EVOLUZIONE STORICA DEI PROFILATI SAGOMATI A FREDDO CAPITOLO 1

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1 EVOLUZIONE STORICA DEI PROFILATI SAGOMATI A FREDDO CAPITOLO 1

2 Capitolo 1 STATO DELL'ARTE DEI PROFILATI PIEGATI A FREDDO Nel campo dei profilati in acciaio si distinguono due categorie; profilati a caldo e piatti, sagomati a freddo, realizzati per piegatura a freddo effettuata su rulli o presse di lamiere d'acciaio, piatti o coils. Il campo d'impiego dei sagomati a freddo è molto esteso e interessa le realizzazioni di carrozzerie per auto, vagoni ferroviari, silos, gard-rails, antenne per telecomunicazioni, ponti ecc. I primi utilizzi degli acciai sagomati a freddo nelle costruzioni risale al 1850, sia negli Stati Uniti, che in Gran Bretagna, anche se la loro diffusione rimane molto limitata fino al Infatti nel 1939 l'aisi (American Iron Steel Institute) sponsorizzò la ricerca in tale settore presso la Cornell University sotto la direzione di George Winter che portò alla pubblicazione, nel 1946, della Ia edizione delle "Specifications for the Design of Cold- Formed Steel Structural Members" e al successivo sviluppo dei sagomati a freddo. In generale i sagomati a freddo sono utilizzati: 1. nella realizzazione di coperture di piccola luce per lo spessore e la conseguente leggerezza; 2. per realizzare forme inusuali, con favorevole rapporto resistenza/peso; 3. per produrre sezioni annidate; 4. per produrre pannelli per pavimenti, tetti e pareti etc; 5. in unione con pannelli di altro materiale per migliorare la loro resistenza determinando notevoli risparmi nella costruzione. Gli elementi strutturali sagomati a freddo si possono classificare in due tipi principali: 1. elementi strutturali 2. pannelli e decks. Elementi strutturali sagomati a freddo hanno spessori elevati e possono assumere forme molto varie (C, T, Z, angolari, tubolari, travi con anima reticolare, etc.) secondo un design ottimizzato in base alle richieste statiche e deformative. Sono tipicamente impiegati per la realizzazione di tiranti, archi, scaffalature e strutture 4

3 spaziali leggere. Nel caso vengano sagomati come pannelli o decks hanno generalmente altezza variabile tra 38 e 191 mm e spessore compreso tra 0.5 e 1.9 mm. Tali pannelli possono anche essere impiegati in campo strutturale. I pannelli ed i decks non provvedono solo a sopportare i carichi ma offrono anche superfici per tetti e pavimenti in abbinamento, eventualmente, con il calcestruzzo. Sono usati anche come pannelli fono assorbenti, per condotti elettrici e per impianti di condizionamento. Negli ultimi anni i decks sono stati usati nelle coperture sotto forma di piatti piegati e come paraboloidi iperbolici. In diversi casi sono stati portati su cantiere e curvati con raggio desiderato senza difficoltà. Sono usati anche con superfici corrugate nel campo del drenaggio delle acque, come cortine esterne. Per le lamiere corrugate la distanza delle pieghe usualmente varia tra 32 e 76 mm, la loro altezza tra 6.4 e 25 mm, il loro spessore varia tra 0.3 e 4.2 mm. La distanza delle pieghe può arrivare fino a 152 mm e la loro altezza fino a 51 mm. Le superfici corrugate sono usate anche come pareti esterne autoportanti. Negli ultimi decenni sono stati usati con successo in solai e coperture non solo come casseforme, ma anche con funzione collaborante. L'introduzione della standardizzazione nella produzione di materiale metallico per le costruzioni ha portato i seguenti vantaggi: 1. migliore estetica; 2. velocità nel costruire; 3. ridotta manutenzione; 4. facilità di ampliamenti; 5. riduzione dei costi di esercizio. Il design della standardizzazione è regolato da opportuni manuali. La produzione industrializzata si differenzia in sistemi a pannelli e sistemi modulari. Nei sistemi a pannelli (pareti, pavimenti e coperture) gli elementi vengono prefabbricati, trasportati ed assemblati in loco. Nei sistemi modulari gli elementi vengono trasportati in loco e qui assemblati a formare un insieme tridimensionale e messi in opera. 5

4 Negli anni '60, sotto la School Construction System Development Project of California, furono sviluppati quattro tipi di sistemi modulari che si sono dimostrati efficienti ed economici sia per la realizzazione di scuole che di edifici industriali e commerciali. I pannelli possono costituire il completamento della costruzione con sistema modulare. In alcuni Paesi sono stati progettati anche elementi scatolari prefabbricati per la realizzazione di hotel, ospedali, appartamenti, etc. Negli ultimi anni è aumentato l'uso dei sagomati a freddo negli edifici bassi grazie alla prefabbricazione ed ai pannelli. I metodi per realizzare la sagomatura sono tre: 1. Rullatura a freddo 2. Pressatura 3. Piegatura Nella rullatura a freddo l'elementopassa attraverso coppie di rulli e viene progressivamente sagomato fino alla forma finale. Ovviamente, più complessa è la forma del sagomato e maggiore è il numero di rulli. Con la pressatura si realizzano sagomati di forma semplice, di lunghezza limitata e che provengono da fogli sufficientemente larghi. Le macchine pressatrici constano di una parte mobile e di una fissa su cui si possono applicare gli stampi della forma desiderata. Sezioni più complicate aumentano le operazioni ed anche i costi. Diverse ricerche sono state condotte sui sagomati a freddo, oltre che per valutare la capacità portante dei vari elementi strutturali anche per studiare i sistemi di unione, le risposte termiche ed acustiche delle pareti, dei solai e delle coperture, le risposte alle vibrazioni, le fondazioni dei pannelli da pareti, le travi composte. Negli anni '30 l'uso dei sagomati a freddo negli U.S.A. nel campo delle costruzioni era limitato dalla mancanza di appropriate specifiche progettuali, cosicchè l'aisi promosse, come detto, una ricerca condotta dal Prof. George Winter e dai suoi collaboratori sullo sviluppo dei metodi progettuali riguardanti le larghezze effettive per gli elementi irrigiditi e compressi, la riduzione delle tensioni sugli elementi compressi non irrigiditi, problemi di stabilità flessionali e flesso-torsionali in campo elastico ed anelastico, gli effetti dei sagomati a freddo sulle proprietà dei materiali, lo sforzo di taglio negli elementi rinforzati con diaframmi, il comportamento degli elementi rinforzati con diaframmi e delle coperture paraboloidi iperbolici, l'influenza della duttilità, i requisiti per rinforzare le sezioni a Z caricate nel piano dell'anima, i meccanismi di unione, le 6

5 interazioni tra stabilità locale e globale, le riserve in campo anelastico delle travi, l'analisi probabilistica. I risultati di queste ricerche furono pubblicati per la prima volta nel 1946 dall'aisi e negli anni seguenti furono continuamente riaggiornati in base ai risultati delle continue ricerche, allo sviluppo tecnico ed alle esperienze accumulate e tuttora gode di riconoscimenti nazionali ed internazionali. Il titolo dell'attuale pubblicazione è "Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members " ed è affiancato da un manuale "Light Gauge Steel Design Manual" che consta di quattro parti e dà delle indicazioni sul design. Queste specifiche sono valide per acciai a basso contenuto di carbonio. Dalle ricerche effettuate sono state tratte le seguenti conclusioni riguardanti il comportamento dei vari prodotti. Gli spessori sottili rispetto alle larghezze possono causare problemi di instabilità locale, er cui i criteri di design devono tenerne conto. I carichi che causano il sorgere della prima instabilità non è detto che siano quelli che portano alla crisi gli elementi, infatti questi possono sopportare ulteriori incrementi di carico se la tensione di instabilità è inferiore a quella di crisi, ma il comportamento diventa di tipo post-critico. La ricerca del comportamento all'instabilità viene condotta usando carichi assiali di compressione. Poiché i sagomati a freddo sono sottili e la rigidezza torsionale è proporzionale al cubo dello spessore, il loro comportamento a torsione è spesso poco soddisfacente. La capacità portante degli elementi soggetti ad instabilità ed a compressione può essere migliorata considerevolmente introducendo degli irrigiditori di bordo o intermedi e le proprietà possedute da questi sono state sviluppate nel corso di varie ricerche. Le sezioni irrigidite, appartenenti ad elementi compressi, sono interamente reagenti se il rapporto larghezza-spessore è basso, ma non appena si incrementa lo sforzo, in elementi con rapporto larghezza-spessore relativamente alto, le parti adiacenti agli irrigiditori di bordo diventano strutturalmente più efficaci dopo che i piatti si sono instabilizzati. Il risultato è una distribuzione non uniforme dello sforzo nell'elemento compresso irrigidito. Nel design si tiene conto di questa proprietà della sezione con una riduzione dell'area efficace. L'effettiva larghezza e spessore di un elemento compresso irrigidito dipendono non solo dallo sforzo applicato, ma anche dal rapporto larghezza-spessore, infatti per un 7

6 elemento con flangia compressa irrigidita e con un rapporto larghezza-spessore relativamente alto, al crescere dello sforzo si ha una diminuzione della larghezza e dello spessore efficace della flangia compressa ed un incremento della tensione, lo stesso accade per elementi compressi con irrigiditori. Lo sforzo applicabile quindi non è proporzionale alla tensione di snervamento. Le connessioni vengono realizzate bullonate o chiodate, ma queste mal si prestano con spessori così sottili, nonché saldate e queste ultime sono quelle con cui è possibile ottenere i migliori risultati. La debolezza delle anime è un fattore critico per i sagomait a freddo perché l'introduzione di irrigiditori non è sempre pratico, inoltre nelle anime il rapporto altezzaspessore è elevato e può anche eccedere quello dei laminati a caldo. Se si rispettano le specifiche di design, lo spessore non costituisce un fattore critico, lo è invece il rapporto larghezza-spessore e lo sforzo complessivo. Studi condotti da Cissel e Quinsey hanno dimostrato che ai fini della durabilità di questi elementi è fondamentale un trattamento protettivo piuttosto che un aumento di spessore. Il miglior trattamento contro la corrosione si è dimostrato la galvanizzazione per cui si è visto che in atmosfera la corrosione avanza linearmente. Dunque non è importante limitare lo spessore minimo dei sagomati a freddo quanto piuttosto quello della loro protezione. Se lo spessore della sezione è uniforme il calcolo delle sue proprietà può essere semplificato usando il metodo lineare o della "linea media". In questo metodo il materiale della sezione si considera concentrato sulla linea media e l'area della sezione è sostituita con linee: si ottiene una sezione fittizia le cui proprietà se moltiplicate per lo spessore forniscono quelle della sezione reale. L'accuratezza del metodo dipende dallo spessore della sezione e dalla sua forma, ma in generale gli errori ottenibili sui sagomati a freddo sono trascurabili. Si è già detto che uno dei pregi dei sagomati a freddo è quello di poter essere modellati secondo le forme volute, anche le più complicate, senza notevoli dispendi economici, ma tutto ciò complica molto l'analisi ed il design strutturale di questi elementi. Per tali casi le normative prevedono la possibilità di condurre prove in laboratorio, allo scopo di poter valutare la sicurezza e la loro capacità di carico. Ciò non significa che si debbano sostituire le prove con i criteri di design e l'analisi strutturale perché queste hanno un maggior grado di affidabilità, ma solo che ne è consentito l'uso per chiarezza. 8

7 Gli acciai se lavorati a freddo subiscono delle variazioni delle proprietà meccaniche e la normativa ne tiene conto permettendo di considerare gli incrementi che subisce il punto di snervamento del materiale. Uno dei problemi basilari del design è quello di soddisfare i requisiti al più basso costo. Abbassare i costi significa ridurre al minimo il peso del materiale e massimizzare l'efficienza strutturale. Studi condotti hanno dimostrato che la massima efficienza si ha quando tutti i possibili modi di crisi concorrono allo stesso tempo. In pratica non si possono ottenere queste condizioni ideali perché ci sono delle limitazioni, ma in alcuni casi si può ottenere la massima efficienza. Ad esempio si potrebbe usare acciaio ad alta resistenza per la produzione di un elemento, ma se questo raggiunge la crisi per instabilità allora l'uso di acciaio ad alta resistenza non è giustificato nel contesto di un design economico, quindi l'efficienza dell'acciaio dipende dalle modalità di crisi dell elemento. In generale compito del design è di sfruttare la potenzialità del materiale con la massima efficienza. 9