Acciaio

UNIVERSITA’ DELLA CALABRIA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN INGEGNERIA EDILE - ARCHITETTURA CORSO DI TECNICA DELLE COSTRUZIONI

COSTRUZIONI IN ACCIAIO

Prof. G. SPADEA A.A. 2013/2014 I Semestre

Tecnica delle Costruzioni - UNICAL - Dipartimento di Ingegneria Civile - Corso di Laurea in Ingegneria Edile - Architettura – AA 2013-14


Acciaio è il nome dato ad una lega composta principalmente da ferro e carbonio, quest'ultimo in percentuale non superiore al 2,06%: oltre tale limite, le proprietà del materiale cambiano e la lega assume la denominazione di ghisa.

Il comportamento meccanico delle strutture metalliche è fortemente condizionato dalle proprietà del materiale acciaio, che presenta buona resistenza tanto a trazione quanto a compressione, oltre ad elevata tenacità ed adattabilità plastica.

La struttura in acciaio nasce dall’assemblaggio di pezzi monodimensionali (profilati) o bidimensionali (lamiere) prodotti per lo più in luogo diverso da quello di fabbricazione delle strutture.


VANTAGGI Semplicità e maggior affidabilità di modellazione: in fase di calcolo strutturale, il comportamento statico delle membrature in acciaio non risente delle incertezze di comportamento dei materiali, esecuzione e modellazione, come avviene nelle costruzioni in c.a, quindi più bassi sono i valori dei coefficienti di sicurezza. Rapidità di esecuzione: realizzazione degli elementi strutturali in officina e montaggio in cantiere degli stessi. Re-impiego: possibilità di trasformazione delle strutture. Ottima risposta alle azioni dinamiche Elevato grado di efficienza

SVANTAGGI Instabilità Elevata deformabilità Degrado per corrosione Vulnerabilità maggiore nei confronti del fuoco


Semplificazioni delle giunzioni rispetto al c.a.

Eccessive semplificazioni possono portare a strutture labili.


PROVA DI TRAZIONE


FORME E TIPI DEI PRODOTTI DA CARPENTERIA


TIPI DI ACCIAIO

Per t minore o uguale a 40 mm le resistenze (snervamento) sono maggiori in quanto il processo di laminazione elimina eventuali difetti.


S.L.U.

S.L.E.

(Cap. 4 NTC2008)


CLASSIFICAZIONE DELLE SEZIONI


CLASSIFICAZIONE DELLE SEZIONI

Le sezioni più comunemente usate in carpenteria metallica cioè IPE ed HE sono di classe 1


CAPACITA’ RESISTENTE DELLE SEZIONI


METODI DI ANALISI GLOBALE E RELATIVI METODI DI CALCOLO DELLE SEZIONI

(E) Elastico

(P) Plastico (EP) Elasto-plastico

(Cap. 4 NTC2008)


RESISTENZA DI CALCOLO DEGLI ACCIAI DA CARPENTERIA

Per le verifiche di resistenza delle sezioni delle membrature, si adottano i fattori parziali

deve essere impiegato qualora si eseguano verifiche di elementi tesi nelle zone di unione delle membrature indebolite dai fori.


VERIFICA DEL MATERIALE ACCIAIO IN CAMPO ELASTICO

Stato tensionale piano

CRITERIO DI

VON MISES

VALE SOLO IN CAMPO ELASTICO! La verifica in campo plastico richiede che si determini una distribuzione di tensioni interne “staticamente ammissibile”, cioè in equilibrio con le sollecitazioni applicate (N, M, T, ecc.) e rispettosa della condizione di plasticità.


CRITERI DI RESISTENZA



Si determinano le tre tensioni principali:


MEMBRATURE TESE


TRAZIONE (S.L.U.)

Tensione costante


Arco a tre cerniere


FLESSIONE (S.L.U.)


Per una sezione simmetrica, supponendo un materiale dotato di deformabilità illimitata

Sezione simmetrica Sezione non simmetrica

Rispetto a G si ha stessa area e stesso momento statico delle due parti di sezione

Rispetto a G si ha stesso momento statico. Rispetto ad H si ha stessa area delle due parti di sezione

Asse neutro elastico

Asse neutro plastico

Momento statico uguale a 0 rispetto all’asse baricentrico

Divide la sezione in due parti di area uguale

FLESSIONE (S.L.U.)

conservazione sezioni piane


Supponiamo di considerare un materiale rigido plastico.

)()()( zsegnfsegnf yy

1

0

1

)(segn

per ε > 0

per ε = 0

per ε < 0

Il momento risultante delle tensioni plastiche risulta:

plyyyy

AA

y

A

y

A

pl WfSSfzdazdafzdazsegnfzdazM

)()(

z

yypl SSW Modulo di resistenza plastico della sezione Per sezioni simmetriche yy SS ypl SW 2

Il momento al limite elastico che produce lo snervamento della fibra più sollecitata è pari a:

Ey

y

yyl Wfz

IfM

maxWE è detto modulo di resistenza a flessione della sezione

FLESSIONE (S.L.U.)


Applicazione: sezione rettangolare.

G 6

2bhWE

b

h

842

2bhhhbSy

La sezione è simmetrica e quindi l’asse neutro plastico passa per G

42

2bhSW ypl

y

5.16

4 2

2

bh

bh

W

W

Wf

Wf

M

M

E

pl

Ey

ply

yl

pl

In una sezione rettangolare il momento di completa plasticizzazione è il 50% maggiore del momento di

primo snervamento.

Per poter sviluppare l’intero momento plastico le sezioni devono raggiungere elevate curvature che

corrispondono ad elevate deformazioni. La notevole duttilità degli acciai impiegati nelle costruzioni garantisce

che il materiale sia in grado di sopportare le deformazioni richieste; tuttavia per deformazioni di compressione

non sempre questo è possibile a causa dell’insorgere di fenomeni di instabilità.

Instabilità Perdita di resistenza prima che il materiale abbia raggiunto la completa plasticizzazione

FLESSIONE (S.L.U.)

z

Per le sezioni a doppio T, tale rapporto dipende dagli spessori tw e tf e dal rapporto b/h. In generale tale

rapporto è circa 1,10.


MEMBRATURE INFLESSE

CONFRONTO DELLA RESISTENZA A FLESSIONE AL VARIARE DELLA SEZIONE

Si vuole confrontare l’effetto del momento flettente considerando tre sezioni che hanno la stessa area ma diversa morfologia.


Rispetto al valore del momento d’inerzia della sezione rettangolare si ha:

Questo implica che:

(30*403)/12


e


VERIFICHE DI RESISTENZA (S.L.E.)


Con riferimento al diagramma approssimato delle tensioni tangenziali

VERIFICHE DI RESISTENZA (S.L.E.)


VERIFICHE DI DEFORMABILITA’ (S.L.E.)


Applicazione: verifica (S.L.U e S.L.E.) di una trave appoggiata

Pre-dimensionamento:


Applicazione: verifica (S.L.U e S.L.E.) di una trave appoggiata


MEMBRATURE COMPRESSE

Trave reticolare



In generale una normale verifica di resistenza non si effettua praticamente mai, poiché il

comportamento di un’asta compressa è essenzialmente condizionato dal fenomeno dell’instabilità.



Nelle verifiche classiche di resistenza abbiamo a che fare con condizioni di equilibrio stabile.

Questo non accade nel caso delle aste compresse snelle.

Per le colonne destinate a sopportare sforzi di compressione si adottano generalmente i profili

indicati di seguito.



Problema dell’instabilità

x è la direzione di massima debolezza

Inflessione attorno all’asse y




E’ opportuno limitare la

snellezza al valore di 200 per le

membrature principali ed a 250

per le membrature secondarie


Applicazione: verifica di una colonna compressa MEMBRATURE COMPRESSE

La curva di instabilità (considerando l’instabilità rispetto all’asse y-y) da considerare è la c con α=0,49


Applicazione: verifica di una colonna compressa MEMBRATURE COMPRESSE


TAGLIO

Consideriamo solo l’anima

Von Mises


TAGLIO

bI

ST

x

xEdEd

*


TORSIONE

Nel caso di presenza contemporanea di diverse azioni (S.L.U.) si rimanda al paragrafo 4.2.4.1.2 del D.M. 2008

TEd TEd

0

0

3 M

yk

Rd

fJT

bh /45.0

60.23

032

M

yk

Rd

fsT


FATICA

Se N è basso la rottura

avviene per resistenza

Se N è alto la rottura

avviene per una tensione più

bassa di quella di

snervamento (rottura).

Variazione di tensioni nel tempo.

Analiticamente il problema viene risolto utilizzando le Curve di Whöler


COLLEGAMENTI


COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE


Nella prima fase, sotto l’azione della forza F, non si registrano spostamenti apprezzabili all’aumentare della

forza.

In corrispondenza di un certo valore Ft della forza, il comportamento cambia in maniera brusca e cioè lo

spostamento aumenta in maniera consistente, senza che la forza esterna aumenti.

A questo punto è stata superata la resistenza per attrito originata dalla forza di serraggio. L’incremento di

spostamento a forza costante si ferma quando la superficie del bullone viene a contatto con la parete interna

del foro nel quale è inserito.

Appena il bullone viene a contatto con la parete del foro, lo stesso inizia ad opporsi allo spostamento

relativo, non più per effetto dell’attrito ma per effetto del taglio, lavorando sostanzialmente come un perno.

Per ulteriori spostamenti relativi la forza applicata deve aumentare, fino ad arrivare ad un valore Fu oltre il

quale si ha la crisi definitiva dell’unione bullonata.

Quindi in sintesi si distinguono due fasi: nella prima fase il bullone lavora per attrito; nella seconda l’unione

bullonata lavora a taglio.



Verifiche delle unioni bullonate


(Unioni precaricate)



Una volta vinta la resistenza per attrito, in una unione bullonata possono

verificarsi i seguenti meccanismi di crisi:

1. rottura della lamiera per trazione;

2. rottura del bullone per taglio;

3. rottura per rifollamento;

4. rottura della lamiera per taglio.




I simboli in tabella fanno riferimento alla figura riportata nella slide successiva.



Applicazione: dimensionamento e verifica di una unione bullonata




Applicazione: dimensionamento e verifica di una unione bullonata

prec.)

prec.)


COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE Applicazione: dimensionamento e verifica di una unione bullonata

20 kN


COLLEGAMENTI: UNIONI SALDATE



Classificazione

(a) I collegamenti testa a testa, a T e a croce a piena penetrazione sono generalmente realizzati con

materiali d’apporto aventi resistenza uguale o maggiore a quella degli elementi collegati. Pertanto la

resistenza di calcolo dei collegamenti a piena penetrazione si assume eguale alla resistenza di progetto

del più debole tra gli elementi connessi. Una saldatura a piena penetrazione è caratterizzata dalla piena

fusione del metallo di base attraverso tutto lo spessore dell’elemento da unire con il materiale di

apporto.

(b) I collegamenti testa a testa, a T e a croce a parziale penetrazione vengono verificati con gli stessi

criteri dei cordoni d’angolo.

(c) Nelle giunzioni a cordoni d’angolo, il collegamento avviene mediante la realizzazione di cordoni di

saldatura attraverso i quali debbono passare le forze che le due parti, non direttamente collegate, si

scambiano.

Se il materiale di apporto ha caratteristiche meccaniche non inferiori a quelle dei pezzi collegati, le unioni

a completa penetrazione si trattano come se l’oggetto saldato fosse costituito da un unico elemento.



Verifiche per le unioni a cordone d’angolo e a parziale penetrazione

Sezione di gola Sezione di gola

ribaltata



Verifiche per le unioni a cordone d’angolo e a parziale penetrazione



Calcolo delle tensioni



n

t



n t

t n



n t

n

n

t

t



Sollecitazioni di torsione




t t La superficie resistente è una poiché su un lato

si ha trazione mentre sull’altro compressione,

che per il collegamento diventano azioni

tangenziali




M=Fxe

Acciaio

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