Lezione n. 25

Lezione n. 25
Le strutture in acciaio
Introduzione al calcolo di strutture in acciaio
Prova di trazione monoassiale
Classificazione degli acciai da carpenteria
Introduzione
O
ZZ
A
Le strutture in acciaio nascono dall’assemblaggio di pezzi monodimensionali (profilati) e/o bidimensionali (lamiere) prodotti in luoghi diversi da quello di fabbricazione delle strutture.
Le fasi di costruzione possono sintetizzarsi nel seguente modo:
1. produzione dei profilati e delle lamiere nell’acciaieria;
2. trasformazione dei profilati e/o lamiere in elementi strutturali o complessi strutturali preassemblati in carpenteria metallica(*);
3. trasporto e montaggio dei complessi strutturali in cantiere.
Uno degli aspetti più importanti delle costruzioni in acciaio è pertanto rappresentato dalla realizzazione delle unioni tra i vari elementi strutturali o complessi strutturali, dal cui assemblaggio nasce la
struttura.
Le strutture in c.a. sono realizzate tramite il getto di calcestruzzo entro le casseforme e quindi la
struttura tende ad essere monolitica.
cassero
B
Esempio di nodo rigido in un telaio di c.a.
Il grado di incastro che si riesce ad ottenere in un nodo trave-pilastro di una struttura in acciaio dipende invece dalla modalità e dal tipo di unione.
costole di irrigidimento
a)
b)
Esempio di nodo rigido e di nodo cerniera in una struttura in acciaio
(*)
Carpenteria metallica: carpento = antico carro romano a due ruote per il trasporto di donne nobili;
carpentiere = costruttore di carpenti
Gianni Bartoli/Maurizio Orlando – Appunti di Tecnica delle Costruzioni
Revisione – 09/01/02
Lezione n. 25 – pag. XXV.2
A
In (a) si realizza per mezzo della saldatura e l’inserimento di costole di irrigidimento una maggiore
solidarietà strutturale rispetto al caso (b). Di contro, l’unione tipo (b) è di più difficile realizzazione,
richiede maggiore cura nella fase di esecuzione ed è più costosa.
Per limitare le lavorazioni sia in officina sia in cantiere, durante la fase di montaggio, e ridurre i costi, si cerca di semplificare le unioni, ossia di ridurre il grado di vincolo tra i vari elementi o complessi strutturali. La riduzione del grado di vincolo può comportare labilità e pertanto per assicurare
la stabilità strutturale è necessario introdurre opportuni elementi strutturali (controventi).
ZZ
Telaio monopiano con il traverso a nodi incastrati
Telaio monopiano con il traverso a nodi incernierati e controvento a croce di S. Andrea(**)
O
La struttura della figura di sinistra è labile: si introducono allora elementi (controventi) che la rendono isostatica (figura di destra).
B
Tipologie strutturali
Edifici monopiano (fabbricati industriali)
Con copertura a capriate
(**)
Croce di Sant’Andrea: croce a X o decussata, così chiamata perché su una croce di questo tipo fu
inchiodato e fatto morire Sant’Andrea, almeno da quanto risulta nelle figurazioni del martirio, fuori
d’Italia, a partire dai sec. X-XI. Questa forma figura nella bandiera scozzese (quindi in quella del Regno
Unito) e nel sec. XV in quella dei Duchi di Borgogna (onde: croce borgognona).
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BOZZA SOGGETTA A REVISIONE
Lezione n. 25 – pag. XXV.3
A
h2
h1
d
h1
d
A
A
h2
d
S e z . A −A
ZZ
L
Con copertura a shed
P IA N T A
B
O
SEZ. A
-A
A
A
Con copertura a piastra reticolare
Portale incastrato
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BOZZA SOGGETTA A REVISIONE
Lezione n. 25 – pag. XXV.4
A
Edifici multipiano
a)
ZZ
b)
Edificio a nodi rigidi (a) e a nodi incernierati (b)
Nel telaio a nodi rigidi le giunzioni sono più impegnative e il telaio è più deformabile; mentre nel
caso b) le giunzioni sono più semplici e si ha una minore deformabilità.
Forme dei profilati in acciaio
O
(1)
(4)
(2)
(3)
(5)
B
(1) Profili a doppio T. La classificazione italiana prevede profili del tipo HE (profili ad ali larghe e parallele,
in cui la larghezza della base b è dello stesso ordine di grandezza dell’altezza h), del tipo IPE (in cui la
base b è circa la metà dell’altezza h) o del tipo IPN (di caratteristiche analoghe al tipo IPE ma con ali non
parallele tra loro nella parte di collegamento con l’anima verticale). A loro volta i profili del tipo HE sono
suddivisi in tre tipologie: HEA, HEB e HEM, caratterizzati da un valore diverso dello spessore delle ali e
dell’anima (più piccolo in A, maggiore in B e ancora superiore in M). Sono indicati dalle lettere che identificano il tipo di profilo e da un numero che esprime l’altezza in mm (ad esempio: HEB 220, profilo del
tipo HE, della serie B, di altezza 220 mm).
(2) Profili a C (o ad U). Sono ancora caratterizzati da un valore dell’altezza h circa doppio rispetto alla base
b, e sono classificati in profili UPN (o semplicemente U, con ali non parallele tra loro nella parte di collegamento con l’anima verticale) e profili UAP (quando le ali sono parallele tra loro). Per l’indicazione del
profilo, vale quanto specificato per i profili a doppio T (esempio: profilo UPN 180, profilo del tipo U, ad
ali non parallele, di altezza 180 mm).
(3) Profili ad L, a lati uguali o disuguali. Sono indicati da sigle del tipo L 50×65×6, in cui 50 e 65 rappresentano (in mm) le lunghezze dei due lati, mentre 6 indica lo spessore (in mm).
(4) Profili a T, a spigoli tondi o vivi. Hanno altezza paragonabile alla larghezza e vengono designati semplicemente dal valore dell’altezza (T 100, profilo a T di altezza 100 mm)
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Lezione n. 25 – pag. XXV.5
(5) Tubi quadrati, rettangolari o circolari, formati a freddo o saldati. Vengono di solito indicati esplicitando le due dimensioni dei lati (o il diametro nel caso del cerchio) e lo spessore: ad esempio la scrittura O
219,1×6,3 indica un profilo circolare cavo di diametro 219,1 mm e spessore 6,3 mm.
“schiena a schiena”
Acciaio
A
Spesso le aste sono formate da profilati accoppiati a due a due, attraverso il collegamento con una
piastra rettangolare:
“a farfalla”
ZZ
L’acciaio è una lega Fe-C con un tenore di carbonio inferiore al 2 %. Gli acciai si classificano in
funzione del loro contenuto in carbonio. In particolare si individuano:
acciai extra-dolci
C < 0,15 %
acciai dolci
0,15 % < C < 0,25 %
acciai semiduri
0,25 % < C < 0,50 %
acciai duri
0,50 % < C < 0,75 %
acciai durissimi
0,75 % < C
Gli acciai da carpenteria metallica sono del tipo “dolce”; ulteriori limitazioni sono fissate dalla
Normativa nel caso in cui si voglia garantire la saldabilità dell’acciaio.
B
O
Proprietà meccaniche
Le grandezze che caratterizzano le proprietà degli acciai sono rappresentate principalmente da:
− resistenza
− durezza
− duttilità (tenacità)(***)
− saldabilità
Resistenza: viene determinata mediante una prova sperimentale di trazione monoassiale (descritta in
dettaglio nel seguito).
Durezza: rappresenta la resistenza locale che il materiale oppone alla penetrazione di un altro corpo
(è una misura della resistenza alla deformazione plastica permanente).
Duttilità (tenacità): è una misura della quantità di energia che un materiale è in grado di assorbire
prima di giungere a rottura (capacità di deformarsi in modo plastico).
Saldabilità: rappresenta l’attitudine del materiale a realizzare continuità metallica con giunti saldati
(non precisabile in senso assoluto ma soltanto relativo, per gradi, funzione del tipo di acciaio e procedimento di saldatura).
Il parametro che maggiormente influenza le proprietà meccaniche di un acciaio è rappresentato dal
tenore di carbonio. Al crescere del tenore di C si ha che:
− la resistenza a trazione aumenta;
− l’allungamento a rottura, e quindi la duttilità del materiale, diminuisce.
(***)
Il termine duttilità viene utilizzato con riferimento a un elemento o complesso strutturale, mentre il
termine tenacità è usato con riferimento al materiale
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BOZZA SOGGETTA A REVISIONE
40
10
30
75
resistenza a
trazione (ft)
50
10
25
0
0
allung. % a
rottura (A)
A
20
ft (kg/mm2)
A (%)
Lezione n. 25 – pag. XXV.6
0,5
1,0
%C
1,5 1,7
ZZ
Variazione della resistenza a trazione e dell’allungamento a rottura di un acciaio al variare del
contenuto in carbonio
Oltre al carbonio, nell’acciaio sono presenti altri elementi:
− silicio;
− manganese;
− fosforo e zolfo (sono da considerarsi impurezze e quindi la Normativa ne prescrive un contenuto
inferiore allo 0,1 %).
B
O
Determinazione sperimentale della resistenza e dell’allungamento a rottura
La prova di trazione semplice (normalizzata) viene eseguita su provini di dimensioni standard (altezza pari a 5 volte il diametro o pari a 5,65·(A0)½ dove A0 è l’area della sezione in mm2), a 20 °C
ed a un’assegnata velocità di carico.
L0
Apparecchiatura di prova per un test a trazione di una barretta di acciaio (a sinistra); provino
standard (a destra)
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Lezione n. 25 – pag. XXV.7
σeff
σn
ft
σp
B
C
R
D
A
arctg(E)
O
εr ε
n
ZZ
0,2%
A
fy
σe
B’
Prova di trazione monoassiale su un acciaio da carpenteria metallica
Nella curva si riporta, in funzione della tensione nominale σn, la deformazione nominale εn, in cui
entrambe le grandezze sono riferite alle dimensioni originali del provino
P
∆L
σn =
εn =
A0
L0
B
O
Nel diagramma si distinguono alcuni tratti caratteristici:
OA tratto elastico lineare (fino al limite di proporzionalità, σp)
AB breve tratto elastico non lineare (fino al limite σe≈σp)
BC snervamento (tensione di snervamento: valore della tensione al di sopra del quale
l’allungamento si accresce sensibilmente senza apprezzabili aumenti di tensione)(****)
CD incrudimento: tratto in cui sono necessari piccolissimi aumenti di tensione per accrescere εn
D
rottura: in D si ha una accentuata strizione trasversale del provino in corrispondenza della sezione di rottura con successivo decremento delle σn. La curva σeff – εn, tratteggiata nell’ultimo
tratto della figura, permette di osservare come l’incrudimento si manifesti fino alla rottura: la
strizione del materiale fa sì che la tensione effettiva σeff continui a crescere a causa della contemporanea diminuzione dell’area trasversale.
Nel diagramma si identificano alcune grandezze caratteristiche:
Indici di resistenza - tensione di snervamento (fy)
- tensione di rottura (ft)
Indici di duttilità
- allungamento a rottura (εr): si misura come differenza tra la lunghezza dopo
e prima della rottura, in rapporto alla lunghezza iniziale L0
(****)
Molti acciai duttili hanno due valori di tensione di snervamento:
− uno superiore (con diminuzione delle σn al crescere di εn – tratto AB’ in figura)
− uno inferiore (con accrescimento spontaneo di εn senza apprezzabili variazioni di σn);
per tensione di snervamento si intende quella corrispondente allo snervamento inferiore.
Per gli acciai non duttili (ad esempio quelli impiegati per la precompressione) la tensione di
snervamento è definita in maniera convenzionale come il valore della tensione per la quale, allo
scarico del provino, si ha un allungamento residuo prefissato (di solito lo 0,2%).
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Lezione n. 25 – pag. XXV.8
Allungamento % a rottura
barre o
profili cavi
lamiere
profilati
24
28
26
Designazione
Resistenza
a rottura, ft
[N/mm2]
Tensione di
snervamento, fy
[N/mm2]
Fe 360
≥ 360
≥ 235
Fe 430
≥ 430
≥ 275
21
24
23
Fe 510
≥ 510
≥ 355
20
22
21
Caratteristiche meccaniche degli acciai da carpenteria
A
Costanti elastiche
Per tutti gli acciai da carpenteria metallica si assumono i seguenti valori delle costanti elastiche(†)
−
modulo di elasticità normale (modulo di Young):
E=206000 N/mm2
G= 78400 N/mm2
− modulo di elasticità tangenziale:
Verifica secondo il metodo delle tensioni ammissibili
Tensioni ammissibili per gli acciai da carpenteria (t: spessore massimo degli elementi):
Fe 360
σadm [N/mm2]
t ≤ 40 mm
160
σadm [N/mm2]
t > 40 mm
140
Fe 430
190
170
Fe 510
240
210
ZZ
Designazione
O
Le tensioni riportate nella tabella precedente si intendono per condizioni di carico di tipo I. Per le
condizioni di tipo II si assumono valori maggiorati a 1,125⋅σadm.
La condizione di carico I cumula nel modo più sfavorevole le azioni permanenti ed accidentali
(compresi eventuali effetti dinamici) ad eccezione degli effetti del vento, del sisma e degli stati
coattivi sfavorevoli (temperatura, cedimenti vincoli, etc.). Si devono includere nella condizione di
carico I gli effetti statici e dinamici del vento (o del sisma) qualora le tensioni da essi provocate
siano maggiori di quelle ingenerate dagli altri carichi permanenti ed accidentali.
La condizione di carico II cumula nel modo più sfavorevole i carichi permanenti ed accidentali
(vento e sisma inclusi).
Normativa di riferimento
B
D.M. Min. LL.PP. 9 gennaio 1996
“Norme tecniche per il calcolo, l’esecuzione ed il collaudo delle strutture in cemento armato, normale e precompresso e per le strutture metalliche”
Circolare Min. LL.PP. 15 ottobre 1996 n. 252 AA.GG./S.T.C.
Istruzioni per l’applicazione delle “Norme tecniche per il calcolo, l’esecuzione ed il collaudo delle
strutture in cemento armato, normale e precompresso e per le strutture metalliche” di cui al D.M. 9
gennaio 1996
CNR 10011/97
Costruzioni di acciaio: Istruzioni per il calcolo, l’esecuzione, il collaudo e la manutenzione
(†)
Ricordando la relazione che lega le due costanti elastiche G ed E
E
E
G=
⇒ ν=
−1
2(1 + ν )
2G
si ricava che il coefficiente di Poisson (ν) viene assunto per gli acciai pari a ν=0,314
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