Progettazione di strutture in acciaio - Domande prima parte

Progetto di strutture in acciaio

Contents

• Progetto di strutture in acciaio .................................................................................. 1
• Il materiale ...................................................................................................... 3
• Acciai ............................................................................................................... 3
• Processi di lavorazione ...................................................................................... 3
• Imperfezioni meccaniche .................................................................................. 4
• Prove meccaniche di caratterizzazione ............................................................... 4
• La costruzione in acciaio .................................................................................. 5
• Imperfezioni geometriche .................................................................................. 5
• Tolleranze ............................................................................................................. 5
• Considerazioni su sicurezza strutturale e metodi di calcolo ................................. 6
• Costruzione e struttura ..................................................................................... 6
• Classificazione dei telai ..................................................................................... 6
• Metodi di analisi dei sistemi intelaiati ................................................................. 8
• Interazione o influenza della plasticità su membrature e sistemi intelaiati ................ 9
• Telai pendolari ................................................................................................ 10
• Criteri per disposizione contravento ................................................................. 10
• Classificazione delle sezioni trasversali ........................................................... 11
• Elementi compressi + elementi inflessi (secondo asse forte) .............................. 11
• Elementi pressoinflessi (/asse forte) ................................................................. 11
• Elementi tesi ................................................................................................ 13
• Dimensionamento degli elementi tesi ............................................................... 13
• Torsione ....................................................................................................... 14
• Torsione in profili metallici ............................................................................... 14
• Torsione primaria e secondaria ........................................................................ 14
• Bimomento ..................................................................................................... 15
• Elementi compressi (buckling) ...................................................................... 16
• Instabilità elastica ........................................................................................... 16
• Parametri dimensionanti ................................................................................ 16
• Approccio progettuale ..................................................................................... 16
• Asta nel telaio ................................................................................................ 17
• Elementi inflessi (bending) ............................................................................ 17
• Dimensionamento allo SLS .............................................................................. 17
• Dimensionamento allo SLU: resistenza ............................................................. 18
• Instabilità laterale (lateral buckling) .................................................................. 18
• Presso-flessione .......................................................................................... 19
• Interazione tra instabilità elastica a compressione e a flessione ......................... 19
• Verifiche di elementi pressoinflessi .................................................................. 19
• General Method per verifiche di colonne e telai pressoinflessi ............................ 20
• Instabilità elastica di elementi compressi / inflessi / pressoinflessi ..................... 20
• Resistenza dell’anima alle forze trasversali ..................................................... 21
• Verifiche delle anime alle forze trasversali ......................................................... 21
• Profili in classe 4 e cold-formed ........................................................................ 22
• Definizione della larghezza efficace .................................................................. 22
• Verifica / Dimensionamento di elementi in classe 4 ............................................. 23
• Procedura iterativa .......................................................................................... 24

1 / Il materiale

Acciai

Elementi non eliminati:

• Fosforo e zolfo: crescono fragilità del materiale, diminuiscono la saldabilità
• Azoto, ossigeno e idrogeno: aumentano la tendenza alla rottura fragile

Elementi aggiunti: (per incrementare la resistenza meccanica)

• Manganese e silicio: saldabilità
• Cromo: per acciai inossidabili, diminuisce la sensibilità alla corrosione
• Nichel: riduce la deformabilità

Analisi chimica: saldabilità e lavorabilità. CEV: valore equivalente (0,35-0,55)

Processi di lavorazione

Acciaio prodotto per fusione allo stato grezzo in lingotti sottoposti a cicli di lavorazione meccanica per ottenere i prodotti lavorati (lamiere, piatti, barre, profilati, fili, bulloni...)

Per compressione o trazione

• Laminazione a caldo: lingotti riscaldati a circa 1200 °C (materiale plastico), passano dapprima attraverso una serie di rulli contrapposti e ruotanti in senso inverso (laminazione primaria) e vengono sbozzati in barre aventi sezione trasversale quadrata o rettangolare. Successivamente questi semilavorati vengono trasformati in prodotti finiti (laminazione secondaria), ossia barre, lamiere, piatti e profilati (es. a doppio T)

Le forze di compressione esercitate dai rulli ed il progressivo assottigliamento della sezione trasversale del lingotto favoriscono l’eliminazione dei gas e delle cavità; le deformazioni indotte dal processo di lavorazione affinano la grana; omogeneità del prodotto e delle sue caratteristiche (di resistenza). Importanza dell’entità e della velocità

• Laminazione a freddo: a temperatura ambiente, materiali non ferrosi, incrudimento (resistenza elevata ma duttilità ridotta)
• Forgiatura
• Estrusione

Per flessione e taglio

• Formatura a freddo: piegatura sottili lamiere per ottenere sezioni trasversali volute: cavi circolari, profili a C, lamiere grecate.

Trattamenti termici per ottenere caratteristiche meccaniche adeguate all’impiego previsto: ricottura, normalizzazione, tempra, rinvenimento, cementazione, bonifica

Imperfezioni meccaniche

O Imperfezioni strutturali = tensioni residue (o autotensione = stato tensionale autoequilibrato legato ai processi di produzione dell’elemento ed associato a deformazioni plastiche non uniformi. Penalizza la capacità portante soprattutto degli elementi compressi) e non omogenea distribuzione delle caratteristiche meccaniche nella geometria della sezione trasversale (es: tensione di snervamento e di rottura).

a: fine laminazione a caldo
d: profilo a temperatura ambiente

Per profili e lamiere sagomate a freddo, le fibre superficiali a contatto con i rulli tendono ad allungarsi mentre la zona centrale rimane indeformata: stato tensionale autoequilibrato perché la parte centrale contrasta l’allungamento di quelle esterne.

Piegatura o stampaggio: alterazione caratteristiche meccaniche in prossimità della zona di piega (deformazione plastica = superamento della tensione di snervamento con deformazioni permanenti)

Prove meccaniche di caratterizzazione

• Trazione monoassiale: tensione di snervamento f_y (o legame costitutivo = relazione completa tensione-deformazione) con L₀ = distanza tra i riferimenti durante la prova in corrispondenza del livello di carico applicato. f_y bassa al crescere della velocità e della temperatura di prova
• Compressione globale (stub column test): legame costitutivo σ-ε
• Urto: tenacità, resilienza = resistenza (E_p) alla rottura fragile; pendolo di Charpy con G peso del martello = (ℎ − ℎ₀)
• Piegamento: capacità di sopportare deformazioni plastiche a freddo senza rompersi
• Durezza (Brinell, Vickers, Rockwell): resistenza opposta alla penetrazione di altro corpo (scalfitura, abrasione, attrito) misurando capacità di assorbimento dell’energia; penetratore conico / a sfera d’acciaio. Prova non distruttiva per stimare resistenza a trazione R_m (tensile strength); valori piccoli variabilità elevata.

Altre prove: analisi chimica (percentuali di carbonio e impurezze), esame macrografico (saldabilità), esame micrografico

2 / La costruzione in acciaio

Imperfezioni geometriche

= tutte le variazioni di forma che le membrature presentano rispetto alla loro geometria ideale. Risultano in azioni aggiuntive

Dovute a processi di lavorazione:

• Della sezione trasversale: variazioni delle dimensioni rispetto a quelle nominali. Valori diversi A, I e W, influenzano le prestazioni (-> capacità portante, M_R). Per profili laminati, dipendono dal graduale consumo dei rulli sbozzatori del treno di laminazione che provoca variazioni di spessore
• Dell’elemento: longitudinale = deviazione dell’asse dell’elemento, potenziale eccentricità del carico alle estremità o curvatura iniziale che possono influire sulla capacità portante

Del sistema strutturale: (anche variazioni dell