MANUALE DI PROGETTAZIONE PER STRUTTURE IN ACCIAIO INOSSIDABILE. QUARTA EDIZIONE (2017) - 2
chimiche e i livelli di resistenza di alcuni gradi adatti agli impieghi strutturali sono
riportati in Tabella 2.1 e Tabella 2.2 rispettivamente.
Nell’EN 1993-1-4 q presente un’ampia lista di acciai inossidabili austenitici, al
contrario la lista dei ferritici è più corta rispetto a quella riportata nel Manuale.
Probabilmente la lista degli acciai ferritici sarà estesa nella prossima revisione
dell’EN 1993-1-4 includendo tutti i gradi contemplati nel Manuale.
Le regole di progetto riportate in questo Manuale possono anche essere applicate
ad altri gradi di acciai austenitici, duplex e ferritici presenti nella EN 10088, cfr.
4.2. Per quanto riguarda la durabilità, saldabilità e gli aspetti legati alla
fabbricazione con gradi diversi da quelli trattati nel Manuale è necessario avvalersi
della consulenza del produttore o di un esperto di settore.
Acciai inossidabili austenitici
Gli acciai inossidabili austenitici generalmente sono utilizzati in applicazioni
strutturali che richiedono buona resistenza meccanica, resistenza alla corrosione,
formabilità (compresa la capacità di realizzare elevati angoli di piega), eccellente
saldabilità in officina e in campo e, per applicazioni sismiche, un significativo
allungamento prima della rottura.
I gradi 1.4301 (anche noto come 304) e 1.4307 (304L) sono, fra tutti, quelli più
comunemente utilizzati. Hanno un contenuto di cromo tra 17,5 e 20 % e di nichel
tra 8 e 11 %. Sono adatti ad ambienti rurali, urbani e moderatamente industriali.
I gradi 1.4401 (316) e 1.4404 (316L) hanno un contenuto di cromo tra 16 e 18 %
circa, nichel tra 10 e 14 % ed hanno aggiunte in molibdeno tra 2 e 3 %, che innalza
la resistenza a corrosione. Reagiscono bene in ambiente marino e in ambiente
industriale.
Nota: la designazione “L” indica una versione di acciaio a ridotto contenuto di
carbonio che reduce il rischio di sensibilizzazione (precipitazione di carburi di
cromo) e di corrosione intergranulare nella zona termicamente alterata delle
saldature. Per le parti saldate si devono specificare o i gradi
“L” o gli acciai
stabilizzati come il 1.4541 e il 1.4571. Il basso contenuto di carbonio non riduce la
resistenza a corrosione nelle zone lontane dalla saldatura. I prodotti commerciali,
realizzati secondo lo stato dell’arte, spesso sono a basso contenuto di carbonio e
certificati con doppia designazione
(ad es.
1.4301/1.4307, acciaio con l’alta
resistenza del 1.4301 e il basso contenuto di carbonio del 1.4307). Quando invece
sono utilizzate tecnologie di produzione obsolete questo risultato non è raggiunto e
dunque il basso contenuto di carbonio deve essere chiaramente specificato nei
documenti di progetto.
Il grado 1.4318 è un acciaio inossidabile a basso tenore di carbonio ed elevato
contenuto di azoto che incrudisce molto rapidamente quando lavorato a freddo; è
stato utilizzato con successo per lungo tempo nelle carrozze dei treni, e può essere
similmente applicato alle automobili, negli aeroplani, e ad elementi architettonici.
Il grado 1.4318 ha resistenza alla corrosione simile a quella del 1.4301 ed è più
adatto ad applicazioni che richiedono una resistenza meccanica maggiore rispetto a
quella del
1.4301 laddove siano richieste grandi quantità di materiale. Viene
reperito direttamente presso l’acciaieria, la sua disponibilità deve essere verificata
direttamente presso il produttore. Il suo prezzo può essere leggermente superiore a
quello del 1.4301, ma in generale dipende dalla quantità necessaria.
Gradi ad alto tenore di cromo (circa 20 %) sono stati resi recentemente disponibili
e saranno introdotti nelle future versioni della EN 10088. Il grado 1.4420 è un
4
esempio di questa categoria di acciai austenitici alto cromo (in particolare il 1.4420
ha anche elevato azoto) che consentono di avere una resistenza alla corrosione
simile a quella del 1.4401. Ha anche una resistenza meccanica superiore a quella
dei gradi austenitici standard, con 390 N/mm2 di resistenza di progetto in confronto
ai 240 N/mm2, sebbene mantenga elevata duttilità.
Acciai inossidabili duplex
Gli acciai inossidabili duplex sono adatti agli impieghi in cui sia richiesta elevata
resistenza meccanica, resistenza alla corrosione e/o superiore resistenza alla
corrosione interstiziale e tensocorrosione (Stress Corrosion Cracking, SCC).
Il grado
1.4462 è estremamente resistente a corrosione, adatto all’utilizzo in
ambiente marino e altri tipi di ambienti aggressivi. L’incremento dell’utilizzo
dell’acciaio inossidabile come materiale strutturale ha portato a un aumento della
domanda di acciai duplex e allo sviluppo di nuovi gradi duplex “lean”. Questi gradi
“lean” hanno un ridotto contenuto di nichel e molibdeno che li rende molto meno
costosi. Gradi
“lean” hanno proprietà meccaniche comparabili con quelle del
1.4462 e resistenza alla corrosione simile a quella dei gradi austenitici standard.
Questo li rende appropriati per impieghi nella maggior parte degli ambienti
onshore. Quattro gradi "lean" sono stati aggiunti nell’amendment alla EN 1993-1-4
del 2015 e quindi sono diventati maggiormente disponibili sul mercato.
Acciai inossidabili ferritici
I due gradi ferritici
“standard” adatti all’impiego strutturale e abbastanza
facilmente reperibili, sono l’1.4003 (un ferritico base con l’11 % circa di cromo) e
l’1.4016 (che contiene il 16,5 % circa di cromo ed ha resistenza a corrosione
superiore a quella del 1.4003). La saldatura riduce sostanzialmente la resistenza a
corrosione e la tenacità del grado 1.4016.
I gradi austenitici moderni stabilizzati, come ad esempio il 1.4509 e il 1.4521,
contengono elementi di lega aggiuntivi come il niobio e il titanio, che innalzano
notevolmente la saldabilità e la formabilità. Il grado 1.4521 contiene il 2 % di
molibdeno che innalza la resistenza alla corrosione interstiziale e pitting in
ambienti con cloruri (ha una resistenza a corrosione simile a quella dell’1.4401). Il
grado 1.4621 è un ferritico di recente sviluppo che contiene il 20 % circa di cromo,
con una maggiore propensione alla lucidatura in confronto ai 1.4509 e 1.4521.
1.3
Applicazioni degli acciai inossidabili
nell’industria delle costruzioni
Gli acciai inossidabili sono stati impiegati nelle costruzioni fin dalla loro
invenzione avvenuta cento anni fa. I prodotti in acciaio inossidabile hanno qualità
estetiche e di resistenza alla corrosione, basso impegno per la loro manutenzione e
buona resistenza meccanica, tenacità e resistenza a fatica. L’acciaio inossidabile
può essere lavorato e assemblato mediante un ampio range di processi e tecniche
ed è completamente riciclabile alla fine della vita in servizio. Sono i materiali da
scegliere per applicazioni in ambienti aggressivi compresi fabbricati e strutture in
ambienti costieri esposti a sali anti-gelo e in luoghi inquinati.
L’alta duttilità dell’acciaio inossidabile q una proprietà molto utile in applicazioni
sismiche dato che consente una maggiore dissipazione dell’energia sismica; le
applicazioni sismiche comunque sono al di fuori dell’ambito del Manuale.
Applicazioni tipiche per i gradi austenitici e duplex comprendono:
5
Travi, colonne, piattaforme e supporti negli impianti per il trattamento delle
acque, nell’industria della carta, nucleare, delle biomasse, nell'industria
chimica, farmaceutica e alimentare
Travi e colonne portanti, perni, barriere, binari, rivestimenti per cavi e giunti
di espansione nei ponti
Dighe, pile di ponti e altre strutture costiere
Barre di rinforzo delle strutture in calcestruzzo
Strutture di supporto per le facciate, coperture, rivestimenti dei tunnel
Barriere di sicurezza, corrimano, arredo urbano
Elementi per il collegamento, sistemi di ancoraggio anche per strutture in
legno, roccia e muratura
Elementi strutturali e di collegamento per piscine coperte
(particolari
precauzioni vanno prese in questo tipo di ambiente nel quale l’acciaio è
suscettibile di tensocorrosione (Stress Corrosion Cracking, SCC) specialmente
laddove si forma condensa (cfr. 3.5.3)
Strutture resistenti a esplosione o impatto come muri di sicurezza, cancelli e
barriere stradali
Pareti tagliafuoco e resistenti alle esplosioni, scale e passerelle in piattaforme
offshore
I gradi ferritici sono utilizzati per rivestimenti e coperture di edifici. Nel settore del
trasporto sono usati come elementi portanti nei telai degli autobus per esempio.
Sono stati a lungo utilizzati nei vagoni per il trasporto del carbone, per i quali è
importante la resistenza allo strisciamento ad umido. Sebbene attualmente non
siano molto usati nelle costruzioni, rappresentano un’alternativa interessante per
applicazioni dove conti la resistenza meccanica e l’estetica, in ambienti
moderatamente aggressivi. Per strutture composite dove sia richiesta una lunga
durata in servizio o dove l’ambiente sia moderatamente aggressivo, la soluzione
con strutture ferritiche può rappresentare un’alternativa economica all’acciaio
zincato, il quale difficilmente resisterebbe in servizio per un periodo superiore ai 25
anni. Altre applicazioni potenzialmente adatte agli acciai ferritici in sostituzione
all’acciaio zincato comprendono casseforme permanenti, arcarecci per coperture e
passerelle portacavi. Gli acciai ferritici possono essere utilizzati vantaggiosamente
anche in ambienti semichiusi e non riscaldati (ad esempio in capannoni ferroviari,
per fiere, etc.) e per i sistemi di supporto dei rivestimenti di facciata, delle murature
e dei controventi.
1.4
Campo di applicazione
Le raccomandazioni riportate nel Manuale valgono per specifici gradi di acciai
inossidabili impiegati nelle strutture. Servono principalmente per il progetto di
elementi e di componenti strutturali secondari per edifici, installazioni offshore e
analoghe. Non devono utilizzarsi per strutture particolari, tipo quelle per gli
impianti nucleari e recipienti in pressione per i quali già esistono norme specifiche
per l’impiego dell’acciaio inossidabile.
Le raccomandazioni riportate nel Manuale trattano le proprietà del materiale, il
dimensionamento di elementi strutturali formati a freddo, saldati e laminati e le
loro connessioni. Sono applicabili ai gradi austenitici, duplex e ferritici ottenuti per
laminazione, ma non come getti, in quanto le proprietà dei getti possono essere
differenti da quelle dei prodotti laminati (ad esempio i getti di acciaio inossidabile
austenitico possono essere leggermente magnetici).
6
Le raccomandazioni riportate nel Manuale, se non diversamente specificato, sono
state formulate utilizzando la filosofia di progetto agli stati limite in linea con
l’Eurocodice 3 Parte 1-4: Progetto di strutture in acciaio - Regole supplementari
per l’acciaio inossidabile (EN 1993-1-4).
1.5
Simboli
In generale i simboli usati in questo Manuale sono gli
stessi usati nell’
Eurocodice 3, EN 1993-1-1,
Progetto di strutture in acciaio,
Parte 1.1,
Norme
generali.
Dimensioni e assi delle sezioni sono illustrati in Figura 1.1.
Lettere latine maiuscole
modulo di elasticità, effetto delle azioni
Azione, forza
ܩ Modulo di elasticità tangenziale
momento d’inerzia
Lunghezza, campata
momento flettente
ܰ Forza assiale
Resistenza
Azione di taglio
ܹ modulo di resistenza
Lettere greche maiuscole
Differenza in…. (precede il simbolo principale)
Lettere latine minuscole
Distanza tra elementi di rinforzo; altezza della sezione di gola dei cordoni
di saldatura
Larghezza, ampiezza
Distanza; sporgenza
Diametro; profondità
Eccentricità; spostamento dell’asse neutro, distanza dal bordo; distanza
dall’estremità
Resistenza di un materiale
Gap
Altezza
݅
Raggio giratore; numero intero
Coefficiente; fattore
Lunghezza libera d’inflessione
Costante
݊ Numero di ...
Passo; interasse
7
Carico distribuito
Raggio; raggio di raccordo
Passo sfalsato
Spessore
-
Asse maggiore
-
Asse minore
Deformazione per schiacciamento
-
,
-
, ݖ-ݖ assi ortogonali
Lettere greche minuscole
(alpha) Rapporto; fattore
(beta) Rapporto; fattore
(gamma) Coefficiente parziale di sicurezza
(epsilon) Deformazione; Coefficiente
ɂ
(lambda) Rapporto di snellea (se barrato è “adimensionale”)
(rho) Fattore di riduzione
(sigma) Tensione normale
W
(tau) Tensione tangenziale
(phi) Rapporto
(chi) Fattore di riduzione (per instabilità)
(psi) Rapporto tra le tensioni; Fattore di riduzione
Indici
a
Valore medio
b
Portanza, Instabilità, Bullone
Sezione trasversale
r
Critico
d
Valore di Progetto
Eulero; Forza o momento interno
e
Effettivo
e
Efficace (con ulteriori indici)
el
Elastico
Flangia
Valore lordo
i
Indici (in sostituzione di valori numerici)
Valore Caratteristico
Flesso-torsionale
(riferito a) momento flettente
8
(riferito a) forza assiale
net
Valore netto
o
Iniziale
Proof
l
Plastico
Resistenza
r
Valore ridotto
momento Secante
s
Area Sollecitata trazione; irrigidimento
t
Tensione; trazione; torsione
Asse principale maggiore della sezione trasversale; valore ultimo
(riferito a) azione di taglio
Taglio, asse principale minore della sezione trasversale
Anima ; saldatura; ingobbamento
Asse lungo la membratura
Snervamento (proporzionale); asse della sezione trasversale (asse
maggiore salvo che per sezioni non simmetriche)
Asse della sezione trasversale (asse minore salvo che per sezioni non
simmetriche)
Tensione normale
W
Tensione tangenziale.
1.6
Convenzione per gli assi delle membrature
In generale la convenzione per gli assi delle membrature è la seguente:
Secondo la lunghezza della membratura
-
Asse della sezione trasversale perpendicolare all’anima,
o all’ala maggiore per sezioni angolari;
ݖ-ݖ
Asse della sezione trasversale parallelo all’anima, o
all’ala maggiore per sezioni in angolari.
L'asse
rappresenta normalmente l'asse maggiore della sezione, e quello
ݖ-ݖ
il
minore. Per sezioni angolari non simmetriche gli assi maggiore e minore (
- e
-
) sono inclinati rispetto agli assi
e ݖ-ݖ (Figura 1.1).
La convenzione utilizzata per gli indici che indicano gli assi per i momenti, è la
seguente:
"Si usa l'asse intorno al quale il momento agisce".
Per esempio, per una sezione ad I il momento flettente agente nel piano dell’anima
è definito
perché agisce attorno all'asse della sezione trasversale perpendicolare
all’anima.
9
1.7
Unità di misura
Si consiglia si usare nei calcoli le seguenti unità di misura:
Forze e carichi kN, kN/m, kN/m2
Massa specifica kg/m3
Peso specifico kN/m3
Tensioni e resistenze N/mm2 (= MN/m2 o MPa)
Momento flettente kNm
Si tenga presente che, secondo la pratica europea il simbolo “,” q utilizzato per
separare la parte intera da quella decimale di un numero.
Figura 1.1
Dimensioni ed assi delle sezioni
10
2
PROPRIETA’ DEGLI ACCIAI
INOSSIDABILI
2.1
Legame sforzo-deformazione
Il legame sforzo-deformazione degli acciai inossidabili differisce per numerosi
aspetti da quello degli acciai al carbonio. La differenza più importante è quella
della forma della curva sforzo-deformazione. Mentre gli acciai al carbonio
mostrano un comportamento elastico lineare fino al limite di snervamento e una
curva piatta prima di giungere all'incrudimento, l'acciaio inossidabile presenta un
andamento più arrotondato con un limite di snervamento non ben definito. In
Figura
2.1 è mostrato un confronto qualitativo tra le curve per valori di
deformazione fino al 0,75 %, mentre in Figura 2.2 il confronto viene riportato fino
a rottura. Queste figure, seppur riportando curve rappresentative dei materiali
trattati nel Manuale, hanno il solo scopo di illustrare qualitativamente le differenze
tra acciaio inossidabile ed acciaio al carbonio e non devono essere utilizzate come
base per il progetto di strutture.
Pertanto, il "limite" di snervamento dell'acciaio inossidabile è generalmente
indicato come la tensione che dà luogo ad uno scostamento dalla linea di
proporzionalità dello 0,2% durante la prova di trazione. La Figura 2.3 definisce
questo valore, anche detto limite di snervamento allo
0,2 %. Il limite di
proporzionalità per gli acciai inossidabili si attesta tra il 40 ed il 70% del limite di
snervamento allo 0,2 %.
Si nota che gli acciai ferritici mostrano un andamento intermedio tra quello degli
acciai austenitici e quello degli acciai al carbonio, in quanto il legame sforzo-
deformazione è meno arrotondato rispetto a quello dei primi e non completamente
lineare come quello dei secondi.
Gli acciai inossidabili possono assorbire urti considerevoli senza fratturarsi, a causa
della loro eccellente duttilità
(specialmente i gradi austenitici) e delle loro
caratteristiche d’incrudimento.
11
Figura 2.1
Legame sforzo-deformazione per acciai inossidabili e acciaio
al carbonio nel range di deformazione da 0 a 0,75 %
Figura 2.2
Legame sforzo-deformazione a rottura per acciai inossidabili
e acciaio al carbonio
12
Figura 2.3
Definizione del limite di snervamento allo 0,2 %.
2.2
Fattori
che influiscono sul legame
sforzo/deformazione
Rispetto all’acciaio al carbonio la metallurgia degli acciai inossidabili q più
complessa ed il processo di produzione ha maggiore impatto sulle proprietà finali
del prodotto.
Esistono alcuni fattori che possono variare l’andamento della curva
sforzo/deformazione per ogni grado di acciaio inossidabile. Questi fattori, che
possono essere tra loro dipendenti, riguardano:
2.2.1 Lavorazione a freddo
L’acciaio inossidabile generalmente è disponibile allo stato ricotto, nel qual caso è
stato applicato sul prodotto un trattamento termico di riscaldo, mantenimento in
temperatura per un certo lasso di tempo e rapido raffreddamento. La ricottura
riporta il materiale in condizioni vergini e ne migliora la lavorabilità.
Il grado di resistenza degli acciai inossidabili, specialmente per i gradi austenitici, è
migliorato dalla lavorazione a freddo (come quella che si ha durante le operazioni
di laminazione a freddo, comprese la spianatura e anche durante le normali
lavorazioni come l’imbutitura). Associata a questo miglioramento, si riscontra una
diminuzione della duttilità, che in genere non comporta conseguenze negative, dato
l'elevato valore della duttilità soprattutto per gli acciai inossidabili austenitici. É
possibile acquistare il materiale in condizioni incrudite (cfr. Tabella 2.3). Il prezzo
13