Lezione 6 - DAD | Dipartimento Architettura e Design · esercizio su strutture in acciaio esercizio...

Facoltà di Architettura – Università degli Studi di GenovaCorso di TECNICA DELLE COSTRUZIONIChiara CALDERINIA.A. 2007-2008

LEZIONE 6

PROGETTO DI COSTRUZIONI IN ACCIAIO

Progetto di giunzioni saldate

ASPETTI TECNOLOGICIASPETTI TECNOLOGICI

ORIGINI STORICHE

IL SISTEMA DI COLLEGARE LAMIERE IN ACCIAIO TRAMITE SALDATURA TROVA ORIGINE ALL’INIZIO DEL XX SECOLO DALLA CONSTATAZIONE CHE GLI INCONVENIENTI CONNESSI ALL’USO DEI CHIODI POTEVANO SUPERARSI PROCEDENDO, PREVIA FUSIONE LOCALE, AD UN COLLEGAMENTO MONOLITICO DELLE PARTI.

LA DIFFICOLTA’ DI MAGGIOR RILIEVO CONSISTEVA NEL DOVER LIMITARE IL RISCALDAMENTO DEI PEZZI DA SALDARE AL FINE DI NON MODIFICARNE LE CARATTERISTICHE MICROGRAFICHE E MECCANICHE RENDENDOLI INADATTI ALL’USO.

LA SALDATURA E’ IL COLLEGAMENTO DI DUE LAMIERE

IN ACCIAIO PER FUSIONE, CON L’APPORTO, IN GENERE, DI

MATERIALE METALLICO “ESTERNO” DI RINFORZO.

LA SALDATURA REALIZZA LA CONTINUITA’ DEL MATERIALE

TRA LE PARTI CHE VENGONO UNITE.

CORDONE DI SALDATURA


SALDABILITA’ DELL’ACCIAIO

GRADO 0: SALDATURA IMPOSSIBILE – GRADO 5: SALDABILITA’ OTTIMA


PROCEDIMENTI MANUALI:

• SALDATURA OSSIACETILENICA

• SALDATURA AD ARCO CON ELETTRODI RIVESTITI

• SALDATURA CON PROTEZIONE DI GAS ED ELETTRODO INFUSIBILE

PROCEDIMENTI SEMI-AUTOMATICI:

• SALDATURA CON PROTEZIONE DI GAS ED ELETTRODO FUSIBILE

PROCEDIMENTI AUTOMATICI:

• SALDATURA AD ARCO SOMMERSO

• SALDATURA AD ELETTROSCORIA

PROCEDIMENTI DI SALDATURA


PROCEDIMENTI MANUALI

LA SALDATURA AD ARCO CON ELETTRODI RIVESTITI


SI BASA SULLA FORMAZIONE DI UN ARCO ELETTRICO TRA UN ELETTRODO, MANOVRATO MEDIANTE UNA PINZA PORTA-ELETTRODI, ED IL MATERIALE BASE DA SALDARE.

L’ARCO ELETTRICO PROVOCA UN CALORE MOLTO CONCENTRATO, CHE PORTA ALLA RAPIDA FUSIONE SIA DEL MATERIALE BASE SIA DELL’ELETTRODO.

L’ELETTRODO E’ COSTITUITO DA UNA BACCHETTA CILINDRICA CON UN RIVESTIMENTO LA CUI FUSIONE GENERA DEI GAS PER LA PROTEZIONE DELLA ZONA D’ARCO E DEL BAGNO DI SALDATURA.


PROCEDIMENTI MANUALI

LA SALDATURA CON PROTEZIONE DI GAS ED ELETTRODO INFUSIBILE

ANCHE QUESTO TIPO DI SALDATURA SI BASA SULLA FORMAZIONE DI UN ARCO ELETTRICO. IN QUESTO CASO, L’ARCO SI GENERA TRA UN ELEMENTO DI TUNGSTENO ED IL MATERIALE BASE.

L’ARCO ELETTRICO PROVOCA UN CALORE MOLTO CONCENTRATO, CHE PORTA ALLA RAPIDA FUSIONE DEL MATERIALE BASE, MA NON DELL’ELETTRODO.

L’ELETTRODO HA IL SOLO SCOPO DI CONSENTIRE LA FORMAZIONE DELL’ARCO ELETTRICO.

LA PROTEZIONE DELLA ZONA D’ARCO VIENE EFFETTUATA CON GAS ARGON.

EVENTUALE MATERIALE DI APPORTO DEVE ESSERE INTRODOTTO SEPARATAMENTE.

QUESTO TIPO DI SALDATURA VIENE USATO PER MATERIALE IL CUI BAGNO DI SALDATURA E’ FACILMENTE OSSIDABILE, COME GLI ACCIAI INOX E L’ALLUMINIO.


PROCEDIMENTI SEMI-AUTOMATICI

LA SALDATURA CON PROTEZIONE DI GAS ED ELETTRODO FUSIBILE



ANCHE QUESTO TIPO DI SALDATURA SI BASA SULLA FORMAZIONE DI UN ARCO ELETTRICO. L’ARCO SI GENERA TRA UN ELETTRODO, COSTITUITO DA UN FILO CONTINUO AVVOLTO A MATASSA, ED IL MATERIALE BASE. UN DISPOSITIVOAUTOMATICO DI ALIMENTAZIONE PROVVEDE ALL’AVANZAMENTO DELL’ELETTRODO.


LA PROTEZIONE DELLA ZONA D’ARCO VIENE EFFETTUATA CON GAS ARGON.


PROCEDIMENTI AUTOMATICI

LA SALDATURA AD ARCO SOMMERSO


ANCHE QUESTO TIPO DI SALDATURA SI BASA SULLA FORMAZIONE DI UN ARCO ELETTRICO. L’ARCO SI GENERA TRA UN ELETTRODO, COSTITUITO DA UN FILO CONTINUO AVVOLTO A MATASSA, ED IL MATERIALE BASE. UN DISPOSITIVOAUTOMATICO DI ALIMENTAZIONE PROVVEDE ALL’AVANZAMENTO DELL’ELETTRODO.


LA PROTEZIONE DELLA ZONA D’ARCO E’ AFFIDATA AD UN FLUSSO CHE VIENE DISTRIBUITO SUL GIUNTO FORMANDO UN CUMULO ALL’INTERNO DEL QUALE SCOCCA L’ARCO.


EFFETTI DELLA SALDATURA

FORMAZIONE DI CRICCHE A FREDDO

LA SALDATURA E’ CARATTERIZZATA DA PICCOLE MASSE DI METALLO PORTATE RAPIDAMENTE IN FUSIONE E RAPIDAMENTE RAFFREDDATE PER EFFETTO DELL’ASSORBIMENTO DI CALORE DA PARTE DEL METALL CIRCOSTANTE.

LA RAPIDA VELOCITA’ DI RAFFREDDAMENTO PUO’PROVOCARE EFFETTI SIMILI A QUELLI DELLA TEMPRA, PRODUCENDO ZONE DI ELEVATA DUREZZA. QUESTE ZONE DURE, CHE SI MANIFESTANO IN GENERE NEL MATERIALE BASE AI MARGINI DELLA SALDATURA, POSSONO ESSERE SEDE DI INCRINATURE (CRICCHE A FREDDO).

FORMAZIONE DI CRICCHE A CALDO

TALI CRICCHE SI FORMANO DURANTE LA SOLIDIFICAZIONE DEL MATERIALE A CAUSA DI SEGREGAZIONI DI IMPUREZZE CHE SI ADDENSANO NELLA ZONA FUSA E CHE, SOLIDIFICANDO A TEMPERATURA PIU’ BASSA DELL’ACCIAIO, DANNO LUOGO PER EFFETTO DEGLI SFORZI DI RITIRO AD UNA DECOESIONE DEL MATERIALE.


EFFETTI DELLA SALDATURA

AUTOTENSIONI E DEFORMAZIONI INDOTTE

A CAUSA DEL RISCALDAMENTO DISUNIFORME E RAPIDO CUI E’ SOTTOPOSTO IL MATERIALE NELLE OPERAZIONI DI SALDATURA, E’POSSIBILE IL GENERARSI DI AUTOTENSIONI ASSOCIATE A FENOMENI DI RITIRO. TALI AUTOTENSIONI PROVOCANO DELLE DEFORMAZIONI NEGLI ELEMENTI COLLEGATI.

VI SONO VARIE TECNICHE PER LIMITARE QUESTE DEFORMAZIONI (CONTROFRECCIE INIZIALI, BLOCCAGGIO DEI PEZZI, PRERISCALDAMENTI, STUDIO RAZIONALE DELLE SEQUENZE DI SALDATURA).

.


CLASSIFICAZIONE DELLE UNIONI SALDATESI BASA SULLA POSIZIONE RECIPROCA DEI PEZZI DA SALDARE ALL’INTERNO

DELL’UNIONE E SULLA FORMA DEI CORDONI DI SALDATURA.

PER IL CALCOLO DELLE TENSIONI DERIVANTI DA AZIONI DI TRAZIONE O COMPRESSIONE AGENTI NORMALMENTE ALL’ASSE DELLA SALDATURA O DA AZIONI DI TAGLIO, SI ASSUME COME SEZIONE RESISTENTE LA SEZIONE LONGITUDINALE DELLA SALDATURA STESSA. AI FINI DEL CALCOLO, ESSA HA COME LUNGHEZZA QUELLA INTERA DELLA SALDATURA E COME LARGHEZZA:

• IL MINORE DEGLI SPESSORI COLLEGATI NEI GIUNTI DI TESTA

• LO SPESSORE DELL’ELEMENTO A COMPLETA PENETRAZIONE NEI GIUNTI A “T”.

GIUNTI A COMPLETA PENETRAZIONEGIUNTI A COMPLETA PENETRAZIONE

LA SEZIONE RESISTENTE DELLA SALDATURA

COMPONENTI DI TENSIONE

PER LA VERIFICA DI RESISTENZA, SI APPLICA IL CRITERIO DI HENKY-VON MISES ADOTTATO ANCHE PER LA VERIFICA DI RESISTENZA DEGLI ELEMENTI BASE:

GIUNTI A COMPLETA PENETRAZIONEGIUNTI A COMPLETA PENETRAZIONE


2 2 23id w dfσ σ σ σ σ τ η⊥ ⊥= + − + ≤

COEFFICIENTE DI EFFICIENZA(DA 0.6 A 1, A SECONDA DELLA NORMATIVA)

NORMATIVA ITALIANA (CNR-UNI 10011-67)

1wη = PER GIUNTI DI CLASSE I

0.85wη = PER GIUNTI DI CLASSE II

GIUNTI A CORDONI DGIUNTI A CORDONI D’’ANGOLOANGOLO


rA a L=AREA DELLA SEZIONE DI GOLA

ALTEZZA DI GOLA LUNGHEZZA DEL CORDONE

ALTEZZA DI GOLA

E’ L’ALTEZZA MINORE DEL TRIANGOLO INSCRITTO NELLA SEZIONE TRASVERSALE DEL CORDONE.



TENSIONI RIFERITE ALLA SEZIONE GOLA

σ⊥ = TENSIONE NORMALE AGENTE IN DIREZIONE PERPENDICOLARE ALLA SEZIONE DI GOLA CONSIDERATA NELLA SUA REALE POSIZIONE.

σ⊥

σ⊥




τ⊥ = TENSIONE TANGENZIALE AGENTE IN DIREZIONE PERPENDICOLARE ALL’ASSE DEL CORDONE E GIACENTE NELLA SEZIONE DI GOLA CONSIDERATA NELLA SUA REALE POSIZIONE.

τ ⊥

τ ⊥




τ⊥ = TENSIONE TANGENZIALE AGENTE IN DIREZIONE PARALLELA ALL’ASSE DEL CORDONE E GIACENTE NELLA SEZIONE DI GOLA CONSIDERATA NELLA SUA REALE POSIZIONE.

τ

τ



TENSIONI RIFERITE ALLA SEZIONE TRASVERSALE DEL CORDONE

τ⊥ = TENSIONE NORMALE AGENTE IN DIREZIONE PARALLELA ALL’ASSE DEL CORDONE E RIFERITA ALLA SUA SEZIONE TRASVERSALE.

σ

σ

σ

IPOTESI SEMPLIFICATIVA

NELLE VERIFICHE SI TRASCURA QUESTA COMPONENTE DI

TENSIONE


DEFINIZIONE DEL DOMINIO DI RESISTENZA - STORIA

NUMEROSE ESPERIENZE FURONO EFFETTUATE PER ANALIZZARE LA RESISTENZA DEI CORDONI D’ANGOLO AL VARIARE DELLO STATO TENSIONALE, ALLO SCOPO DI TRACCIARE IL DOMINIO SPAZIALE DELLE RESISTENZE NELLE COMPONENTI , RIFERITE ALLA SEZIONE DI GOLA.

σ⊥ τ ⊥ τ

DEFINIZIONE SPERIMENTALE DEL PEROIDE DELLE ROTTURE



( ) ( )22 2

2 22, , ,

10.75 0.75u w u w u w

f f f

τσ τ⊥ ⊥+ + =

1a APPROX (ISO): ELISSOIDE DELLE ROTTURE

RESISTENZA A ROTTURA PER TRAZIONE DEL CORDONE

DEFINIZIONE SPERIMENTALE DEL PEROIDE DELLE ROTTURE

SUCCESSIVE PROVE SPERIMENTALI (1967) PORTARONO AD UN AFFINAMENTO DELLE CONOSCENZE. IL DATO PIU’ INTERESSANTE RISULTO’ CHE L’ELISSOIDE DELLE RESISTENZE A ROTTURA NON ERA UN SOLIDO DI ROTAZIONE, MA AVEVA IL SEMIASSE MINORE PARI A 0.58 ED IL SEMIASSE MEDIO PARI A 0.7 . PERTANTO IL CRITERIO DI RESISTENZA POTEVA ESSERE ESPRESSO COME:

( ) ( )22 2

2 22, , ,

10.58 0.70u w u w u w

f f f

τσ τ⊥ ⊥+ + =

τ ⊥ σ ⊥ σ ⊥

IL PRINCIPALE DIFETTO DEL CRITERIO DI RESISTENZA AD ELISSOIDE ERA IL FATTO CHE RICHIEDEVA IL CALCOLO DELLE COMPONENTI DI TENSIONE RISPETTO ALLA SEZIONE DI GOLA, CALCOLO CHE RISULTAVA LUNGO E LABORIOSO.

RISULTAVA DI PIU’ FACILE IMPIEGO UNA CRITERIO DI RESISTENZA CHE SI BASASSE SUL CALCOLO DELLE COMPONENTI DI TENSIONE RIFERITE ALLA SEZIONE DI GOLA RIBALTATA SU UNO DEI DUE LATI DEL CORDONE.

PER SEMPLIFICARE LA VERIFICA, RISULTAVA CONVENIENTE INTERPETARE IL DOMINIO DI RESISTENZA SPERIMENTALE CON UN SOLIDO LA CUI EQUAZIONE NON VARIASSE SE GLI ASSI DI RIFERIMENTO SUBIVANO UNA ROTAZIONE DI 45° (IL CHE EQUIVALE A RIBALTARE LA SEZIONE DI GOLA SU UN LATO). IL SOLIDO CHE PRESENTAVA QUESTA PROPRIETA’ E’ LA SFERA.



( ) ( ) ( )22 2

2 2 2, , ,

1u w u w u wf f f

τσ τχ χ χ

⊥ ⊥+ + =

2a APPROX (ISO): SFERA DELLE ROTTURE

RAGGIO DELLA SFERA A FAVORE DI SICUREZZA, =0.58χ

DIFETTO: NON TIENE CONTO DELLA DIFFERENZE DI RESISTENZA NELLE DIVERSE DIREZIONI


DEFINIZIONE DEL DOMINIO DI RESISTENZA – STORIA

0.7χ =

IN OCCASIONE DELLA REVISIONE DELLE RACCOMANDAZIONI CNR-UNI 1001-67, L’ISTITUTO ITALIANO DELLA SALDATURA STUDIO’ ANCORA IL PROBLEMA PER SEMPLIFICARE IL CALCOLO DEI GIUNTI A CORDONI D’ANGOLO PARTENDO DA UNA SOLIDO DELLE TENSIONI DI TIPO SFERICO. SI VOLEVA IN PARTICOLARE SUPERARE IL DIFETTO DELLA SFERA DI NON TENERE IN CONTO LA DIFFERENZA DI RESISTENZA NELLE DIVERSE DIREZIONI.


DEFINIZIONE DEL DOMINIO DI RESISTENZA

3a APPROX (CNR): SFERA MOZZA

( ) ( ) ( )22 2

2 2 2, , ,

1u w u w u wf f f

τσ τχ χ χ

⊥ ⊥+ + =

CON , MA E’ TAGLIATA DA DUE COPPIE DI PIANI PERPENDICOLARI AGLI ASSI E E PASSANTI PER 0.58 fu,w .σ⊥

LA SFERA HA EQUAZIONE:

τ ⊥

AFFINCHE’ LO STATO TENSIONE DEL CORDONE SIA SEMPRE ALL’INTERNO DEL DOMINIO DI DELLE RESISTENZA DI ROTTURA DEFINITO DALLA SFERA MOZZA, DEVONO ESSERE RISPETTATE CONTEMPORANEAMENTE LE SEGUENTI CONDIZIONI:


VERIFICHE DI RESISTENZA

2 2 2,

10.7 u wfσ τ τ⊥ ⊥+ + ≤

,0.58 u wfσ⊥ ≤

,0.58 u wfτ ⊥ ≤

2 2 2,0.7 u wfσ τ τ⊥ ⊥+ + ≤

,0.58 2 u wfτ σ⊥ ⊥+ ≤

,0.7 u wfτ ⊥ ≤

,0.7 u wfσ⊥ ≤

TENSIONI RELATIVE A SEZIONE DI GOLA TENSIONI RELATIVE A PROIEZIONE DELLA SEZIONE DI GOLA SU UN LATO


VERIFICHE DI RESISTENZA – CNR UNI 10011-67

LA RESISTENZA A TRAZIONE DEL CORDONE fu,w DIPENDE DALLA QUALITA DEGLI ELETTRODI, CHE VA SCELTA IN FUNZIONE DEL TIPO DI MATERIALE COSTITUENTE GLI ELEMENTI DA SALDARE. IN GENERALE, PUO’ ESSERE ESPRESSA IN FUNZIONE DELLA RESISTENZA DI PROGETTO fd DEL MATERIALE COSTITUENTE GLI ELEMENTI DA SALDARE:

,u w w df fβ=

COEFFICIENTE DI EFFICIENZA

1.25wβ =

1.00wβ =

PER ACCIAI DI TIPO 1 (Fe 360)

PER ACCIAI DI TIPO 2 (Fe 430 e Fe 510)

2 2 2 0.850.7

d

d

ff

σ τ τ⊥ ⊥

+ + ≤

0.85d

d

ff

τ σ⊥ ⊥

+ ≤

0.850.7

d

d

ff

τ ⊥

≤

0.850.7

d

d

ff

σ⊥

≤

TENSIONI RELATIVE A PROIEZIONE DELLA SEZIONE DI GOLA SU UN LATO

Fe360

Fe430/Fe510

Fe360

Fe430/Fe510

Fe360

Fe430/Fe510

Fe360

Fe430/Fe510

NORMATIVA ITALIANA (CNR-UNI 10011-67)


VERIFICHE DI RESISTENZA – CNR UNI 10011-67


CRITERI DI PROGETTO – CNR UNI 10011-67

I CORDONI D’ANGOLO CHE UNISCONO DUE LAMIERE DI SPESSORI t1 E t2 (CON t1>t2)DEVONO AVERE LATO b SODDISFACENTE LE CONDIZIONI DI CALCOLO E, DI REGOLA, LA SEGUENTE LIMITAZIONE:

222

t b t≤ ≤

COLLEGAMENTICOLLEGAMENTI

ESERCIZIO SU STRUTTURE IN ACCIAIOESERCIZIO SU STRUTTURE IN ACCIAIO

ESERCIZIO

CON RIFERIMENTO ALLA TRAVATURA IN FIGURA, IPOTIZZANDO I NODI FISSI FUORI DAL PIANO (CONTROVENTI), DIMENSIONARE A STATI LIMITE ULTIMI LE ASTE PER UN CARICO DI PROGETTO Pd PARI A 100 kN. SI UTILIZZINO PROFILI AD “L” ACCOSTATI. PROGETTARE QUINDI L’UNIONE “A” IN SOLUZIONE BULLONATA E SALDATA.

1. PALAZZO DEL TRIBUNALE (~1960)

2. MERCATO DELCARMINE (FINE ‘800)

3. STRUTTURE DELL’ACQUARIO (~1990)

2. MERCATO DELCARMINE

1. PALAZZO DEL TRIBUNALE

3. ACQUARIO

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