Tecnica delle Costruzioni - Esercitazione 7 (parte 2) & 8

STRUTTURE IN ACCIAIO:

SISTEMI DI COLLEGAMENTO E UNIONI – PARTE 1

GENERALITÀ

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. 2015 – 16

ESERCITAZIONE 7 (II PARTE) & ESERCITAZIONE 8

20 Novembre 2015

4 Dicembre 2015

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

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U

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G

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Prof. Franco Bontempi – Ing. Stefania Arangio

ESERCITAZIONE 7 (II parte) & 8

A.A. 2015 - 2016

I sistemi di collegamento: generalità

Unioni bullonate

Unioni saldate

Outline

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Unioni bullonate

Unioni saldate

Outline

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A.A. 2015 - 2016

SCOMPOSIZIONE STRUTTURALE

Struttura

Sottostruttura

Componenti

Elementi

Struttura

Sottostruttura

Componenti

Elementi

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A.A. 2015 - 2016

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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Genera

lità

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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A.A. 2015 - 2016

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

Genera

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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 continua

3. trave – colonna

4. colonna - colonna

5. colonna – fondazione

6. elementi di controventamento

7. … 1

2

3

6

4

5

Genera

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QUADRO RIASSUNTIVO DELLE TIPOLOGIE DI COLLEGAMENTI

1

2

3

4

5

6

7

8

COMPONENTI VINCOLO SOLLECITAZIONE TIPO UNIONE

1) Trave principale - trave

secondaria cerniera T bullonata

2) Trave - trave continua continuità T

T + M

bullonata

bullonata con

coprigiunto

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

4 vie)

RITTI: cerniera T bullonata

TELAIO:

nodo rigido T + M

bullonata + saldata

(giunto flangiato)

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

7) Colonna - colonna biella N bullonata

8) Colonna - plinto di fondazione

cerniera N Bullonata

incastro N + M Bullonata +

irrigidimenti

Genera

lità

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TIPOLOGIE DI COLLEGAMENTI (ritti pendolari) G

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TIPOLOGIE DI COLLEGAMENTI (controventi) G

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TIPOLOGIE DI COLLEGAMENTI (telaio a nodi rigidi) G

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Unioni bullonate

Unioni saldate

Outline

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GENERALITA’ U

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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 caratterizzata

da punte locali

s max

s min

s m

Ø

s

Ø

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MORFOLOGIA DEI BULLONI U

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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

[mm2]

Ares, area resistente

[mm2]

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 U

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CLASSE

VITE

fyb

N/mm2

snervamento

ftb

N/mm2

rottura

fdN

N/mm2

fdN = 0,9ftb/γM2

fdV

N/mm2

fdV = 0,6ftb/γM2

N

4.6 240 400 288 192

5.6 300 500 360 240

6.8 480 600 432 288

AR 8.8 649 800 576

fdV = 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 U

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(NTC 2008, § 4.2.8.1.1)

t = spessore minimo tra quelli degli elementi collegati

d = diametro bullone

d0 = diametro foro

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INTERASSE E DISTANZE TRA I FORI U

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(NTC 2008, § 4.2.8.1.1)

t = spessore minimo tra quelli

degli elementi collegati

d = diametro bullone

d0 = 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 U

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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 U

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F

F/2

F/2

Forza che agisce nel piano di contatto tra gli elementi

Si considera un collegamento

elementare

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 U

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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) U

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1) Rottura per strappo della lamiera

FF FF

D

D'

E

E'

smF

2

11

s = spessore

m = 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


nio

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F/2

F/2

FF/2

F/2

F/2

F/2

F

F/2

F/2

Il gambo lavora su due facce

Sulla sezione di A = π d2 /4 agisce la forza F/2 22

4

2 d

F

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3) Rifollamento della lamiera

F F

F

a b c

F

Campo

elastico

Campo

plastico

Valore

medio

s = spessore

d = diametro del bullone

sd

F

1

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4) Rottura per trazione della lamiera

FF F F

F/2

F/2

F/2

F/2A

A'

s max

s min

s m

Ø

s

Ø

sda

F

2

a = altezza della lamiera


s = 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 U

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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 lamiera

La 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 bullone

Con l’ipotesi che la tensione tangenziale si distribuisca uniformemente:

VRd

b

fA

R

2

6,0

M

tbVRd

ff

2

5,0

M

tbVRd

ff

R = risultante sul singolo bullone

Ab = area della sezione interessata

(Ab = A se il bullone lavora su una faccia

Ab = 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 U

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3) Verifica a rifollamento

4) Verifica di resistenza della lamiera

2M

tkrif

fk

ds

R

R = risultante sul singolo bullone


s = spessore

ftk = resistenza a rottura del

materiale della piastra

γM2 = 1,25

ydf

ridA

N

ridW

M

ridA

V 22 3 id

02

;9,0

minM

yk

M

tkyd

fff

o

Se è presente anche sforzo

tangenziale

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A.A. 2015 - 2016

UNIONI A TRAZIONE U

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

Si considera un collegamento

elementare

zona soggetta acompressione

FN

FN

2

9,0

M

tb

res

N

f

A

N

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

e di eventuali flessioni parassite

Ares = A resistente del bullone

ftb = resistenza a rottura del bullone

γM2 = 1,25

effetto leva

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A.A. 2015 - 2016

UNIONI A TAGLIO E TRAZIONE U

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14,1

tRd

tEd

vRd

vEd

F

F

F

F

2

6,0

M

restbvRd

AfF

2

9,0

M

restbtRd

AfF

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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A.A. 2015 - 2016

EFFETTI DELLE CARATTERISTICHE DI SOLLECITAZIONE U

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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

N

e

Se lo sforzo normale non passa per il baricentro

della bullonatura bisogna considerare anche gli

effetti di un momento flettente

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A.A. 2015 - 2016

EFFETTI DELLE CARATTERISTICHE DI SOLLECITAZIONE: TAGLIO

(E TORSIONE)

Unio

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V

VT.1

VT.6

VT.2

VT.5

VT.3

VT.4+ =

V

VV

V V

V1

V6

V2

V5

V3V4

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

i

i

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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A.A. 2015 - 2016

EFFETTI DELLE CARATTERISTICHE DI SOLLECITAZIONE: TRAZIONE

(E FLESSIONE)

Unio

ni bullo

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N

e

ym

ax

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

max2max2

Lo sforzo totale massimo nel

bullone più sollecitato sarà:

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Unioni bullonate

Unioni saldate

Outline U

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Unio

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TECNOLOGIA DELLE UNIONI PER SALDATURA

UNI 1307

Per saldatura si intende il processo mediante il quale si effettua l’unione dei

pezzi metallici sotto l’azione del calore, con o senza l’apporto di un materiale

metallico, in modo da realizzare nei tratti di collegamento la continuità fra i pezzi

stessi.

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 le

bullonature bisogna realizzare i fori

• La buona riuscita dipende principalmente dall’operaio (si cerca infatti di farle

il più possibile da manodopera specializzata in officina dove c’è più

controllo)

• Maggiori oneri di lavorazione che portano a costi maggiori

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G

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Unio

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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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Unio

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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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Unio

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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 di 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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A.A. 2015 - 2016

Unio

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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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U

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G

enera

lità




A.A. 2015 - 2016

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

Unio

ni sald

ate

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

discontinuità

40/47 U

nio

ni bullo

nate

U

nio

ni sald

ate

G

enera

lità




A.A. 2015 - 2016

Unio

ni sald

ate

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

41/47 U

nio

ni bullo

nate

U

nio

ni sald

ate

G

enera

lità




A.A. 2015 - 2016

• 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.

Unio

ni sald

ate

VERIFICHE SULLA SEZIONE DI GOLA RIBALTATA: CENNI STORICI

1

70,058,02

2

//

2

2

2

2

uuu fff

Lo scopo era quello di tracciare il dominio spaziale

delle resistenze

42/47 U

nio

ni bullo

nate

U

nio

ni sald

ate

G

enera

lità




A.A. 2015 - 2016

Unio

ni sald

ate

VERIFICHE SULLA SEZIONE DI GOLA RIBALTATA (NTC E CNR)

7,02//

22ydftnt

ydfnt 258,0

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

t

2//

22

2//

2

2//

2

//

44/47 U

nio

ni bullo

nate

U

nio

ni sald

ate

G

enera

lità




A.A. 2015 - 2016

Unio

ni sald

ate

EFFETTI DELLE CARATTERISTICHE DI SOLLECITAZIONE: TRAZIONE

a

F

F/2

F/2

L

yd

ii

faL

F

85,0//

aLaL ii 4

ydfaL

F

85,0

2

a

LF

F/2

F/2

Cordoni laterali Cordone frontale

45/47 U

nio

ni bullo

nate

U

nio

ni sald

ate

G

enera

lità




A.A. 2015 - 2016

(o )

Unio

ni sald

ate


Fa

h

L

F

a

h

b

L

n

t

n

t

L’area resistente è pari a A = 2·a·h

con modulo di resistenza 6

22ha

W

La massima tensione derivante dal momento

flettente è pari a:

2max

3

halF

W

M

ha

F

2//

ydf 85,02

//

2

max

hab

LF

W

M

ab

F

2

ydfba

F

hab

FL

2 ydf85,0

ydf 85,0 ydf70,0

ydf 85,0 ydf70,0

Cordoni frontali longitudinali Cordoni frontali trasversali

habW

(o )

(o )

46/47 U

nio

ni bullo

nate

U

nio

ni sald

ate

G

enera

lità




A.A. 2015 - 2016

Unio

ni sald

ate


F

L

- max

flessione

taglio

A

B

ydA f 85,0max

ydBB f 85,02

//

2 (o 0,70 fyd)

Verifica nel punto A

Verifica nel punto B

47/47 U

nio

ni bullo

nate

U

nio

ni sald

ate

G

enera

lità




A.A. 2015 - 2016

Unio

ni sald

ate

EFFETTI DELLE CARATTERISTICHE DI SOLLECITAZIONE: TORSIONE

a

H

L

h

a

H

MT

ah

MH T

La

H

//

a

V

z

h

V

MT

a

L

z

MV T

aLz

M

aL

V T

//

ydf 85,0// (o 0,70 fyd)

Cordoni laterali Cordoni frontali

PROSSIME ESERCITAZIONI

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


A.A. 2015 – 2016

Tecnica delle Costruzioni - Esercitazione 7 (parte 2) & 8

Engineering

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