MANUALE DI PROGETTAZIONE PER STRUTTURE IN ACCIAIO INOSSIDABILE. QUARTA EDIZIONE (2017) - 11
b
(7.11)
d
dove:
q l’area netta della vite (se il piano di taglio passa per una parte non
filettata del gambo) o l’area resistente a trazione (se il piano di taglio
passa per una parte filettata del gambo)
b è la resistenza ultima a trazione del bullone (Tabella 2.6).
Il valore di
può essere definito nel Documento Nazionale di Applicazione. Il
valore raccomandato è 0,6, che si applica sia se il piano di taglio passa per la
sezione filettata che non.
Nella EN 1993-1-4 c’q un errore nel valore da attribuire ad nel caso in cui il
piano di taglio passi per la porzione filettata. In particolare è riportato
ma probabilmente nella prossima versione della EN 1993-1-4 sarà aggiornato a
Resistenza a trazione
La resistenza a trazione di un bullone è data dalla
:
2 ub
s
(7.12)
ߛM2
dove:
2 = 0,63
per bulloni a testa conica, altrimenti
2 = 0,9.
Qualora si progettino bulloni per resistere ad uno sforzo di trazione, essi devono
essere proporzionati per resistere anche alla sollecitazione supplementare dovuta ad
effetti di leva, qualora questo possa avvenire. Le direttive per tener conto delle
forze di leva sono date in EN 1993-1-8.
Trazione e taglio combinati
Quando un bullone è contemporaneamente soggetto a sforzi di trazione, (compreso
l’effetto leva),
t,Ed, devono essere considerati gli effetti della loro interazione; ciò
si ottiene, applicando la relazione seguente:
v,Ed
t,Ed
(7.13)
v,Rd
t,Rd
Da notare che le forze esterne di progetto
(che includono anche il carico
supplementare dovuto ad azione di leva) devono anche essere minori delle
resistenze di progetto.
Giunti lunghi e grandi lunghezze di aderenza
Nei giunti particolarmente estesi (ossia con distanza tra primo ed ultimo bullone
oltre 500 mm o maggiore 15 volte il diametro dei bulloni), o quando la lunghezza
di aderenza (cioè lo spessore complessivo degli strati da unire) è superiore a 5 volte
il diametro dei bulloni, la resistenza al taglio deve essere ridotta. In mancanza di
dati per acciai inossidabili si consiglia di consultare la normativa per acciai al
carbonio nelle stesse condizioni, contenuta nella EN 1993-1-8.
94
7.3
Viti autofilettanti
Il progetto di connessioni con viti autofilettanti per lamiere di acciaio inossidabile
può seguire le indicazioni della EN 1993-1-3, con l’eccezione che la resistenza allo
sfilamento della vite dovrebbe essere determinata da opportune prove sperimentali.
Per evitare la rottura della vite o della sua filettatura e verificare la capacità della
vite di forare e filettare lamiere di acciaio inossidabile ci si deve riferire a opportuni
risultati sperimentali a meno che non sia già disponibile sufficiente esperienza.
7.4
Giunti saldati
7.4.1 Generalità
I cicli di riscaldo e raffreddamento cui il materiale è soggetto durante un processo
di saldatura ne modificano la microstruttura, questo aspetto è particolarmente
delicato negli acciai inossidabili e specialmente nei duplex. È fondamentale
adottare procedure ed elettrodi compatibili con la saldatura dell’acciaio
inossidabile e che i saldatori siano qualificati. Linee guida relative a questo aspetto
sono riportate nel Cap. 11.6. Per l’acciaio inossidabile l’adozione di procedure di
saldatura corrette e di elettrodi compatibili è tanto più importante in quanto può
avere conseguenze, oltre che sulla resistenza e aspetto della saldatura, anche sul
mantenimento della resistenza a corrosione nella saldatura e nelle zone circostanti.
Le seguenti raccomandazioni valgono per saldature a piena o parziale penetrazione
dei giunti di testa e per saldature d'angolo con procedimento di saldatura ad arco,
quali:
N° di
Nome del
processo
processo
111:
Saldatura ad arco con elettrodi rivestiti (saldatura manuale ad arco,
SMAW)
121
Saldatura ad arco sommerso con elettrodo a filo (SAW)
122:
Saldatura ad arco sommerso con elettrodo a piattina
131
Saldatura ad arco con elettrodo metallico in atmosfera di gas inerte
(MIG)
135
Saldatura ad arco con elettrodo metallico in atmosfera di gas attivo
(MAG)
137
Saldatura ad arco con elettrodo metallico a filo con flusso incorporato
141
Saldatura ad atmosfera inerte con elettrodo in tungsteno (TIG)
15
Saldatura ad arco a plasma (PAW).
I numeri di processo sono definiti nella EN ISO 4063.
Gli elettrodi devono essere compatibili col grado di acciaio inossidabile da saldare,
in maniera che le caratteristiche di resistenza compresa l’energia minima ottenuta
da prova Charpy-V siano almeno pari a quelle specificate per il materiale base. Per
gli acciai austenitici in condizione incrudita per lavorazione a freddo le
caratteristiche meccaniche del materiale di apporto possono essere inferiori a quelle
del materiale base in accordo a quanto specificato nel Cap. 7.4.4. La Tabella 7.2
riposta degli esempi di materiali d’apporto adatti ai gradi di acciaio inossidabile.
Per saldare l’acciaio inossidabile all’acciaio al carbonio bisogna utilizzare materiali
d’apporto alto-legati per assicurare la necessaria resistenza meccanica e resistenza
95
alla corrosione. Il materiale d’apporto alto legato impedisce l’impoverimento del
materiale base in corrispondenza della zona fusa dell’acciaio inossidabile. Prima di
saldare l’acciaio inossidabile all’acciaio zincato, la zincatura va rimossa dalla zona
da saldare. Le inclusioni di zinco possono causare infragilimento o riduzione della
resistenza a corrosione della saldatura, inoltre i fumi che si sprigionano saldando lo
strato di zinco sono molto pericolosi per la salute. Una volta che la zincatura sia
stata rimossa le precauzioni e gli accorgimenti da adottare sono gli stessi che per la
saldatura tra inossidabile ed acciaio al carbonio ordinario.
Tabella 7.2
Esempi di elettrodi adatti a saldare differenti gradi di acciaio
inossidabile
Materiale base
Elettrodi
Gruppi
Gradi
EN ISO 3581:2012
EN ISO 14343:2009
Materiali d'apporto per
Materiali di apporto per
saldatura - Elettrodi
saldatura - Fili e nastri
rivestiti per la saldatura
elettrodi, fili e bacchette
manuale ad arco di
per la saldatura ad arco
acciai inossidabili e
di acciai inossidabili e di
resistenti ad alta
acciai resistenti ad alta
temperatura -
temperatura -
Classificazione
Classificazione
1.4301, 1.4307, 1.4318
19 9 L
1.4541
19 9 L o 19 9 Nb
Austenitico
1.4401, 1.4404
19 12 3 L
1.4571
19 12 3 L o 19 12 3 Nb
1.4482, 1.4162,
23 7 N L o 22 9 3 N L
1.4362, 1.4062
Duplex
1.4062 (2202)
23 7 N L o 22 9 3 N L
1.4662, 1.4462
22 9 3 N L
1.4003
13 o 19 9 L
1.4016
19 9 L o 23 12 L
Ferritico
1.4509
19 9 Nb o 18 8 Mn
1.4521
19 12 3 L o 23 12 2L
Gli elettrodi austenitici hanno valore minimo di snervamento proporzionale allo 0,2 % di
circa 320-350 N/mm2 e resistenza a rottura di 510-550 N/mm2.
Gli elettrodi duplex hanno valore minimo di snervamento proporzionale allo 0,2 % di circa
450 N/mm2 e resistenza a rottura di 550 N/mm2.
I produttori di acciai inossidabili e di elettrodi possono essere di aiuto nella scelta
degli elettrodi più adatti. Il metallo del cordone di saldatura deve essere almeno
altrettanto nobile come il materiale base.
Saldature intermittenti ad angolo e saldature intermittenti di testa a parziale
penetrazione devono essere evitate in tutti gli ambienti, salvo in quelli meno
predisposti a dare problemi di corrosione. Inoltre le saldature di testa intermittenti
devono essere eseguite con particolare attenzione in ambienti litoranei o fortemente
inquinati, specie quando può aversi flusso indotto dalla tensione superficiale.
7.4.2 Saldature a cordoni d’angolo
Impieghi
Le saldature ad angolo si eseguono per collegare elementi, quando le facce di
fusione formano angoli da 60° a 120°. Per angoli inferiori a 60°, la saldatura ad
angolo può essere eseguita ma, ai fini progettuali, devono essere considerate come
96
saldature di testa a parziale penetrazione. Per angoli oltre 120°, questo tipo di
saldatura non è affidabile in termini di trasmissione di forze.
Una saldatura ad angolo non deve essere eseguita in condizioni che possono
originare un momento flettente rispetto all'asse longitudinale del cordone, nel caso
questo dia luogo a tensioni alla radice della saldatura.
Lunghezza efficace e dimensioni dello spessore di gola
Per la lunghezza efficace di una saldatura ad angolo si può prendere la lunghezza
totale del giunto. Tuttavia, saldature con lunghezza efficace inferiore a 40 mm o a
sei volte lo spessore di gola non sono affidabili per quanto riguarda la trasmissione
delle forze.
Per lo spessore di gola,
, di una saldatura ad angolo può essere presa l’altezza del
più grande triangolo iscritto
(non necessariamente a lati uguali), misurata
perpendicolarmente al lato più esterno del triangolo, vedi Figura 7.3. Si può inoltre
beneficiare dello spessore di gola aggiuntivo in una saldatura ad angolo a
penetrazione profonda, vedi Figura 7.4, soltanto se le qualifiche delle procedure di
saldatura dimostrano che la penetrazione richiesta può essere effettivamente
raggiunta.
Figura 7.3
Spessore di gola di una saldatura a cordoni d’angolo
Figura 7.4
Penetrazione in profondità di una saldatura a cordoni
d’angolo
97
Sollecitazione di progetto e resistenza al taglio di progetto
La sollecitazione di progetto si ottiene come somma vettoriale di tutte le forze e dei
momenti trasmessi dalla saldatura. Essa si calcola per la lunghezza efficace e per lo
spessore di gola (vedi sopra).
La resistenza di progetto di una saldatura a cordoni d’angolo q sufficiente se le
seguenti espressioni sono entrambe soddisfatte:
(
)
(7.14)
ߪ
ߛ
ͻ
u
(7.15)
ߪ
ߛ
dove:
ߪ
è la tensione normale, ortogonale alla sezione di gola
è la tensione di taglio (nel piano della sezione di gola), perpendicolare
all’asse della saldatura
q la tensione di taglio (nel piano della sezione di gola), parallela all’asse della
saldatura
è resistenza ultima a trazione della parte più debole tra quelle collegate
è presa pari a 1,0 per tutte le classi di resistenza nominale di acciaio
inossidabile, a meno che un valore più basso risulti giustificato da prove
sperimentali.
In alternativa per calcolare la resistenza di progetto di una saldatura a cordoni
d’angolo può essere usato il metodo semplificato riportato in EN 1993-1-8 al
paragrafo 4.5.3.3.
7.4.3 Saldature di testa
Saldature di testa a penetrazione completa
La resistenza di progetto di un giunto di testa a penetrazione completa deve essere
assunta uguale alla resistenza di progetto della più debole delle parti saldate,
purché la saldatura soddisfi le condizioni in 7.4.1.
Saldature di testa a parziale penetrazione
Le saldature di testa a parziale penetrazione possono essere eseguite per trasmettere
sforzi di taglio. Non sono consigliate, quando possono essere soggette a trazione.
La resistenza di un giunto di testa a parziale penetrazione può essere determinata
allo stesso modo delle saldature a cordoni d’angolo a penetrazione profonda. Lo
spessore di gola di un giunto di testa a parziale penetrazione può essere assunto
come la profondità di penetrazione effettivamente ottenuta durante le qualifiche
delle procedure di saldatura. Se queste prove non sono state effettuate, lo spessore
di gola può essere calcolato come la profondità di preparazione della saldatura,
diminuita di 3 mm.
7.4.4 Saldatura dell’acciaio inossidabile lavorato a freddo
In generale per gli acciai inossidabili incruditi per lavorazione a freddo si applicano
le stesse raccomandazioni valide per l'acciaio allo stato ricotto. Per quanto
98
riguarda la resistenza meccanica del materiale nella zona termicamente alterata
delle saldature a piena penetrazione bisogna considerare i valori relativi al
materiale allo stato ricotto.
Il materiale di apporto può avere resistenza nominale inferiore rispetto al materiale
base, nel qual caso la resistenza di progetto di una saldatura a cordoni d’angolo o a
piena penetrazione deve essere calcolata utilizzando la resistenza ultima nominale
del materiale d’apporto con
pari a 1,0 (Tabella 7.2).
In generale per saldare l’acciaio inossidabile incrudito q preferibile utilizzare
materiali d’apporto austenitici. Si possono usare anche materiali d’apporto duplex
sempreché le proprietà meccaniche del giunto siano confermate da prove
sperimentali.
Nei giunti saldati di materiali incruditi la ricottura della zona termicamente alterata
potrebbe essere incompleta, conseguentemente la resistenza meccanica potrebbe
essere maggiore di quella nominale del materiale ricotto. In queste situazioni è
possibile definire un livello di resistenza del giunto superiore sulla base di prove
sperimentali.
99
8
PROGETTO DI STRUTTURE
RESISTENTI AL FUOCO
8.1
Generalità
Questo capitolo si occupa di strutture in acciaio inossidabile, che, per rispetto della
sicurezza all’incendio, devono soddisfare determinate condizioni per evitare il
prematuro collasso in caso di esposizione alle fiamme. Le raccomandazioni
riguardano esclusivamente metodi passivi di protezione dall’incendio e valgono per
i gradi di acciai inossidabili e per le strutture progettate secondo le regole dei
capitoli da 4 a 7 di questo Manuale.
In genere, gli acciai inossidabili austenitici, quando sono esposti a temperature
superiori a 550°C circa, subiscono una minore riduzione dei livelli di resistenza
rispetto agli acciai al carbonio. Tutti gli acciai inossidabili nell’intervallo di
temperatura d’interesse tendono a conservare la loro rigidezza in maniera
proporzionalmente maggiore rispetto all’acciaio al carbonio.
La EN 1991-1-2 precisa le azioni termiche e meccaniche su strutture esposte al
fuoco. Il fuoco è indicato negli Eurocodici come un carico accidentale di progetto.
La EN 1990 indica le combinazioni delle azioni accidentali di progetto e consiglia
di assumere uguali a 1,0 i coefficienti parziali moltiplicatori delle azioni sopra
citate. La EN 1993-1-2 raccomanda che il coefficiente parziale di sicurezza del
materiale in caso di incendio
୧ sia posto uguale a 1,0.
I requisiti prestazionali di una struttura in acciaio inossidabile, soggetta a carico
accidentale d’incendio, non sono diversi da quelli previsti per strutture di acciaio al
carbonio, e precisamente:
Se il tipo di struttura richiede una certa resistenza in caso di incendio, la
struttura deve essere progettata e costruita in modo da conservare la sua
capacità portante durante l’esposizione alle fiamme;
Qualora il buon funzionamento delle protezioni antincendio o degli elementi
taglia-fuoco sia dipendente dalle deformazioni della struttura portante, devono
essere applicati criteri per il calcolo delle deformazioni causate dall’incendio.
Tuttavia, non è necessario considerare la deformazione della struttura portante,
se la resistenza al fuoco degli elementi taglia-fuoco si basa sulla curva
standard d’incendio
8.2
Proprietà meccaniche ad elevata temperatura
La EN 1993-1-2:2005 riporta otto set differenti di fattori di riduzione della
resistenza per gli otto diversi gradi di acciaio inossidabile considerati, mentre per
l’acciaio al carbonio riporta un solo set di fattori di riduzione della resistenza.
Questa differenza è giustificata dal fatto che il comportamento ad elevata
temperatura può variare notevolmente passando da un grado ad un altro a causa
della diversa composizione chimica. Nella prossima revisione della EN 1993-1-2
set di fattori di riduzione delle resistenza saranno definiti per gruppi di acciai
inossidabili con comportamento simile ad elevata temperatura, come riportato in
questa parte del Manuale.
La Tabella 8.1 precisa i valori dei fattori di riduzione di resistenza e rigidezza
(rispetto ai valori appropriati a 20°C) per 7 gruppi di acciaio inossidabile ad alta
100
temperatura. Questi fattori di riduzione sono necessari per stabilire la relazione
sforzo/deformazione ad elevate temperature e sono definiti come segue:
valore del carico unitario di scostamento dalla proporzionalità dello 0,2%
alla temperatura
, rispetto al valore di progetto a 20C, ossia:
=
(8.1)
valore del carico relativo al 2 % di deformazione totale alla temperatura
,
rispetto al valore di progetto a 20C, ossia:
ma
(8.2)
u,
valore della resistenza ultima alla temperatura
, rispetto alla resistenza
ultima a 20C, ossia.
(8.3)
,
valore della pendenza del tratto lineare elastico alla temperatura , rispetto
alla pendenza a 20C, ossia
(8.4)
ɂ
valore della deformazione a carico massimo alla temperatura , rispetto al
valore a 20C, ossia
(8.5)
ɂ
dove:
modulo di Young a 20°C (=200103 N/mm2)
resistenza caratteristica allo snervamento a 20°C definita in 0
resistenza ultima a trazione a 20°C, definita in 0.
Per il materiale in condizioni incrudite per lavorazione a freddo i seguenti fattori di
riduzione della resistenza possono essere usati:
୮
୮
୮
୮
ͻ
A tutte le temperatura
Il pedice CF si riferisce al materiale in condizione incrudita (Cold Formed).
Si noti che nel calcolo semplificato per la determinazione della resistenza al fuoco
riportato in 8.3, vanno utilizzate le seguenti caratteristiche di resistenza:
Pilastri
୮
,
(sezioni trasversali di tutte le Classi)
Travi vincolate
(sezioni trasversali di Classe 1, 2 o 3)
୮
(sezioni trasversali di Classe 4)
Travi non vincolate
(sezioni trasversali di tutte le Classi)
୮
Membrature a trazione
(sezioni trasversali di tutte le Classi)
101
Tabella 8.1
Fattori di riduzione della resistenza, rigidezza e allungamento
ad elevata temperatura
Temperatura
Fattore di
Fattore di
Fattore di
Fattore di
Fattore di
(°C)
riduzione
riduzione
riduzione
riduzione
riduzione
,
ɂ
,
Gruppo Austenitico I
1.4301, 1.4307, 1.4318
20
1,00
1,31
1,00
1,00
1,00
100
0,78
1,02
0,81
0,96
0,56
200
0,65
0,88
0,72
0,92
0,42
300
0,60
0,82
0,68
0,88
0,42
400
0,55
0,78
0,66
0,84
0,42
500
0,50
0,73
0,61
0,80
0,42
600
0,46
0,68
0,54
0,76
0,33
700
0,38
0,54
0,40
0,71
0,24
800
0,25
0,35
0,25
0,63
0,15
900
0,15
0,18
0,13
0,45
0,15
1000
0,07
0,08
0,08
0,20
0,20
1100
0,05
0,06
0,05
0,10
-
Gruppo Austenitico II
1.4401, 1.4404, 1.4541
20
1,00
1,19
1,00
1,00
1,00
100
0,86
1,13
0,87
0,96
0,56
200
0,72
0,98
0,80
0,92
0,42
300
0,67
0,92
0,78
0,88
0,42
400
0,62
0,85
0,77
0,84
0,42
500
0,60
0,82
0,74
0,80
0,42
600
0,56
0,75
0,67
0,76
0,33
700
0,50
0,68
0,51
0,71
0,24
800
0,41
0,50
0,34
0,63
0,15
900
0,22
0,26
0,19
0,45
0,15
1000
0,14
-
0,10
0,20
0,20
1100
0,07
-
0,07
0,10
-
Gruppo Austenitico III
1.4571
20
1,00
1,31
1,00
1,00
1,00
100
0,89
1,16
0,88
0,96
0,56
200
0,82
1,07
0,81
0,92
0,42
300
0,77
1,01
0,79
0,88
0,42
400
0,72
0,95
0,79
0,84
0,42
500
0,69
0,91
0,77
0,80
0,42
600
0,65
0,85
0,71
0,76
0,33
700
0,59
0,76
0,57
0,71
0,24
800
0,51
0,63
0,38
0,63
0,15
900
0,29
0,38
0,23
0,45
0,15
1000
0,15
0,18
0,10
0,20
0,20
Gruppo Duplex I
1.4362, 1.4062, 1.4482
20
1,00
1,15
1,00
1,00
1,00
100
0,83
0,94
0,94
0,96
1,00
200
0,75
0,82
0,87
0,92
1,00
300
0,69
0,77
0,79
0,88
1,00
400
0,58
0,70
0,70
0,84
1,00
500
0,43
0,59
0,59
0,80
1,00
600
0,27
0,45
0,47
0,76
1,00
700
0,14
0,28
0,33
0,71
0,80
800
0,07
0,14
0,20
0,63
0,60
900
0,04
0,05
0,09
0,45
0,40
102
Tabella 8.1 (continua) Fattori di riduzione della resistenza, rigidezza e
allungamento ad elevata temperatura
Temperatura
Fattore di
Fattore di
Fattore di
Fattore di
Fattore di
(°C)
riduzione
riduzione
riduzione
riduzione
riduzione
,
ɂ
,
Gruppo
Duplex II
1.4462, 1.4162, 1.4662
20
1,00
1,12
1,00
1,00
1,00
100
0,82
0,96
0,96
0,96
0,87
200
0,70
0,86
0,91
0,92
0,74
300
0,65
0,82
0,88
0,88
0,74
400
0,60
0,76
0,82
0,84
0,74
500
0,53
0,67
0,71
0,80
0,74
600
0,42
0,55
0,56
0,76
0,74
700
0,27
0,37
0,38
0,71
0,44
800
0,15
0,21
0,22
0,63
0,14
900
0,07
0,11
0,14
0,45
0,14
1000
0,01
0,03
0,06
0,20
0,14
Gruppo
Ferritico I
1.4509, 1.4521, 1.4621
20
1,00
1,12
1,00
1,00
1,00
100
0,88
1,01
0,93
0,98
1,00
200
0,83
0,99
0,91
0,95
1,00
300
0,78
0,92
0,88
0,92
1,00
400
0,73
0,90
0,82
0,86
0,75
500
0,66
0,86
0,78
0,81
0,75
600
0,53
0,71
0,64
0,75
0,75
700
0,39
0,48
0,41
0,54
0,75
800
0,10
0,13
0,11
0,33
0,75
900
0,04
0,04
0,03
0,21
0,75
1000
0,02
0,02
0,01
0,09
0,75
Gruppo
Ferritico II
1.4003, 1.4016
20
1,00
1,19
1,00
1,00
1,00
100
0,93
1,12
0,93
0,98
1,00
200
0,91
1,09
0,89
0,95
1,00
300
0,89
1,04
0,87
0,92
1,00
400
0,87
1,08
0,84
0,86
0,75
500
0,75
1,01
0,82
0,81
0,75
600
0,43
0,48
0,33
0,75
0,75
700
0,16
0,18
0,13
0,54
0,75
800
0,10
0,12
0,09
0,33
0,75
900
0,06
0,09
0,07
0,21
0,75
1000
0,04
0,06
0,05
0,09
0,75
8.3
Determinazione della resistenza al fuoco
delle strutture
La resistenza al fuoco di una struttura può essere determinata con uno dei tre
metodi seguenti:
metodo di calcolo semplificato applicato a tutti i singoli elementi;
metodi approfonditi di calcolo;
mediante prove dirette.
Il metodo di calcolo semplificato si fonda su presupposti cautelativi. I metodi di
calcolo approfonditi in fase di progetto tengono conto in modo realistico di principi
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