Le strutture in acciaio, parte 1

Lez. 16.03 Le costruzioni in acciaio

Nota: I profilati in acciaio sono quelli maggiormente utilizzati. Abbiamo tutto un campionario di elementi in acciaio di produzione standardizzata, si fa riferimento soprattutto ad elementi semplici e composti, e poi ci sono degli elementi di raccordo che servono proprio a connettere insieme gli elementi semplici a formare gli elementi composti.

Oggi tutti gli elementi di produzione standardizzata li trovate nelle tabelle UNI che sono una sorta di elenco campionario in cui vediamo le dimensioni e le caratteristiche dei vari elementi in acciaio. Noi li differenziamo in: elementi semplici che sono quelli che escono direttamente dalla produzione come un unico elemento (quelli maggiormente utilizzati sono i ferri a H, chiamati anche a doppio T, che nel caso dei profilati realizzati inizialmente in ferro pudellato e comunque nella prima produzione industriale, prendevano il nome di Normal Profile).

Nota: il NP aveva i raccordi curvi tra le anime e le ali e l’elemento interno delle ali un po' spiovente. Questo, poi, nei profilati più moderni invece è cambiato perché hanno le due ali con i lati paralleli tra di loro e quindi dal profilo NP oggi si è arrivato al profilo IPE. Il profilo IPE si differenzia dal profilo HE (sono entrambi dei profili ad H o a doppia T) perché il profilo IPE ha l'anima che è alta il doppio delle ali, mentre nel profilo HE l'anima e le ali sono della stessa dimensione. Questo è importante perché, in base alle dimensioni del profilo e dei vari elementi, del rapporto tra ali e anima, cambia la resistenza a flessione e la rigidezza del profilato e quindi la sua adeguatezza ad essere impiegato in determinati contesti strutturali.

Connessioni nelle strutture in acciaio

La cosa più importante delle strutture in acciaio sono le connessioni, perché la struttura in acciaio è in realtà una struttura prefabbricata, in quanto tutti i singoli elementi costruttivi che formano travi, pilastri o altri elementi vengono prodotti in fabbrica e poi assemblati in cantiere attraverso dei sistemi di connessione. Quindi la prima cosa che dobbiamo apprendere sulle strutture in acciaio sono in che modo connettiamo tra di loro i diversi profilati.

Tre sistemi/famiglie di connessione

• Connessioni mediante adesivi (le più recenti).
• Connessioni meccaniche: la chiodatura e la bullonatura.

La chiodatura è quella dei rivetti ed essendo un sistema piuttosto complicato è stato abbandonato, mentre la bullonatura è un sistema molto pratico per cui si è sostituito alla chiodatura come sistema di connessione metallica.

In che consistono queste connessioni? Consistono nel fatto di dover forare i due lembi da connettere e serrarli mediante chiodature o dei bulloni, che sono come dei chiodi con la possibilità di essere avvitati e fissati con la testa del bullone dall'altro lato.

Chiodatura

La chiodatura presupponeva innanzitutto di forare i lembi: i due elementi da dover connettere vengono forati in corrispondenza, quindi i due fori nei due lembi devono combaciare. Poi veniva infilato all'interno del foro un chiodo ad una sola testa, che doveva essere però preventivamente riscaldato (si dice “al calor bianco” cioè a circa 2000 °C), quindi doveva arrivare ad uno stadio quasi di fusione, perché doveva poter essere lavorato. Infilato questo chiodo rovente, dall'altro lato veniva abbattuto prima con attrezzi manuali, poi sostituiti con attrezzi pneumatici, in modo che battendo sul gambo dall'altro lato si venisse a formare una seconda testa.

Ovviamente bisognava anche mantenere con questa butteruola la testa del chiodo già formata, in maniera che battendo non fuoriuscisse dal foro, fino a quando da questo lato si veniva a formare dal gambo, che ovviamente essendo riscaldato diventava malleabile, una testa uguale e opposta all'altra. A questo punto si lasciava raffreddare e raffreddandosi il chiodo tendeva anche a diminuire il proprio volume e quindi a serrare maggiormente questa giunzione e una volta raffreddato il chiodo era una giunzione fissa che non poteva più essere rimossa, se non andando a distruggere il chiodo.

Questo era il sistema con cui si sono operate tutte le giunzioni delle strutture in ferro pudellato della fine dell'Ottocento soprattutto e dell'inizio del 900. Ce ne accorgiamo quando vediamo queste teste tonde: in tal caso abbiamo pilastri giuntati l'uno sull'altro (quando un pilastro è composto da più piani bisognava giuntare un pilastro sull'altro, perché non si poteva produrre un pilastro di altezza indefinita) e quindi anche giuntare i due elementi di pilastri avveniva attraverso dei fazzoletti, quindi degli elementi sovrapposti e chiodati che tenevano insieme i due profilati.

Nota: Con l'introduzione del ferro della pudellato e dell'acciaio, i ponti furono molto diffusi (si riuscivano a realizzare strutture molto resistenti a trazione).

Bullonatura

Se invece vediamo queste teste esagonali, che sono state avvitate su questi chiodi rivettati, allora si parla di bullonature. La bullonatura è un sistema più pratico, perché non c’è più bisogno di riscaldare i chiodi a quelle temperature così elevate.

Nota: T. Eiffel: lavoro in quota con chiodi che bisognava prima riscaldare per poi inserire e ribattere, eppure il tutto fu fatto in tempi brevissimi.

I bulloni vengono semplicemente avvitati e tutto questo sistema ha reso molto più semplice il processo di assemblaggio delle giunzioni. Dobbiamo tener presente che quando colleghiamo due elementi, nel bullone o nel chiodo vengono a concentrarsi le sollecitazioni, perché questo elemento si deve opporre a che i due elementi si vadano a separare, quindi è evidente che in questa connessione si concentrano la maggior parte degli sforzi. Ecco che allora quando una struttura deve sostenere dei carichi particolari anche il bullone deve essere dimensionato in maniera adeguata ed allora si dividono i bulloni in quelli normali e in quelli ad alta resistenza.

Quelli ad alta resistenza si ottengono attraverso dei processi di produzione particolari che prevedono un trattamento termico durante la fase di produzione, che conferisce una resistenza molto elevata in particolare al taglio. Perché al taglio? Immaginatevi di dover connettere una trave ad un pilastro: la sollecitazione della trave rispetto al pilastro sarà quella di tendere a scivolare e quindi nel punto di giunzione ci sarà proprio quella sollecitazione di taglio, che tende a far scorrere due sezioni l'una rispetto all'altra, quindi è evidente che molti bulloni devono essere progettati per resistere bene agli sforzi di taglio.

Serraggio dei bulloni

Di quanto devo stringere un bullone? Immaginate di avere in una giunzione tre bulloni: dovete stringere quei tre bulloni secondo delle coppie di serraggio, ossia capire quante volte dobbiamo ruotare la testa di bullone per serrare il bullone in modo da impedire che avvenga lo scorrimento tra le due superfici che stiamo serrando insieme. Queste coppie di serraggio è importante che siano equivalenti nel nodo, cioè se io ho un nodo in cui ci sono tre bulloni, se io non li stringo tutti e tre allo stesso modo avrei come conseguenza che quello maggiormente stretto raccoglierebbe su di sé la maggior parte degli sforzi rendendo completamente inefficienti gli altri due, quindi è necessario stringere tutti e tre bulloni allo stesso modo per farli lavorare all'unisono, insieme.

Questo è il problema fondamentale delle giunzioni bullonate, cioè in che modo garantire che il serraggio dei bulloni di uno stesso nodo siano equivalenti e siano corrispondenti a quello previsto in progetto. Un altro aspetto importante è quello di prevedere delle rondelle al di sotto della testa del bullone che viene serrato per proteggere la superficie della struttura dall'attrito del momento in cui io vado a serrare il bullone stesso. È necessario che i bulloni devono essere serrati esattamente allo stesso modo per poter lavorare tutti insieme e quindi dare il loro contributo per il quale sono stati calcolati.

Come serrare questi bulloni tutti allo stesso modo in un determinato nodo: il modo più semplice è utilizzare l’avvitatore pneumatico elettrico, che ci dà la possibilità di contare i giri per i quali avvito il bullone e quindi posso sapere esattamente ciascun bullone di quanti giri lo sto avvitando e questo mi può assicurare che li sto avvitando tutti allo stesso modo.

In realtà il bullone deve resistere a taglio sempre, ma potrebbe anche essere una giunzione che deve lavorare prevalentemente ad attrito, ed in questo caso il bullone si deve serrare fino al 70% della sua resistenza a trazione. Quindi anche il serraggio va calcolato attentamente quando si progettano le strutture d'acciaio.

Per facilitare: rondelle misuratrici: dal lato della testa del bullone, sotto alla testa del bullone, si dispone prima una rondella che ha dei rigonfiamenti, in modo che poi quando vado ad avvitare dall'altro lato il mio bullone, alla parte filettata della vite, io, senza dover tenere a mente il numero di giri, comincerò a serrare il bullone fino a quando non mi accorgo che questi rigonfiamenti si schiacciano (per una certa pressione si schiacciano). Una volta schiacciati questi rigonfiamenti mi fermo e avrò la certezza di aver serrato tutti bulloni allo stesso modo.

Un altro sistema che si utilizza sempre per serrare i bulloni tutti allo stesso modo è quello di utilizzare un particolare bullone, che oltre il tratto filettato, ha anche un cilindretto. Per questo tipo di bullone si utilizza un avvitatore elettrico particolare di tipo pneumatico, che ha all'interno due ghiere: una che gira ad avvitare il bullone (vedete, questa più esterna) e una più interna, che si collega a questo cilindretto, che pure ha de...