Tecnica delle Costruzioni - Unioni bullonate in acciaio

ARGOMENTO:

LE UNIONI BULLONATE

ARGOMENTO:

LE UNIONI BULLONATE

PREMESSA:

Abbiamo esaminato tutti gli elementi del capannone.

Ebbene, 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 privileg 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
• Saldati

Prima, c’erano anche unioni chiodate e incollaggi.

Unioni Bullonate

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

CONTRO: posso creare "indebolim per foratura"

Unioni Saldate

PRO: non "indeboliscono"

CONTRO: sono più critiche, perché, se non è eseguita correttam, 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

Es

IL BULLONE E' FATTO COSI':

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 PUO' 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 Cs.

Supponiamo che le pareti non aderiscano al gambo e si applichi una forza F

Vediamo ℓ(F)

L'andamento possibile è questo:

Fin qui si comporta come un pezzo unico

F_f

Da qui in poi l'unione scorre

La lungh del tratto dipende dal gioco d'accoppiam vite-foro

ΔL/L

Se le aste sono doppie:

Ora vediamo come si comporta l'unione.

Via via che F cresce (per F > Ff), il gambo viene impegnato a taglio e questo produce deforma…

Impegno a taglio in campo elastico della vite

Impegno a taglio in campo plastico della vite.

In B si aggiunge lo snervam.

Poi la vite si rompe.

Possiamo valutarne la resistenza con questi due valori:

L'unione ad attrito è di qualità superiore perchè 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
3. (d + 1,0 mm) per d ≤ 20 mm
4. (d + 1,5 mm) per d > 20 mm

questi valori sono più piccoli se non è consentito un assestamento dell’unione sotto carico;

3. lo scorrimento è praticamente proporzionale: si annota, il bullone si deforma elasticamente;
4. 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 rompa,

no 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 rifollam:

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:

1. 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

2. Azione sollecitante

   F_b,ED = F⊘F / 2

3. R_b,RD ≥ F_a,ED

2) Verifica elementi indeboliti e piastra

Dunque: ≤

Es 1

Es 2

Es 3 Talvolta, per evitare indebolim, 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: F

b

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 e' 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 = ηkeLa forza che il bullone esercità 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 ugualm sollec

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 rotaz 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

Concl: Le viti piu’ sollecitate sono le piu’ distanti

Fbi e Fbj si compongono vettorialm.

Es

F'

La più sollec è la 4.La meno è la 1.

Fase 2 Bullone con il max Fb.Una tabella raccoglie i vari γ

Ntc 2008:

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

Resist 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.

1) 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 ꞏ ⟂ 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 < min

200 mm4 t min elemgiuntati

L₁, L₂ hanno limitaz solo sel'unione è esposta a fenomenicorrosivi.In quel caso:L₁, L₂ < 40 mm + 4 t min

Se l'unione è compressa, c'è un ulteriore verifica, che permette di noneseguire una verifica specifica di instabilità:P ≤ 9 t min · e

*1

*2

*1 Nella vecchia normativa, invece:

P₁ ≥ 3 D_oP₁ ≤ 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 agisco-

no nel piano, ma

ortogon al piano d'unione.

Ora, nelle verifiche, si prescinde dallo sforzo norma-

le di serraggio.

Prima che si rompa la convess, le due piastre si

separano, e dunque è come se la vite si dimenti-

casse 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 compress.

"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 ⅞.

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 e' controll)

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 Nella vecchia normativa:

V_f = n · μ ÷ γ_f (N_P)

L 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 = 0.30

0.45 PER SUPERF PARTICOLARMENT TRATTATE

"UNIONI FLANGIATE"

FLANGIA

"FLANGE"

SE C'È UNA COMPONENTE DI TAGLIO,

L'UNIONE SI COMPORTA COME VISTO

PRIMA.

ES

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 ∞ rigida ⇒ conservaz 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 traz o compr sono soltanto quando N passa per il baric dell'unione.

E se c'è un momento flettente:

Parte è tesa e parte è compresso

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 ᐧ _Flangia

_Opl = _M/³ (Di - y) _Bulloni

_Fed = ᐧ _Ab

Se ci sono _N ed _M ⟹ L'asse neutro non è più baricentrico

_Eσ

È comunque possib(ile) trovare l'asse(Noi non entriamo nel merito)

L'area resistente avrà: A

_Op = _N/_A - _M/_A ᐧ /₃

_Opl = _N/_A + _M1/_A (Di - y)/₃

Esempio

N₁

N₂

N₂ ≠ N₁