Tecnica delle Costruzioni - Acciai da carpenteria

Acciai da carpenteria

Definizione

L'acciaio è una lega di ferro e carbonio.

Proprietà

Maggiore è la % di C:

• Maggiore è la resistenza ma...
• Minore è la saldabilità
• Minore è la duttilità dell'acciaio.

Nota

• Resistenza: Capacità dei metalli di sopportare uno sforzo senza che avvengano rotture. La resistenza di un materiale si determina con la «prova di trazione monosiale» (detta anche «prova di rottura»).
• Saldabilità: Attitudine di un metallo o di una lega a lasciarsi saldare, così da creare continuità metallica nel giunto.
• Duttilità: Capacità di un materiale di mostrare grandi deformazioni superato il limite elastico e prima della rottura. La duttilità è dunque un preavviso di rottura. È la capacità di deformarsi in modo plastico, cioè di potersi deformare permanentemente.

Dunque, T_C ↑→ il grafico si alza, ma il «tratto duttile» della prova di trazione diminuisce. Dunque, resistenza e duttilità sono due requisiti basiliari per un acciaio. Però ↑% C, ↑ Resistenza e ↓ Duttilità.

Per questo useremo, per le nostre costruzioni, gli acciai da carpenteria, che sono «acciai dolci», cioè acciai con una %C ∈ [0,22 - 0,29].

Classificazione degli acciai

Gli acciai si classificano in funzione del contenuto di carbonio.

• Acciai dolci C ∈ [0,15 - 0,25]%
• Acciai duri C ∈ [0,50 - 0,75]

Oltre alla composizione chimica, gli acciai sono classificati anche facendo riferimento alle loro caratteristiche fisico-meccaniche (resistenza, duttilità...). Tali caratteristiche dipendono dalle lavorazioni a cui l'acciaio è stato sottoposto, perché influenzano e alterano le caratteristiche del materiale.

Lavorazioni

Il profilato in acciaio è soggetto a numerosi trattamenti detti cicli. Essi possono essere:

1. Termici
   • Tempra: Si porta a calore rosso il materiale e si raffredda repentinamente. Questo porta infragilimento.
   • Ricottura: Si porta a calore rosso il materiale e si raffredda in modo lentissimo. Gli effetti della tempra sono così dimenticati!
2. Meccanici → Laminazione: Tramite rulli, si conferisce al materiale una certa forma.
   • Laminazione a freddo
   • Laminazione a caldo: Permette di ottenere profilati commerciali. La laminazione a caldo riduce i difetti dell'acciaio (ad es. i vuoti). Però ha degli inconvenienti: dopo la laminazione, infatti, il profilato si raffredda a partire dall'esterno e diventa pertanto duro dall'esterno. Quando si raffredda anche l'interno, esso vorrebbe contrarsi ma l'esterno glielo impedisce. Dunque: interno →→→ trazione; esterno →→→ compressione. Queste autotensioni si possono comunque eliminare con la ricottura.

Classificazione: Resistenza e duttilità

Resistenza e duttilità vengono determinate con la prova di trazione semplice. La prova viene eseguita su provini di dimensioni standard a 20°C ad un'assegna velocità di carico.

Es breve descrizione della prova:

Apparecchiatura di prova per un test a trazione di una barretta di acciaio (a sinistra); provino standard (a destra). Si riportano i risultati in un grafico:

1. Tratto elastico lineare
2. Tratto di snervamento: il provino ha deformazioni permanenti ed estese. In questo tratto si ha incrudimento, in cui sono necessari piccolissimi incrementi di tensione per accrescere ε.
3. Si perde l'andamento lineare: si ha un'aumentuata strizione della sezione trasversale del provino.
4. Ramo discendente.

La rottura avviene per un valore di F che il provino ha già supportato. Vediamo: In una porzione del provino avviene una strizione, cioè una riduzione dell’area. Dunque, riportando l'andamento di Δl/L non in funzione di F, ma di F/A(t), la tensione effettiva continua a crescere a causa della contemporanea diminuzione dell’area trasversale. Però, essendo A(t), è difficile da calcolare il suo valore istante per istante! Dunque, teniamo il grafico con σ = F / A_o e non con σ = F / A(t).

Però lo facciamo terminare qui: Dove: f_t = tens. di rottura, f_y = tens. di snervamento, ε_t = deformazione di rottura. La prova è eseguita su provini diversi. Prendo il frattile 5% (cioè almeno il 95% dei provini aggiunge quella resistenza). Ottengo: f_t,k - f_y,k - ε_t,k.

Gruppi di acciai da carpenteria

Gli acciai da carpenteria possono stare in 3 gruppi (immagino abbiano differente composizione chimica):

Es. f_y,k = 300 MPa, f_t,k = 500 MPa, ε_t,k = 24% ⇒ Non è un acciaio da carpenteria.

Cause di fragilità

1. Meccanismo di rottura: un materiale duttile ha una «rottura a coppa»: rottura fragile, rottura duttile. Questo perché un materiale duttile comincia a scorrere su piani inclinati di 45°, distaccandosi. Su questi piani ci sono tensioni tangenziali, anche se il provino è soggetto a solo sforzo assiale. Quando esse raggiungono un valore eccessivo, ecco la rottura.

Benché l'acciaio sia un materiale duttile, presenterà rottura fragile. Esistono dunque cause di fragilità. Esse si manifestano quando non diamo al materiale la possibilità di manifestare comportamenti duttili. Le cause sono:

• Velocità di carico
• Bassa temperatura

Temperature aggiunte durante gli incendi:

Conclusioni

Le azioni ripetute: tutte le volte che supero il limite elastico, certi difetti si ampliano, e l'acciaio non presenta più la struttura monolitica. Stati pluriassiali di tensione. Difetti: Quando c'è un difetto nella struttura, si ha una deviazione delle «linee isostatiche». La loro deviazione fa sì che nascano, ortogonalmente a loro, alte tensioni. Dunque nasce uno stato di tensione localizzato che si può propagare formando delle «cricche». Più grande è l’angolo di deviazione, più è il danno.

Ampliamento

Noi usiamo l'acciaio da carpenteria. È usato per:

• Profilati
• Lamiere
• No bulloni

Acciaio: Fe + C. Il nostro è dolce o semiduro, cioè con poco C. Acciaio da carpenteria C ∈ [0.22 ÷ 0.28] %. Ora ↑ % C ⇒ ↑ Resistenza ↓ Saldabilità ↓ Duttilità.

Duttilità: Il materiale è duttile se, dopo il limite elastico e prima della rottura, ha deformazioni elevate. ↑ Deformazioni ↓ Duttilità. Ora, noi non possiamo accettare di deformare irreversibilmente un materiale, ma a volte può succedere. La duttilità è importante: è un preavviso di rottura prima del collasso. Un materiale fragile è pericoloso!

Dunque non posso ridurre o rinunciare alla duttilità! Resistenza e duttilità si calcolano sull'elemento finito, perché le lavorazioni alterano il materiale! Essenzialmente avviene:

1. Acciaieria → acciaio
2. Laminatoio → profilato
3. Officina → lavorazioni
4. (Cantiere, eventuale)

Qui controllo e misuro le caratteristiche meccaniche ma io le uso qui! Dunque, le lavorazioni tra officina e cantiere non devono alterare le proprie caratteristiche fisico-meccaniche (resistenza e duttilità) sono valutate con la prova di trazione semplice.

F ↔ FL inizio li = li F(x) ⇒ L(x) = li + allungamento(x) ΔL / li = ε = F / AM A A(t)! A si riduce! Per semplicità σ = F / A_i

Dunque: La rottura avviene per F più piccolo. Il materiale duttile ha una rottura "a coppa" prima di rompersi, nella sezione si verifica una strizione se σ = F / A(t). Di questa prova ci interessano f_y, f_t, ε_t; Queste ci forniscono le proprietà dell'acciaio.

Principali acciai da carpenteria

I 3 principali acciai da carpenteria sono: S₂₃₅, S₂₇₅, S₃₅₅ (tralascio la tabella) i numeri si riferiscono al minimo valore f_y. Queste deformazioni sono enormi perché o=Eε. Per gli acciai: E = 2.05 x 10⁵ N/mm²!