Tecnica delle Costruzioni - Unioni bullonate in acciaio

Le unioni bullonate

Premessa

Abbiamo esaminato tutti gli elementi del capannone. Questi si realizza «accoppiando» (unendo) tra loro elementi prefabbricati. Questi punti di unione sono delicati. Un buon progetto si vede dunque dall’esame delle zone di collegamento.

Collegamenti

Un buon collegamento deve:

• Garantire il buon funzionamento della struttura
• Garantire aderenza a schema statico

Per ottenere questi due requisiti occorre privilegiare la semplicità. Infatti un’unione semplice:

1. È facile da capire e valutare
2. È facile da realizzare (dunque, anche in cantiere, sarà eseguita proprio come l’abbiamo progettata)
3. È rapida da eseguire ed economica

Oggi, le connessioni sono di 2 tipi: Bullonate e Saldati. Prima, c’erano anche unioni chiodate e incollaggi.

Unioni bullonate

PRO: sono meno critiche, cioè è più facile che vengano eseguite bene

CONTRO: possono creare "indebolimenti per foratura"

Unioni saldate

PRO: non "indeboliscono"

CONTRO: sono più critiche, perché, se non è eseguita correttamente, l’unione può funzionare davvero male. Dunque queste unioni sono eseguite solo da esperti saldatori.

Conseguenza: Le unioni saldate sono quelle eseguite in officina, quelle bullonate in cantiere.

Criterio di scelta

Unioni bullonate

Il bullone è fatto così: La parte terminale ha la filettatura. Essa riduce la sezione.

Dunque:

• Sezione nominale: A_B
• Sezione ridotta: A_{B RID}

Occorre che la parte filettata cada oltre gli elementi da giuntare: O, se ci entra, la normativa ci dice che questo non può avvenire «oltre un certo livello».

L'unione è fatta così:

1. Vite con testa esagonale
2. C gambo in parte filettato
3. Foro > Vite (leggermente)
4. Dado

Foro - Vite: tolleranza. Da essa dipendono i "giochi" della vite.

La norma del 2008 dice:

• Toll < 1 mm se D vite ≤ 20 mm
• Toll < 1.5 mm se D vite > 20 mm

Funzionamento

Quest'elemento è il tavolo e tiene fermo il bullone. Gli si applica una coppia torcente M_z. ↑ M_z → ↑ Tens normale a cui è soggetto il gambo, e si può rompere. Per questo la normativa ci dice quanto dev'essere la coppia di serraggio per:

1. Creare un'unione salda
2. Non creare eccessivo sforzo normale, ma mantenerlo entro un certo valore

Dunque: C_s → N_s → σ_ns (Tens di traz nel gambo della vite) (σ_ns è un valore altissimo! σ_ns ≈ 0.80 f_yk)

Il serraggio pone in trazione la vite. Gli elementi, invece, sono compressi: Se Fa è troppo grande, posso rompere la vite. Noi non misuriamo Fa, ma la coppia di serraggio C_s. Supponiamo che le pareti non aderiscano al gambo e si applichi una forza F.

Andamento dell'unione

Vediamo l'andamento possibile:

• Fin qui si comporta come un pezzo unico F_f
• Da qui in poi l'unione scorre. La lunghezza del tratto dipende dal gioco d'accoppiamento vite-foro
• ΔL/L Se le aste sono doppie: Ora vediamo come si comporta l'unione. Via via che F cresce (per F > F_f), il gambo viene impegnato a taglio e questo produce deformazione…

Impegno a taglio in campo elastico della vite. Impegno a taglio in campo plastico della vite. In B si aggiunge lo snervamento. Poi la vite si rompe. Possiamo valutarne la resistenza con questi due valori:

L'unione ad attrito è di qualità superiore perché è più rigida.

Diagramma carico-scorrimento di una unione bullonata

Nel diagramma è facile riconoscere quattro rami, corrispondenti ad altrettanti diversi comportamenti dell’unione:

1. Questo ramo è praticamente verticale perché lo scorrimento è quasi nullo al crescere del carico: la forza Si viene interamente trasmessa per attrito fra i piatti collegati;
2. Nel punto A ha inizio il superamento della resistenza d’attrito: i pezzi collegati subiscono uno brusco scorrimento, fino a quando il gambo del bullone non entra a contatto con l’anima del foro (punto B). N.B. tra il gambo e il bullone c’è una differenza fissata dalla normativa: i fori in cui si inseriscono i bulloni devono avere un diametro d pari a d + 1,0 mm per d ≤ 20 mm, d + 1,5 mm per d > 20 mm;
3. Questi valori sono più piccoli se non è consentito un assestamento dell’unione sotto carico;
4. Lo scorrimento è praticamente proporzionale: si annota, il bullone si deforma elasticamente; in C termina la fase elastica e inizia una fase plastica con grandi scorrimenti per piccoli incrementi di carico, fino ad arrivare alla rottura dell’unione;

Il grafico si può interrompere anche prima, se il profilato si rompe prima della vite.

Rifollamento

Può succedere che, applicando una forza F, si rompano gli elementi da unire prima del bullone! Ma può anche rompersi la piastra di collegamento. Se l'elemento è robusto, va in crisi con il gambo del bullone! Ovvero, il foro si «ovalizza», o, come si suol dire, si ovalizza, o si rifolla.

Verifiche da eseguire

Nell'unione bullonata vanno verificati 3 elementi:

1. Vite: Attrito, Taglio
2. Elem uniti: Profilati indeboliti, Piastra
3. Rifollamento

Verifica di rifollamento: Verifichiamo i singoli elementi: N°1 N°3.

Ebbene σ_AIF(ollamento) = F_i/Dti. Es Caso 1: F₁ = F/2 ⇒ σ_AIF = F₁/Dt₁. Deve risultare: σ_AIF = F_i/Dt_i < σ_{AIF limite} = α_γ/γ. Dove α è un coeff > 1. Il suo valore è: α = _aD. α < 2.5. Dev' essere: a > 2D. Ps E _γ? _γ = 1.5 per T.A.

Nuova normativa NTC 2008

Azione resistente: R_b,RD = Kα_cf_tkDt/γ_M2 (Lo vedremo dopo) f_tk (piastra o profil) D (diam vite) t (spessore. piastra o profil) K e α_c dipendono dalla geom. dell’unione. α_c = f(dist_{bullone-bordo}) ↑ dist ↑ α_c ma α_c ≤ 1. K = f(distanza bulloni tra loro ortog forza) K ≤ 2.5

Azione sollecitante F_b,ED = F⊥F/2. R_b,RD ≥ F_a,ED

Verifica elementi indeboliti e piastra

Dunque: ≤ Es 1 Es 2 Es 3. Talvolta, per evitare indebolimenti, i fori sono sfalsati.

A_rid = A - max

Ovvero: max. Nella piastra, invece: Inizio azione. Fine: Lo sforzo è passato. Tutto quanto alla piastra: dopo, l’azione si diffonde. Allo stesso modo sulla piastra. L’azione si diffonde così: Op: Fb. Se la piastra finisce prima.

Questa zona è quindi irrilevante ai fini della trasmissione!

_Ps I coni di diffusione possono spesso sovrapporsi, ma la norma prescrive di non tenerne conto. Es 3 _D Resistenza Bullone. Dalla bullonatura, determino l'azione sul singolo bullone.

Verifica sul bullone

Sol < Resist^{Primo passo:} Usiano criteri elastici Trascur gli effetti della toller elem o: rigidi nel piano di giunzione. La forza è nel baricentro! o meglio: passante per G, nel suo piano_{Per ipotesi, ci sono moti rigidi della stessa quantità.} Essendo in campo elastico: F_bc = ηke. La forza che il bullone esercita sulla piastra K_E = h_e : Area bulloni.

La quantità che non ci interessa R_{is, FΦ} = ∑η K_E = N° bull x η x K_E. Dunque: FΦ = R_{is, FΦ}. In questo caso, i bull sono ugualmente sollecitati R_{is, FΦ} agisce nel baric delle aree. P.s. e se la forza è generica? Ovvero, non passa per il baric delle aree.

F' = F + C dove C = F ⋅ e. La coppia produce una rotazione attorno a G_B. G_B è fermo. Ce lo dice il teorema di Betti. L₁₂ = L₂₁ F: η_GB₂ = C·φ_GB₁ Poiché φ_GB₁ = 0 ⇒ η_GB₂ = 0. Dunque: η_B = ψ p_i. Le forze sono orientate nel medesimo modo. Ma l'intensità è:

C_ris ∑_i=1^N F_biρ_i = ∑_i=1^N keψρ_i² = keψ ∑_i=1^N ρ_i²

F_bj = C_ris / ∑ρ_i² ρ_j. Conclusione: Le viti più sollecitate sono le più distanti. Fbi e Fbj si compongono vettorialmente.

EsF' La più sollecitata è la 4. La meno è la 1. Fase 2 Bullone con il max Fb. Una tabella raccoglie i vari γNtc 2008:

Resistenza a taglio δ_M γ_M2 = 1.25. Resistenza ad attrito S.L.U. γ_M3 = 1.25. S.L.E. γ_M3 = 1.10. Precarico Fp (sforzo serr) γ_M3 = 1.10.

Resistenza a Taglio: F_b = F_v,ed. F_v,ed = F_b / 2. Ebene, F_v,rd = Ente Resistente F_v,rd 0.6 f_tb A_b / γ_M2 (Filettat Fuori Dall'Unione) 0.5 f_tb A_rid / γ_M2 0.6. F_v,ed < F_v,rd.

Vecchia normativa

I_cb = T_u / A_bi ≤ I_{cb lim}. La vite è sottoposta anche a sforzo normale (_ob / o_blim)² + (_cb / I_{cb lim})² ≤ 1.

Continuazione

Mancano ancora:

1. Verifica a punzonamento.
2. Verifica ad attrito.

Verifica disposizione viti

Come disponiamo le viti? Ce lo dice la norma. Se le viti sono troppo vicine (al foro o tra loro) → Indebolimento.

Dunque:

• L₃ L₇ L₂ 2 ⟹ Forza L₁, P₁, L₂, P₂ min⟹// Forza

E neanche troppo lontane: Alcune zone sono "fuori pinza" e quindi ci può essere distacco e sollevamento della zona.

• E.g L₁, P₁, L₂, P₂ MAX

Conclusione:

• Minimi L₁, L₂ > 1.2 D_o (Diam vite)
• P₁ > 2.2 D_o
• P₂ > 2.4 D_o

Massimi P₁, P₂ < min200 mm4 t min elemgiuntati. L₁, L₂ hanno limitazioni solo se l'unione è esposta a fenomeni corrosivi. In quel caso: L₁, L₂ < 40 mm + 4 t min. Se l'unione è compressa, c'è un ulteriore verifica, che permette di non eseguire una verifica specifica di instabilità: P ≤ 9 t min · e.

Vecchia normativa

P₁ ≥ 3 D_o. P₁ ≤ 15 t_min vite; Elem compressi - Elem tesi - a₁ ≥ 2 D_o; a₁ ≤ 6 t_min; 9 t_min; a₂ ≥ 1.5 D_o; a₂ ≤ 6 t_min; Bordo stand - 9 t_min; Bordo irigid.

Dove E = √235/σ_y. Ci sono poi altre unioni, in cui le forze non agiscono nel piano, ma ortogonali al piano d'unione. Ora, nelle verifiche, si prescinde dallo sforzo normale di serraggio. Prima che si rompa la convess, le due piastre si separano, e dunque è come se la vite si dimenticasse dello sforzo di serraggio. Ft, ed = sforzo traz singola vite (solo). Ft, ed ≤ Ft, rd dove Ft, pd = 0.90 · Arid. Questo se c'è solo trazione. Se c'è anche taglio:

_{Fv, ed} + _{Ft, ed} < 1 / _{Fv, Rd Ft, Rd} 1.4. Stavolta, se c'è N, occorre eseguire la verifica "A punzonamento". Dobbiamo verificare che la testa della vite o il dado non rompano i pezzi metallici.

_{Bp, Rd} = 0.6 t D_m t_p f_tk / _γM2. Diam medio testa vite o dado. _{AS N} > 0, la vite non lavora a compressione.

Unioni ad attrito

Le _{Fb max} si calcola allo stesso modo, ma la verifica è diversa. Nascono delle azioni di attrito. Se sono > F_ext, l’unione è in esercizio. F_max > μN; per sicurezza metto ¾.

Anche qui:

• 1 superf d’attrito
• 2 superf d’attrito

In questo caso: F_S,RD = n_s · μ · F_pc / γ_M3. Dove F_pc = 0.70 f_bd t A_res / γ_m7 (1.1 o 1.0 se il serr è controllato).

Se c’è anche N_ext > 0, F_S,RD = n_sμ (F_pc - 0.8 F_t,ed) / γ_M3.

Ebbene F_S,RD ≥ F_max*2.

Vecchia normativa

V_f = n · μ ÷ γ_f (N_P). Lo sforzo norm tra i piatti. N_P = N_serr - N_ext. Se N_ext = N_serr non c'è più resistenza d'attrito! Questo non avviene mai! Da norma: N_ext ≤ 0.80 N_s γ_f = 1.25. N_s - N_ext = sforzo netto; (Se N_ext < 0 => non ne tengo conto). μ = 0.3-0.45 per superf particolarmente trattate.

Unioni flangiate

Flangia "Flange". Se c'è una componente di taglio, l’unione si comporta come visto prima.

Il gambo della vite si inflette. La vite non è resistente a flessione. Quindi, per salvaguardare la vite, occorre limitare l'inflessione della flangia. La flangia dev'essere infinitamente rigida ⇒ conservazione sezione piane. Si può usare la teoria di Navier. Dunque: Se N/σ la sez. resist. sono solo i gambi delle viti. Se N/σ è la sez. della flangia. N/σ ⇒ op₁: ad ogni bullone va op₁. op₁: N/σ_ext; sulla flangia è ∅; nAres. Se N < 0 sulla flangia N_ext; N_flangia Sui bulloni N = 0; Abbiamo solo trazione o compressione sono soltanto quando N passa per il baricentro dell'unione.

E se c'è un momento flettente: Parte è tesa e parte è compressa. Occorre trovare N: Le tensioni sono lineari: I bulloni li mettiamo solo dove c'è trazione. Se c'è solo M → Asse neutro baricentrico. Dunque: J = by² / 2 + ∑(d_i-y)A_bi ; ∑(d_i-y) A_bi Bulloni tesi.

J = b l³ / 3 + ∑(d_i-y)² A b_i Bulloni tesi. Dunque: Op = M/3 ⟹ Flangia. O_pl = M/3 (Di - y) Bulloni. Fe_d = ⟹ Ab. Se ci sono N ed M ⟹ L'asse neutro non è più baricentrico. Eσ. È comunque possibile trovare l'asse (Noi non entriamo nel merito). L'area resistente avrà: A

Op = N/A - M/A ⟹ /3. O_pl = N/A + M₁/A (Di - y)/3.

Esempio

N₁ N₂ N₂ ≠ N₁