MANUALE DI PROGETTAZIONE PER STRUTTURE IN ACCIAIO INOSSIDABILE. QUARTA EDIZIONE (2017) - 10
6.5
Membrature soggette alla combinazione di
carichi assiali e momenti flettenti
6.5.1 Trazione e flessione
Membrature soggette a trazione e flessione devono essere verificate all’instabilità
flesso-torsionale, secondo
6.4.2 sotto l’effetto del solo momento. Esse devono
inoltre essere verificate sotto gli effetti combinati di carico assiale e momento nei
punti di massimo momento flettente e carico assiale. Deve essere soddisfatta la
seguente relazione:
ܰ d
d
d
(6.55)
ܰ d
d
d
dove:
ܰ d è il carico assiale di progetto agente nella posizione critica della
membratura
ܰ d q la resistenza di progetto dell’elemento in trazione
d
q il momento di progetto rispetto all’asse principale agente nella sezione
critica
d
q il momento di progetto rispetto all’asse secondario agente nella sezione
critica
d
q il momento resistente rispetto all’asse principale in assenza di carico
assiale e tenendo conto di ogni riduzione dovuta all’azione del taglio
(cfr. 5.7.4)
d q il momento resistente rispetto all’asse secondario in assenza di carico
assiale e tenendo conto di ogni riduzione dovuta all’azione del taglio
(cfr. 5.7.4).
6.5.2 Compressione e flessione
Oltre a rispettare i requisiti di resistenza delle sezioni trasversali (cfr. 5.7.6) in ogni
punto della lunghezza dell'elemento e i requisiti di resistenza per le membrature nel
loro comportamento globale (cfr. 6.4), si devono considerare gli effetti dovuti alla
presenza contemporanea di sforzi di compressione e momenti flettenti.
Compressione assiale e momento secondo l'asse maggiore:
Per evitare lo svergolamento da instabilità rispetto all'asse maggiore, deve essere:
ܰ d
ԝԝ
ܰ ԝ
(6.56)
(ܰb
d)
୧
ܹ୮
ԝ
Per evitare lo svergolamento da instabilità rispetto all'asse minore (per elementi
soggetti ad instabilità flesso-torsionale) deve essere:
ܰ d
ԝԝ
ܰ ԝ
(6.57)
(ܰb
d)
୧
Compressione assiale e momento secondo l'asse minore:
Per evitare lo svergolamento rispetto all'asse minore, deve essere:
84
ԝԝ
ܰ d
ܰ ԝ
௭
(6.58)
(ܰb
d)
୧
ܹ୮
ԝ
Compressione assiale e momento secondo entrambi gli assi:
Tutti gli elementi devono soddisfare la condizione:
ܰ d
d
ܰ dԝ
ܰ ԝ
௭
(6.59)
(ܰb
ܹ
d)
୧
l
ԝ
ܹ୮
ԝ
Gli elementi potenzialmente soggetti ad instabilità flesso-torsionale devono inoltre
soddisfare la condizione:
ܰ d
ܰ ԝ
ܰ ԝ
௭
(6.60)
(ܰb
d)
୧
ܹ୮
ԝ
Nelle precedenti equazioni s’intende:
e
è lo spostamento che subisce l’asse neutro nel calcolo della sezione
efficace per compressione uniforme
ܰ d,
d and
sono i valori di progetto rispettivamente del carico di
compressione e dei momenti massimi rispetto agli assi
- e ݖ- ݖ agenti
sull'elemento
(ܰb
d)
୧
è il più piccolo valore di
ܰb
d per i seguenti quattro modi di
instabilità: flessionale rispetto all’asse
, flessionale rispetto all’asse
ݖ,
torsionale e flesso-torsionale (cfr. 6.3.3 e 6.3.4)
(ܰb
è il più piccolo valore di
ܰb
d)
୧
d per i seguenti tre modi di instabilità:
flessionale rispetto all’asse
ݖ, torsionale e flesso-torsionale (cfr. 6.3.3 e
6.3.4)
e
sono i valori di
determinati per gli assi
e ݖ rispettivamente, in
cui
= 1 per sezioni trasversali di Classe 1 o 2
=
ܹ
ܹ୮
per sezioni trasversali di Classe 3
=
ܹ
ܹ୮
per sezioni trasversali di Classe 4
ܹ୮ e ܹ୮ sono i moduli di plasticità per gli assi
e ݖ rispettivamente
q la resistenza di progetto all’instabilità flesso-torsionale (cfr. 6.4.2)
I fattori di interazione
,
e
per sezioni aperte possono essere calcolati come
segue:
ܰ d
(
െ
)
ma
ܰEd
(6.61)
y
ܰb d
ܰb,Rd,y
ܰEd
௭
(
െ
)
ma
z
ܰEd
(6.62)
(ܰb,Rd)
୧
(ܰb,Rd)
୧
85
I fattori di interazione
e
per sezioni cave rettangolari e circolari possono
essere calcolati come segue:
ܰ
ܰ
െ
(
െ
)
(6.63)
ܰ
ܰ
ܰ
ܰ
(
െ
)
௭
௭
െ
(6.64)
ܰ
ܰ
୧
୧
Dove i valori da adottare per
,
e
sono riportati in Tabella 6.6.
Tabella 6.6
Valori per
,
e
Sezione
Grado di
trasversale
acciaio
Ferritico
1,3
0,45
1,6
Sezioni
Austenitico
2,0
0,30
1,3
rettangolari cave
Duplex
1,5
0,40
1,4
Ferritico
1,9
0,35
1,3
Sezioni circolari
Austenitico
2,5
0,30
1,3
cave
Duplex
2,0
0,38
1,3
Attualmente la EN 1993-1-4:2015 riporta solo le formule (6.61) e (6.62). Dato
che queste equazioni hanno mostrato di essere molto conservative è probabile che
nella prossima revisione la EN 1993-1-4 verrà aggiornata aggiungendo anche le
formule (6.63) e (6.64).
Gli Allegati Nazionali potrebbero indicare formule di interazione alternative a
quelle qui riportate.
Negli angolari, gli assi
e ݖ delle precedenti espressioni devono essere presi
rispettivamente come assi u e v.
86
7
PROGETTO DEI COLLEGAMENTI
7.1
Raccomandazioni generali
7.1.1 Durabilità
La progettazione dei collegamenti richiede speciali attenzioni al fine di preservare
il più possibile le proprietà anti-corrosione. Ciò è particolarmente vero per giunti,
che possono inumidirsi in caso di maltempo, spruzzi, immersione, formazione di
condense, ecc. E’ necessario considerare con attenzione la possibilità di collocare i
giunti lontano da fonti di umidità al fine di evitare o ridurre i problemi di
corrosione connessi. In alternativa, può essere possibile eliminare le fonti di
umidità; ad es., con adeguata ventilazione, nel caso di condense o accertando che la
temperatura ambiente all'interno della struttura sia sempre superiore al punto di
condensazione.
Quando non q possibile evitare l’umidità per un collegamento fra acciaio
inossidabile ed acciaio al carbonio, bisogna impedire la corrosione galvanica,
cfr. 3.2.3. Deve sempre essere evitato l'uso di bulloni in acciaio al carbonio per il
collegamento di elementi strutturali in acciaio inossidabile. Nei giunti bullonati, per
i quali è prevedibile un livello di corrosione inaccettabile, devono essere
assolutamente adottate misure per isolare elettricamente gli elementi in acciaio al
carbonio da quelli in acciaio inossidabile. Ciò implica l'adozione di rondelle e
possibilmente di elementi isolanti; alcuni elementi tipici sono mostrati in Figura 7.1
per connessioni bullonate serrate senza controllo del momento. Gli elementi
isolanti, comprese le rondelle, devono essere realizzati con materiali
termoindurenti come ad esempio il neoprene (gomma sintetica), che è un materiale
sufficientemente flessibile da permettere il corretto serraggio della connessione e
abbastanza duraturo da assicurare il necessario isolamento tra i metalli per la durata
in servizio. La sigillatura dei giunti q importante per prevenire l’infiltrazione
dell’umidità che può causare corrosione interstiziale. Nell’inserimento di rondelle
isolanti bisogna far attenzione a non creare degli interstizi pericolosi dal punto di
vista della corrosione. In condizioni atmosferiche con esposizione ai cloruri un
accorgimento per evitare la corrosione interstiziale è quello di inserire la rondella
isolante direttamente sotto la testa del bullone o di sigillare l’area con silicone
trasparente.
Vite e dado
in acciaio inossidabile
Rondella isolante
Rondella in
acciaio inossidabile
Guarnizione
Lamiera in
isolante
acciaio al carbonio
Lamiera in
Bussola isolante
acciaio inossidabile
Figura 7.1
Particolare di un giunto bullonato tra due materiali metallici
diversi (contro la corrosione galvanica)
87
In caso di saldature di parti di acciaio al carbonio con altre in inossidabile,
generalmente è consigliabile che ogni tipo di verniciatura dell'acciaio al carbonio
sia estesa al cordone di saldatura e copra l'acciaio inossidabile per una distanza pari
a circa 75 mm.
Occorre dedicare particolare cura alla scelta dei materiali in relazione all’ambiente,
onde evitare la corrosione interstiziale nei giunti imbullonati (vedi 3.2.2).
7.1.2 Presupposti per la progettazione
I giunti possono essere progettati distribuendo in maniera realistica forze e
momenti interni, tenuto conto della rigidezza relativa degli elementi da connettere.
Gli sforzi interni ed i momenti devono equilibrare le forze ed i momenti applicati.
Ogni elemento considerato, per sopportare il carico presunto, deve essere in grado
di resistere alle forze assunte nell'analisi e produrre deformazioni in accordo con la
deformabilità dell’elemento.
7.1.3 Intersezioni e giunti assiali
La giunzione tra elementi strutturali deve essere realizzata in maniera che gli assi
neutri degli elementi s’intersechino. Laddove non q possibile evitare l’eccentricità
degli assi, il collegamento deve essere dimensionato in maniera tale da sopportare i
momenti ad essa associati. Nei giunti con squadrette o flange collegate con almeno
due viti per parte, la linea di posizionamento dei bulloni può essere sostituita
dall’asse baricentrico allo scopo di determinare l’intersezione del giunto.
Piastre d’anima di collegamento trave-trave devono essere posizionate il più
possibile vicino a sezioni a momento flettente nullo. Nelle piastre d’anima di
collegamento colonna-colonna bisogna tenere in considerazione la possibilità di
formazione di momenti per effetto P- .
7.1.4 Ulteriori considerazioni generali
Se un giunto è soggetto ad urti, vibrazioni o a frequenti cambiamenti di segno degli
sforzi significativi, è preferibile realizzarlo per saldatura. I giunti così sollecitati
devono anche essere verificati a fatica (cfr. 9).
La facilità di fabbricazione e di montaggio sono aspetti da considerare nella
progettazione di giunti e collegamenti di testa. Occorre prestare attenzione:
all'uso di particolari standardizzati
alle tolleranze necessarie per un montaggio in condizioni di sicurezza
alle tolleranze di serraggio dei bulloni
alle necessità di accesso per eseguire saldature
ai requisiti dei procedimenti di saldatura
agli effetti delle tolleranze angolari e di lunghezza per il montaggio.
Deve osservarsi che le distorsioni causate da saldature si manifestano
maggiormente negli acciai inossidabili austenitici rispetto a quelli al carbonio
(cfr. 11.6.4). Deve, inoltre, essere dedicata attenzione alle successive esigenze
d'ispezione e manutenzione.
88
7.2
Giunti bullonati
7.2.1 Generalità
Le raccomandazioni di questo Paragrafo si applicano a giunti con bulloni in fori
passanti entro le tolleranze, sollecitati a taglio, trazione o a sollecitazione
combinata di taglio e trazione. Si applicano a bulloni appartenenti alle classi 50, 70
e 80. La resistenza di connessioni bullonate di classe 100 deve essere verificata
mediante prove sperimentali. E' buona pratica usare rondelle sotto la testa della vite
e sotto il dado. Indicazioni sui materiali più adatti per bulloni e dadi figurano in 2.3
e 11.7.
Gli sforzi di taglio sono trasferiti ai bulloni ed agli elementi connessi. Non viene
fornita alcuna raccomandazione per giunti dove il taglio si trasferisce mediante
resistenze di attrito (cfr. 7.2.2).
La resistenza di un giunto deve assumersi come la minore tra la resistenza delle
parti connesse (cfr. 7.2.3) e quella degli elementi di collegamento (cfr. 7.2.4).
Per limitare le deformazioni irreversibili sui giunti bullonati, gli sforzi sui bulloni e
sulle sezioni trasversali nette ai fori dei bulloni, per effetto delle combinazioni di
carico caratteristiche, devono avere come limite il valore della resistenza allo
snervamento.
7.2.2 Bulloni precaricati
L’utilizzo di bulloni precaricati in acciaio inossidabile q stato limitato in passato a
causa di scarsa esperienza sul comportamento specialmente per quanto riguarda:
il metodo più adatto di applicazione del precarico, specialmente rispetto alla
necessità di evitare il grippaggio,
l’impatto delle caratteristiche di rilassamento dell’acciaio inossidabile sul
comportamento nel tempo dei bulloni precaricati,
i coefficienti di attrito tra le superfici di acciaio inossidabile a contatto.
Nel progetto RFCS SIROCO, in corso al momento della pubblicazione della
Quarta Edizione del Manuale, si studiano le performance delle connessioni
bullonate precaricate in acciaio inossidabile. Un esteso programma di attività
sperimentali ha mostrato i seguenti risultati:
I bulloni in acciaio inossidabile austenitico e duplex possono essere precaricati
in maniera soddisfacente sempreché siano giustamente selezionati: grado
dell’acciaio, metodo di serraggio e tipo di lubrificante
La perdita di precarico nel tempo che si osserva nelle connessioni in acciaio
inossidabile q comparabile a quella nota per l’acciaio al carbonio
I coefficienti di attrito misurati tra superfici di acciaio inossidabile sabbiate
sono almeno equivalenti a quelli delle superfici di Classe B (0,4).
Le raccomandazioni finali dal progetto SIROCO verranno rese disponibili presso
l’EU
Bookshop
publications/publications nel corso del
2018 e probabilmente verranno inserite
nella prossima revisione della EN 1993-1-4 e EN 1090-2. Ulteriori test e verifiche
sono comunque auspicabili per confermare i risultati finora ottenuti.
89
7.2.3 Parti connesse
Fori
I fori possono essere eseguiti mediante trapanatura o punzonatura. Tuttavia,
l’incrudimento associato alla punzonatura può aumentare la sensibilità alla
corrosione e, pertanto, i fori punzonati sono meno adatti in ambienti aggressivi (es.
ambienti industriali o marini).
I massimi giochi per i fori standard sono i seguenti:
1 mm per bulloni M12 e M14 (M14 non è una dimensione standard)
2 mm per bulloni da M16 a M24
3 mm per bulloni M27 e maggiori.
Posizione dei fori
La distanza dal bordo è definita come la distanza dal centro di un foro al bordo
adiacente della parte da collegare perpendicolarmente alla direzione del carico; la
distanza dall’estremità q definita similmente ma nella direzione in cui la giunzione
lavora.
Il valore minimo della distanza dall’estremità,
, o quello della distanza dal bordo,
,
(Figura 7.2) deve essere preso pari a
, dove
il diametro del foro del
bullone. Da notare che può essere necessaria una distanza dall’estremità maggiore
di questa per fornire una adeguate resistenza portante come di seguito precisato.
Il massimo valore della distanza dal bordo o della distanza dall’estremità deve
essere limitato a
mm, dove è lo spessore (in mm) dello strato esterno
più sottile.
L’interasse minimo tra i centri dei fori nella direzione del carico,
, è
(Figura
7.2). La corrispondente distanza minima ortogonale alla direzione di
carico,
, è
La distanza massima dei bulloni in ogni direzione deve essere tale che l’instabilità
locale a compressione degli elementi sovrapposti sia evitata, vedere la EN 1993-1-
8.
p
1
e
1
e
2
p2
Direzione
di trasferimento
del carico
Figura 7.2
Simboli per la definizione della posizione dei fori
90
Per file di fori sfalsati, si può usare una spaziatura minima tra le file
se
la distanza minima tra due qualsiasi bulloni in una fila sfalsata è
, (Figura
7.2).
Resistenza a rifollamento
Il calcolo della capacità portante di una connessione bullonata in acciaio
inossidabile deve tenere in considerazione sia le esigenze legate alla resistenza che
quelle legate alla deformazione. La resistenza di progetto di una connessione
bullonata suscettibile al collasso per rifollamento
b d
è data da:
(7.1)
dove:
è il coefficiente di rifollamento nella direzione di trasferimento del carico
è il coefficiente di rifollamento nella direzione perpendicolare a quella di
trasferimento del carico
d
è il diametro della vite
t
q lo spessore dell’elemento da collegare
è la resistenza ultima caratteristica degli elementi da collegare (Tabella
2.2).
Le connessioni bullonate sono classificate a seconda dello spessore delle parti da
collegare. Le connessioni spesse sono quelle in cui le parti da collegare hanno
spessori maggiori di 4 mm, mentre le connessioni sottili sono quelle in cui le parti
da collegare hanno spessori minori o uguali a 4 mm.
Coefficiente di rifollamento nelle connessioni spesse
Per le connessioni tra piastre spesse, quando la deformazione non è un fattore
critico, il coefficiente di portata
nella direzione di trasferimento del carico si
determina tramite l’equazione (7.2), invece il coefficiente di portata
in direzione
perpendicolare a quella di trasferimento del carico si determina tramite la (7.3).
min
(7.2)
or
(7.3)
or
Per le connessioni tra piastre spesse, quando la deformazione è un fattore critico, il
coefficiente di portata
si determina tramite la (7.4) e
min
(7.4)
91
Coefficiente di rifollamento nelle connessioni sottili
Per le connessioni tra piastre sottili, quando la deformazione non è un fattore
critico, i coefficienti di portata
e
per la lamiera interna in un collegamento
con due piani di taglio, si determinano tramite le (7.2) e (7.3) definite per i
collegamenti spessi.
Per le connessioni tra piastre sottili, quando la deformazione non è un fattore
critico, per una connessione con singolo piano di taglio e per la lamiera esterna di
una connessione a doppio piano di taglio, il coefficiente di portata
si determina
tramite la (7.4) e
=0,64.
Per le connessioni tra piastre sottili, quando la deformazione è un fattore critico, il
coefficiente di portata
si determina tramite la (7.4) e
È probabile che nella prossima revisione della EN 1993-1-4, saranno introdotte
queste formule per il calcolo della resistenza a rifollamento utilizzando in
sostituzione di
un valore ridotto per la resistenza ultima
red dato da:
red
(7.5)
La resistenza di un gruppo di bulloni può determinarsi come somma delle
resistenze portanti,
b d
o dei singoli bulloni, purché la resistenza al taglio di
progetto di ogni singolo bullone,
d sia maggiore o eguale alla resistenza
portante di progetto,
b d. In caso contrario la resistenza di una serie di bulloni
deve essere determinata, impiegando la resistenza più bassa dei singoli bulloni
moltiplicata per il numero di bulloni.
Resistenza a trazione
La resistenza a trazione delle parti connesse è limitata dalla minore fra:
a) la resistenza plastica di progetto della sezione trasversale lorda
(7.6)
ܰ୮
ߛ
b) la resistenza ultima della sezione trasversale netta in corrispondenza dei fori
(7.7)
ܰ
i cui simboli sono stati definiti al paragrafo 5.7.2.
Se è richiesto un comportamento duttile, la resistenza plastica della sezione lorda
deve essere inferiore alla resistenza ultima della sezione trasversale netta. Requisiti
di duttilità e di capacità di rotazione sono presenti nella EN 1993-1-8. I requisiti
per la progettazione antisismica sono dati nella EN 1998.
Progettazione della resistenza allo strappo
Valgono le indicazioni di EN 1993-1-8.
Angolari connessi lungo un lato ed altri elementi in trazione connessi
asimmetricamente
L'eccentricità dei bulloni nei giunti di estremità e gli effetti degli spazi e delle
distanze dell'estremità dei bulloni devono essere tenute in considerazione nella
92
determinazione della resistenza di progetto di elementi asimmetrici, oltre che di
elementi simmetrici collegati in maniera asimmetrica, come gli angolari connessi
su di un solo lato.
Gli angolari connessi con un'unica fila di bulloni lungo un lato possono essere
considerati sollecitati in maniera concentrica; la resistenza ultima di progetto della
sezione netta può essere determinata come segue:
(
െ
)
Con 1 bullone:
ܰ
u
(7.8)
M2
net u
Con 2 bulloni:
(7.9)
ܰ
M2
net u
con 3 o più bulloni:
ܰ
(7.10)
ߛM2
dove:
e
i coefficienti di riduzione dipendenti dal passo
dati in Tabella 7.1.
Per valori intermedi di p1 il valore di
può essere determinato per
interpolazione lineare.
net
q l’area netta dell'angolare. Per un angolare a lati diversi collegato lungo
il suo lato più corto
net deve essere assunta uguale all'area della sezione
netta di un angolare equivalente a lati uguali con lunghezza del lato pari a
quella del lato più corto.
Tabella 7.1
Coefficienti di riduzione
e
Passo,
Tipo di connessione
Fattore
con 2 bulloni
0,4
0,7
con 3 o più bulloni
0,5
0,7
7.2.4 Elementi per il collegamento
Aree nette
L'area resistente della vite da usare nel calcolo quando i bulloni sono in trazione
deve essere assunta pari all’ area di trazione, definita nella normativa del prodotto.
Per bulloni soggetti a taglio, può essere usata l’area del gambo senza tenere conto
dell’alleggerimento delle filettatura, se si garantisce che la parte filettata sia al di
fuori del piano in cui agisce lo sforzo di taglio, anche considerando che i bulloni
possano essere inseriti da entrambi i versi. Se non si può garantire questa
condizione, si deve usare l'area resistente a trazione.
Resistenza al taglio
La resistenza al taglio della vite dipende dal numero dei piani di azione del taglio e
dalla loro posizione lungo il bullone stesso. Per ogni piano di applicazione del
taglio, la resistenza, in assenza di sollecitazioni di trazione, può essere stabilita
come segue:
93