Index Manuals MANUALE DI PROGETTAZIONE PER STRUTTURE IN ACCIAIO INOSSIDABILE. QUARTA EDIZIONE (2017)
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PREFAZIONE
Quarta Edizione
Questa Quarta Edizione del Manuale di Progettazione è stata preparata da Nancy Badoo,
dello Steel Construction Institute, nell’ambito del progetto di ricerca FRAC
Promozione
delle nuove regole di progettazione dell’Eurocodice per l’acciaio inossidabile (PUREST)
(contratto 709600). È stata fatta una revisione completa della Terza Edizione, apportando i
seguenti principali cambiamenti:
Allineamento con la EN 1993-1-4 del 2015,
Inserimento dei gradi ferritici, sulla base dell’attività svolta nell’ambito del progetto
FRAC
Applicazione strutturale dell’acciaio inossidabile ferritico (SAFSS) (RFSR-CT-
2010-00026),
Aggiunta di nuovi dati sul comportamento al fuoco e sulle proprietà termiche
dell’acciaio inossidabile,
Aggiornamento dei riferimenti alle norme EN 10088, EN 1993 e EN 1090,
Aggiunta di un allegato sulla modellazione del materiale,
Aggiunta di un allegato che riporta un metodo per tenere in considerazione l’incremento
di resistenza dovuto alla formatura a freddo,
Aggiunta di un allegato che riporta regole di dimensionamento meno conservative che
tengono conto dell’incremento di resitenza duvuto all’incrudimento surante l’utilizzo
(Continuous Design Method).
Le seguenti organizzazioni hanno partecipato al progetto PUREST sono:
The Steel Construction Institute (SCI)
Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
(coordinatore)
Calle Jordi Girona 31, Barcelona 08034
Silwood Park, Ascot, SL5 7QN, United Kingdom,
Spain
Universität Duisburg-Essen (UDE)
Katholieke Universiteit Leuven (KU Leuven)
Universitätsstraße 2, Essen 45141, Germany
Oude Markt 13, Leuven 3000, Belgium
RINA Consulting - Centro Sviluppo Materiali
Stalbyggnadinstitutet (SBI)
S.p.A (CSM)
Kungsträdgårdsgatan 10, 111 47 Stockholm,
Via Di Castel Romano 100, Rome 00128, Italy
Sweden
Politechnika Rzeszowska im. Ignacego
Imperial College of Science Technology and
Lukasiewicza (PRz)
Medicine
al. Powstancow Warszawy 12, Rzeszów, 35 959,
South Kensington Campus Exhibition Road, London,
Poland
SW7 2AZ, United Kingdom
Teräsrakenneyhdistys ry
České vysoké učení technické v Praze (CVUT)
Unioninkatu 14 3 krs, Helsinki 00130, Finland
Zikova 4, Praha 16636, Czech Republic
Universidade de Coimbra
OneSource Consultoria Informática
Paço das Escolas, Coimbra, 3001 451, Portugal
Urbanizaçao Ferreira Jorge - 1° dto Lote 14,
Coimbra 3040 016 , Portugal
iv
Le seguenti persone hanno apportato un contributo significativo alla preparazione di questa
Quarta Edizione:
Sheida Afshan (Brunel University London, UK)
Itsaso Arrayago (Universitat Politècnica de Catalunya, Spain)
Leroy Gardner (Imperial College London, UK)
Graham Gedge (Arup, UK)
Michal Jandera (Czech Technical University of Prague, Czech Republic)
Esther Real (Universitat Politècnica de Catalunya, Spain)
Barbara Rossi (KU Leuven, Belgium)
Natalie Stranghöner (Universität Duisberg-Essen, Germany)
Ou Zhao (Nanyang Technological University, Singapore)
Prefazione alla terza edizione
Questa Terza Edizione del Manuale di Progettazione è stata redatta dallo Steel Construction
Institute come risultato del progetto di ricerca FRAC
Progetto di valorizzazione
-
Progettazione strutturale in acciaio inossidabile lavorato a freddo
(contratto RFS2-CT-
2005-00036). Si tratta di una revisione completa della Seconda Edizione con lo scopo di
includere gli acciai inossidabili austenitici lavorati a freddo e aggiornare tutti i riferimenti
alle nuove versioni degli Eurocodici. Questa terza Edizione fa riferimento alle parti
principali delle EN 1990, EN 1991 ed EN 1993. L’approccio della progettazione strutturale
al fuoco nel Cap. 7 è stato aggiornato e sono state inserite nuove sezioni sulla durabilità
dell’acciaio inossidabile in strutture interrate e sulla valutazione del costo del ciclo di vita
della struttura (life cycle costing). Tre nuovi esempi di progettazione sono stati aggiunti per
mostrare l’uso appropriato dell’acciaio inossidabile. Un comitato di verifica progettuale,
composto dai rappresentanti di ogni partecipante, subcontraenti ed organismi finanziatori, ha
offerto la sua supervisione ai lavori ed ha contribuito alla redazione del manuale. Le seguenti
organizzazioni hanno partecipato alla stesura di questa Terza Edizione:
The Steel Construction Institute (SCI) (coordinatore del progetto)
Centro Sviluppo Materiali
CUST, University of Blaise Pascale
Euro Inox
RWTH Aachen Institute of Steel Construction
Technical Research Centre of Finland (VTT)
The Swedish Institute of Steel Construction (SBI)
Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
v
Prefazione alla seconda edizione
Questo manuale di progettazione è stato redatto dallo Steel Construction Institute per essere
pubblicato come risultato del programma finanziato dalla CECA "Progetto di valorizzazione
- Sviluppo dell'uso di acciaio inossidabile in edilizia" (contratto 7215-PP-056) e costituisce
una revisione completa del
Manuale di progettazione per strutture in acciaio inossidabile
preparato dallo stesso Istituto fra il 1989 ed il 1992 e pubblicato da Euro Inox nel 1994.
Questa nuova edizione tiene conto dei progressi delle conoscenze in tema di comportamento
delle strutture in acciaio inossidabile nell'ultimo decennio e in particolare sono stati inseriti i
nuovi suggerimenti di progettazione del progetto finanziato dalla CECA e recentemente
concluso,
Sviluppo dell'uso di acciaio inossidabile nell'edilizia (contratto 7210-SA/842), che
è stato ampliato con l'inserimento del progetto di strutture resistenti al fuoco. Negli ultimi 10
anni sono state emesse nuove norme europee sugli acciai inossidabili, sui collegamenti, sulla
produzione, sul montaggio, sulle saldature, ecc. Questo manuale è stato aggiornato alle
normative attuali ed ai dati in esse precisati.
RINGRAZIAMENTI
Si ringraziano vivamente le seguenti organizzazioni per il loro sostegno finanziario al
progetto:
The European Union’s Research Fund for Coal and Steel,
Outokumpu,
Aperam,
Industeel,
AcerInox,
Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM),
Nickel Institute,
Stalatube.
PREMESSA
Questo manuale è stato preparato per guidare ingegneri esperti nella progettazione di
strutture in acciaio al carbonio ma che non hanno la stessa esperienza con l’acciaio
inossidabile. Non deve considerarsi assolutamente come pubblicazione di carattere ufficiale,
né come testo in grado di esimere i progettisti dalla loro responsabilità di garantire, nei
risultati, la sicurezza e la funzionalità delle strutture.
Il manuale è diviso in due parti:
Parte I Raccomandazioni
Parte II Esempi di Progettazione
vi
Le raccomandazioni della Parte I sono formulate secondo la filosofia degli stati limite e sono
concepite in maniera armonica rispetto alle seguenti Parti dell’Eurocodice 3,
Progettazione
delle strutture in acciaio:
EN 1993-1-1
Progetto di strutture in acciaio: norme generali sugli edifici
EN 1993-1-2
Progetto di strutture in acciaio: strutture anti-incendio
EN 1993-1-3
Progetto di strutture in acciaio: elementi e lamiere sottili formati a
freddo
EN 1993-1-4
Progetto di strutture in acciaio: acciai inossidabili
EN 1993-1-5
Progetto di strutture in acciaio: elementi strutturali a piastra
EN 1993-1-8
Progetto di strutture in acciaio: giunti e collegamenti
EN 1993-1-9
Progetto di strutture in acciaio: resistenza alla fatica
EN 1993-1-10
Progetto di strutture in acciaio: qualifica dei materiali per tenacità
alla frattura
L’Eurocodice 3 è attualmente in fase di revisione e una nuova versione di ciascuna parte,
compresa la EN 1993-1-4, è prevista in publicazione nel 2023 circa. In alcuni casi il
Manuale riporta regole o dati progettuali nuovi, che probabilmente verranno inseriti nella
nuova revisione della EN 1993-1-4. Nei riquadri grigi vengono spiegate le differenze tra le
nuove raccomandazioni e quelle attualmente riportate nella EN 1993-1-4:2015.
Questo Manuale fornisce per alcuni fattori solo valori raccomandati, che possono essere
soggetti a modifica a livello nazionale attraverso Documenti Nazionali di Applicazione.
Gli Esempi di Progettazione contenuti nella Parte II mostrano come devono utilizzarsi le
Raccomandazioni. Un sistema di riferimenti incrociati individua il capitolo degli esempi
corrispondente alla raccomandazione in oggetto.
Le Raccomandazioni e gli Esempi di Progettazione sono disponibili on-line all’indirizzo
completo di riferimenti, è inoltre disponibile on-line su questi siti. Lo scopo del Commento
alle Raccomandazioni è consentire al progettista di valutare i fondamenti delle
raccomandazioni e facilitare lo sviluppo di revisioni non appena nuovi dati si rendano
disponibili. Con l’occasione, vengono presentati i risultati di varie campagne sperimentali
condotte specificatamente per fornire una base di dati sperimentali al Manuale.
applicazioni per dispositivi mobili per il calcolo delle proprietà delle sezioni e della
resistenza delle mebrature in accordo con le raccomandazioni del Manuale.
Le raccomandazioni di progettazione presentate in questo manuale si fondano sulle migliori
conoscenze a disposizione all'atto della pubblicazione. Comunque, da parte dei partecipanti
al progetto e degli altri partecipanti alla redazione del Manuale, non si assume alcuna
responsabilità per lesioni personali, morti, perdite, danni o ritardi, comunque causati, per
l'uso dei suggerimenti contenuti in questo manuale.
vii
INDICE
PREFAZIONE
iv
RINGRAZIAMENTI
vi
PREMESSA
vi
PARTE I
- RACCOMANDAZIONI
1
INTRODUZIONE
2
1.1
Cos’è l’acciaio inossidabile?
2
1.2
Acciai inossidabili per impieghi strutturali
3
1.3
Applicazioni degli acciai inossidabili nell’industria delle costruzioni
5
1.4
Campo di applicazione
6
1.5
Simboli
7
1.6
Convenzione per gli assi delle membrature
9
1.7
Unità di misura
10
2
PROPRIETA’ DEGLI ACCIAI INOSSIDABILI
11
2.1
Legame sforzo-deformazione
11
2.2
Fattori che influiscono sul legame sforzo/deformazione
13
2.3
Norme di prodotto e classi di resistenza
14
2.4
Proprietà fisiche
23
2.5
Effetti della temperatura
25
2.6
Zincatura e contatto con zinco fuso
25
2.7
Disponibilità dei tipi di prodotti
25
2.8
Life cycle costing e impatto ambientale
28
3
DURABILITÀ E SELEZIONE DEI MATERIALI
29
3.1
Introduzione
29
3.2
Tipi di corrosione e prestazioni dei gradi di acciaio
30
3.3
Corrosione in determinati ambienti
33
3.4
Controllo della corrosione in fase di progetto
36
3.5
Scelta dei materiali
39
4
PRINCIPI DI PROGETTAZIONE
45
4.1
Requisiti generali
45
4.2
Progettazione agli stati limite
45
4.3
Carichi
46
5
PROPRIETA’ DELLE SEZIONI TRASVERSALI
47
5.1
Generalità
47
5.2
Rapporti massimi larghezza/spessore
47
5.3
Classificazione delle sezioni trasversali
47
5.4
Larghezze efficaci
51
5.5
Elementi irrigiditi
56
5.6
Calcolo delle proprietà delle sezioni
60
5.7
Resistenza delle sezioni
62
viii
6
PROGETTO DI ELEMENTI
67
6.1
Introduzione
67
6.2
Membrature soggette a trazione
67
6.3
Membrature soggette a compressione
67
6.4
Membrature soggette a flessione
72
6.5
Membrature soggette alla combinazione di carichi assiali e momenti
flettenti
84
7
PROGETTO DEI COLLEGAMENTI
87
7.1
Raccomandazioni generali
87
7.2
Giunti bullonati
89
7.3
Viti autofilettanti
95
7.4
Giunti saldati
95
8
PROGETTO DI STRUTTURE RESISTENTI AL FUOCO
100
8.1
Generalità
100
8.2
Proprietà meccaniche ad elevata temperatura
100
8.3
Determinazione della resistenza al fuoco delle strutture
103
8.4
Proprietà termiche ad elevata temperatura
110
8.5
Modello del comportamento del materiale ad elevate temperature
113
9
FATICA
115
10
PROVE
116
10.1 Generalità
116
10.2
Determinazione della curva sforzo/deformazione
116
10.3
Prove sulle membrature
116
11
ASPETTI LEGATI ALLA FABBRICAZIONE
118
11.1 Introduzione
118
11.2 EN 1090 Esecuzione di strutture di acciaio e di alluminio
118
11.3 Classe di Esecuzione
119
11.4 Immagazzinamento e movimentazione
120
11.5 Operazioni di formatura
121
11.6 Saldatura
123
11.7 Grippaggio
128
11.8 Finitura
129
APPENDICE A Correlazione tra le designazioni degli acciai inossidabili
130
APPENDICE B Incremento della resistenza delle sezioni formate a freddo
131
APPENDICE C Modello del comportamento del materiale
133
APPENDICE D Continuous Strength Method
136
APPENDICE E Momento critico elastico per l’instabilità flesso-torsionale
142
PARTE II
- ESEMPI DI PROGETTAZIONE
ix
PARTE I - RACCOMANDAZIONI
1
1
INTRODUZIONE
1.1
Cos’q l’acciaio inossidabile?
Gli acciai inossidabili sono una famiglia di acciai resistenti alla corrosione e alle
elevate temperature, caratterizzati da una composizione chimica contenente almeno
il
10,5 % di cromo. Così come esistono diversi gradi di acciaio al carbonio con
differenti caratteristiche di resistenza, saldabilità e tenacità; anche per gli acciai
inossidabili esiste un ampio range di gradi con differenti caratteristiche di
resistenza alla corrosione e livelli di resistenza. La variazione delle proprietà degli
acciai inossidabili è il risultato della calibrazione degli elementi in lega. È dunque
importante selezionare l’acciaio inossidabile adeguato alla specifica applicazione
evitando l’utilizzo di acciai eccessivamente legati con conseguente aggravio dei
costi.
Con un contenuto di cromo superiore al
10,5 % la superficie dell’acciaio
inossidabile, se pulita ed esposta all’aria o altro ambiente ossidante, forma
spontaneamente uno strato di ossido di cromo trasparente e fortemente aderente. Se
tale strato è accidentalmente graffiato o abraso, esso nelle suddette condizioni si
riforma immediatamente. Sebbene questo film sia molto sottile, circa 5
106
mm,
esso q stabile e non poroso. Se l’acciaio inossidabile q appropriato all’ambiente in
cui è installato, lo strato di ossido di cromo non reagirà chimicamente con
l’atmosfera e per questo motivo viene anche detto film passivo. La stabilità del film
passivo dipende dalla composizione dell’acciaio inossidabile, dalla condizione
superficiale e dalla corrosività dell’ambiente. In particolare il film passivo è tanto
più stabile quanto maggiore è il contenuto di cromo, e ancor più migliorato
dall’aggiunta di elementi di lega quali molibdeno e azoto.
Gli acciai inossidabili possono essere classificati nei seguenti cinque gruppi,
ciascuno dei quali presenta alcune caratteristiche specifiche e un certo range di
resistenza alla corrosione.
Acciai inossidabili austenitici
Gli acciai inossidabili più diffusi appartengono al gruppo degli austenitici,
caratterizzati da un contenuto di cromo tra 17 e 18 % e di nichel tra 8 e 11 %.
Mentre agli acciai strutturali al carbonio presentano una struttura cubica a corpo
centrato, gli acciai austenitici hanno struttura cubica a facce centrate. Questa
struttura ne causa le caratteristiche di elevate duttilità, formabilità e saldabilità che
li contraddistingue rispetto agli altri gruppi di acciai inossidabili. Rispetto agli
acciai al carbonio gli acciai austenitici presentano tenacità significativamente
maggiore su un ampio range di temperature. La loro resistenza può essere innalzata
per lavorazione a freddo ma non per trattamento termico. La loro resistenza a
corrosione può essere innalzata aumentando il tenore di cromo e aggiungendo
molibdeno o nickel. Questo gruppo di acciai inossidabili è molto utilizzato nel
settore delle costruzioni.
Acciai inossidabili ferritici
I più diffusi acciai inossidabili ferritici hanno un contenuto di cromo tra 10,5 % e
18 %. Gli acciai inossidabili ferritici contengono poco o niente nichel. Presentano
struttura cubica a corpo centrato come gli acciai al carbonio strutturali. A parità di
resistenza alla corrosione il loro costo è inferiore e più stabile rispetto a quello
degli acciai austenitici. Sono generalmente meno duttili e meno saldabili degli
acciai austenitici. La loro lavorabilità e formabilità è molto simile a quella
dell’acciaio al carbonio S355 per impieghi strutturali. Hanno la capacità di
2
innalzare la resistenza per lavorazione a freddo ma non della stessa quantità
raggiungibile con gli acciai austenitici. Come questi non possono aumentare la loro
resistenza tramite trattamenti termici. Ambienti tipici per la loro applicazione sono
quelli interni e quelli esterni poco aggressivi. Hanno buona resistenza alla
tensocorrosione (Stress Corrosion Cracking, SCC) e la loro resistenza a corrosione
può essere innalzata tramite aggiunta di molibdeno. Rappresentano una valida
alternativa all’acciaio zincato di basso spessore in molte applicazioni. I gradi
ferritici generalmente sono impiegati in spessori minori o uguali a 4 mm.
Acciai inossidabili duplex (austeno-ferritici)
Gli acciai inossidabili duplex hanno una struttura mista di austenite e ferrite, per
questo motivo sono anche chiamati austeno-ferritici. Essi tipicamente contengono
cromo tra 20 e 26 %, nichel tra 1 e 8 %, molibdeno tra 0,05 e 5 %, e azoto tra 0,05
e 0,3 %. A causa del minore contenuto di nichel rispetto agli austenitici, i duplex
soffrono una minore volatilità del costo. Nella condizione ricotta hanno una
resistenza doppia rispetto agli austenitici permettendo una certa riduzione delle
sezioni che può essere d’interesse nel caso di strutture pesanti quali ponti e
piattaforme offshore. I duplex sono adatti a un ampio range di ambienti corrosivi.
Sebbene gli acciai duplex abbiano buona duttilità a causa dell’elevata resistenza,
sono più difficili da formare in confronto agli austenitici. Hanno la capacità di
innalzare la resistenza per lavorazione a freddo ma non per trattamento termico.
Hanno buona saldabilità e resistenza allo stress-corrosion-cracking. Possono essere
considerati complementari ai ferritici in applicazioni pesanti.
Acciai inossidabili martensitici
Gli acciai inossidabili martensitici hanno struttura cubica a corpo centrato similare
a quella dei ferritici e degli acciai al carbonio, ma a causa del loro alto contenuto di
carbonio la loro resistenza può essere innalzata tramite trattamento termico. Gli
acciai martensitici di solito sono impiegati in condizioni bonificate, che
conferiscono loro alta resistenza meccanica e moderata resistenza alla corrosione.
Sono sovente utilizzati in applicazioni in cui sia richiesta resistenza superficiale
all’abrasione e durezza (ad esempio posate, strumenti chirurgici, lame industriali,
piastre di rivestimento e pale di turbine). Sono meno duttili e più sensibili
all’intaglio rispetto ai ferritici, agli austenitici e ai duplex. Sebbene molti
martensitici possano essere saldati, sono necessari preriscaldi e trattamenti termici
dopo saldatura, procedure che, di fatto, ne limitano l’impiego in strutture saldate.
Acciai inossidabili indurenti per precipitazione
Gli acciai indurenti per precipitazione possono innalzare notevolmente la loro
resistenza meccanica tramite trattamenti termici e si distinguono in tre sottogruppi
microstrutturali: martensitici, semi-austenitici e austenitici. Normalmente non sono
utilizzati in strutture saldate. La loro resistenza a corrosione generalmente è
migliore di quella di martensitici e simile a quella degli austenitici 18 % cromo,
8 % nichel. Sebbene essi siano prevalentemente utilizzati nell’industria
aerospaziale, sono anche impiegati per realizzare barre tiranti, alberi, viti e altri
elementi in cui sia richiesta elevata resistenza e moderata protezione dalla
corrosione.
Una guida alla selezione del grado di acciaio inossidabile in funzione della
particolare applicazione è riportata in 3.5.
1.2
Acciai inossidabili per impieghi strutturali
Il presente Manuale tratta gli acciai inossidabili austenitici, duplex e ferritici che
sono più comunemente utilizzati nelle applicazioni strutturali. Le composizioni
3
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