BOZZA. Esempio di nodo rigido e di nodo cerniera in una struttura in acciaio

Transcript

1 Lezione n. 25 Le strutture in acciaio Introduzione al calcolo di strutture in acciaio Prova di trazione monoassiale Classificazione degli acciai da carpenteria Introduzione 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 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 Revisione 09/01/02

2 Lezione n. 25 pag. XXV.2 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). Telaio monopiano con il traverso a nodi incastrati Telaio monopiano con il traverso a nodi incernierati e controvento a croce di S. ndrea (**) La struttura della figura di sinistra è labile: si introducono allora elementi (controventi) che la rendono isostatica (figura di destra). Tipologie strutturali Edifici monopiano (fabbricati industriali) Con copertura a capriate (**) Croce di Sant ndrea: croce a X o decussata, così chiamata perché su una croce di questo tipo fu inchiodato e fatto morire Sant ndrea, 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). SOGGETT REVISIONE

3 Lezione n. 25 pag. XXV.3 h 2 h 1 h 2 h 1 SEZ. - d d d Sez. L Con copertura a shed PINT Con copertura a piastra reticolare Portale incastrato SOGGETT REVISIONE

4 Lezione n. 25 pag. XXV.4 Edifici multipiano a) 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 (1) (2) (3) (4) (5) (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). loro volta i profili del tipo HE sono suddivisi in tre tipologie: HE, HEB e HEM, caratterizzati da un valore diverso dello spessore delle ali e dell anima (più piccolo in, 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 UP (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 , 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) SOGGETT REVISIONE

5 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. Spesso le aste sono formate da profilati accoppiati a due a due, attraverso il collegamento con una piastra rettangolare: schiena a schiena a farfalla cciaio 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. 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. l 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 SOGGETT REVISIONE

6 Lezione n. 25 pag. XXV (%) ft (kg/mm 2 ) allung. % a rottura () resistenza a trazione (f t ) 0 0 0,5 1,0 1,5 1,7 % C 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 %). 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 ( 0 ) ½ dove 0 è l area della sezione in mm 2 ), a 20 C ed a un assegnata velocità di carico. L 0 pparecchiatura di prova per un test a trazione di una barretta di acciaio (a sinistra); provino standard (a destra) SOGGETT REVISIONE

7 Lezione n. 25 pag. XXV.7 σ n σ eff f t f y σ e σ p O B R B C D arctg(e) 0,2% ε n Prova di trazione monoassiale su un acciaio da carpenteria metallica Nella curva si riporta, in funzione della tensione nominale σ n, la deformazione nominale ε n, in cui entrambe le grandezze sono riferite alle dimensioni originali del provino P L σ n = ε n = 0 L0 Nel diagramma si distinguono alcuni tratti caratteristici: O tratto elastico lineare (fino al limite di proporzionalità, σ p ) B breve tratto elastico non lineare (fino al limite σ e σ p ) 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 ε n D rottura: in D si ha una accentuata strizione trasversale del provino in corrispondenza della sezione di rottura con successivo decremento delle σ n. La curva σ eff ε n, 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 σ eff continui a crescere a causa della contemporanea diminuzione dell area trasversale. Nel diagramma si identificano alcune grandezze caratteristiche: Indici di resistenza - tensione di snervamento (f y ) - tensione di rottura (f t ) Indici di duttilità - allungamento a rottura (ε r ): si misura come differenza tra la lunghezza dopo e prima della rottura, in rapporto alla lunghezza iniziale L 0 ε r (****) Molti acciai duttili hanno due valori di tensione di snervamento: uno superiore (con diminuzione delle σ n al crescere di ε n tratto B in figura) uno inferiore (con accrescimento spontaneo di ε n senza apprezzabili variazioni di σ n ); 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%). SOGGETT REVISIONE

8 Lezione n. 25 pag. XXV.8 Designazione Resistenza a rottura, f t [N/mm 2 ] Tensione di snervamento, f y [N/mm 2 ] llungamento % a rottura barre o profili cavi lamiere profilati Fe Fe Fe Caratteristiche meccaniche degli acciai da carpenteria 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= N/mm 2 modulo di elasticità tangenziale: G= N/mm 2 Verifica secondo il metodo delle tensioni ammissibili Tensioni ammissibili per gli acciai da carpenteria (t: spessore massimo degli elementi): Designazione σ adm [N/mm 2 ] σ adm [N/mm 2 ] t 40 mm t > 40 mm Fe Fe Fe 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 σ adm. 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 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.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 SOGGETT REVISIONE