snellezza equivalente in base alle relazioni:equivalente in base alle relazioni:

Per lo schema a), mentre:),

per lo schema b).

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X Lezione Acciaio