5. ACCIAI AL CARBONIO, LAMINATI, TRAFILATI, PROFILATI

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1 Classificazione degli acciai Gli acciai si distinguono: rispetto alla composizione: in base al tenore di carbonio in base ad altri metalli contenuti in minima percentuale; rispetto al metodo di produzione: Laminati, Trafilati Profilati; rispetto alla forma: lamiere, piatti, tondi lisci, tondi, nervati, sagomati tubi. 1

2 Classificazione degli acciai Classificazione degli acciai 2

3 Classificazione degli acciai Classificazione degli acciai 3

4 Acciai al carbonio Affinché l acciaio sia lavorabile, resistente e tenace il contenuto di carbonio deve essere compreso tra lo 0,10% e lo 0,25% (con minime quantità di impurezze, specie di zolfo e fosforo, che insieme non devono superare lo 0,09%). Acciai al carbonio Un acciaio della tipologia Fe 360, raggiunge un limite di rottura di 360 N/mm2 (36,7 kg/mm2); volendo ottenere una resistenza maggiore, si potrebbe aumentare la percentuale del carbonio, ma si ridurrebbero la tenacità e la lavorabilità. L aggiunta di un altro elemento, il manganese (circa l 1,5%), permette di avere un acciaio (Fe 510) ad alta resistenza, mantenendo le altre qualità indispensabili in un acciaio da costruzione. 4

5 Acciai al carbonio L acciaio Fe 510 raggiunge una resistenza a rottura di 510 N/mm2 (52 kg/mm2) ed è anche prodotto con la pratica del calmaggio: durante la fase di colata nell acciaieria è aggiunto alluminio, che blocca lo sviluppo di gas ed evita il rimescolamento delle impurità, che si raccolgono nella parte superiore e quindi sono eliminate con il taglio. Acciai al carbonio È stato inoltre riscontrato che le caratteristiche di resistenza di un acciaio possono essere accentuate o modificate, ferme restando le percentuali di carbonio e degli altri elementi, con particolari processi di lavorazione, quali la tempera, la ricottura e il rinvenimento. 1) La tempera si ottiene con riscaldamento a circa 900 C seguito da rapido raffreddamento, provocato da bagno di acqua oppure olio. L acciaio temperato acquista maggiore durezza e resistenza, tanto maggiore quanto più elevata è la percentuale di carbonio. 2) La ricottura consiste nel riscaldamento dell acciaio, lasciandolo poi raffreddare lentamente. Con questo sistema si riduce la durezza e si ottiene un acciaio di più facile lavorabilità. 3) Il rinvenimento si attua dopo la tempera, riscaldando l acciaio a circa 600 C e poi facendo seguire un lento raffreddamento; con il rinvenimento si perde una parte della resistenza acquistata con la tempera, ma si aumenta la tenacità dell acciaio e la sua lavorabilità. Tempera e rinvenimento insieme prendono il nome di bonifica. 5

6 Acciai al carbonio La produzione attuale comprende quindi acciai da costruzione con resistenze a rottura che vanno da 360 a 930 N/mm2 (37 95 kg/mm2). La tabella a piè di pagina riporta una classificazione di uso pratico basata sulla durezza dell acciaio. Acciaio laminato Il lingotto di acciaio ottenuto dalla colata (del peso di circa una tonnellata e mezzo) subisce una prima laminazione di sbozzatura, dalla quale si hanno due tipi di prodotti: i blumi a sezione quadrata e le bramme a sezione rettangolare. Dalle bramme si ottengono, in seguito, per laminazione a caldo le lamiere e per laminazione a freddo le lamiere molto sottili. 6

7 Acciaio laminato La laminazione consiste nel far passare il pezzo di acciaio tra due grossi cilindri paralleli rotanti in senso opposto (che costituiscono il laminatoio), in modo da ridurne lo spessore. Dai blumi si ottengono invece le barre quadre e tonde, tubi senza saldatura, profilati a caldo e la vergella, che è una grossa matassa di acciaio tondo avvolto a bobina. Dalla vergella si ricavano, con l operazione di trafilatura a freddo, l acciaio da cemento armato, il filo per le funi metalliche e l acciaio per il cemento armato precompresso. Acciaio trafilato La trafilatura consiste nel far passare, mediante trazione, fili, barre o tubi di una data sezione attraverso una sezione più piccola. L operazione è effettuata a freddo e comporta l allungamento del pezzo, che è stirato, con conseguente effetto di incrudimento: questo è la caratteristica che l acciaio possiede di aumentare la propria resistenza per effetto di deformazione plastica; l incrudimento comporta la perdita di duttilità e tenacità. Durante l operazione di trafilatura, il materiale è trattato con lubrificanti solidi (saponi) o fluidi (oli minerali). 7

8 Profilati Laminati a caldo. I più comuni sono i normali profili a T, a doppia T, a L, a Z e a C. Le sezioni di questi profilati possono avere gli spigoli arrotondati oppure gli spigoli vivi. La doppia T serie normale (detta anche NP o longarina), è composta da una parte centrale più sottile, detta «anima», e da due ali di spessore maggiore. È un elemento studiato in modo da ottenere la massima resistenza alla flessione con il minore impiego di materiale (massima resistenza-minimo costo). La longarina esiste in commercio con un altezza variabile da 80 a 600 mm; la lunghezza massima è di 20 m. Con i progressi della tecnica di laminazione degli ultimi anni si possono realizzare profilati a spessori costanti, a spigoli vivi, chiamati IPE (sigla che sta a significare profilo europeo ad ali parallele). Profilati Le travi IPE sono di sezione quasi uguale alle longarine; differiscono nel fatto di avere lo spessore costante delle ali; questa variazione è essenziale in quanto permette una facilità notevole nei collegamenti delle strutture. La lunghezza delle travi IPE arriva a m. 8

9 Profilati Il profilato a doppia T ad ala larga denominata HE, fornita in tre versioni: la A, serie leggera, la B, serie normale, e la M, serie rinforzata. La lunghezza massima di fornitura è di 21 m (figura 9). I profilati HE sono stati studiati per ottenere una grande resistenza alla flessione e anche alla pressione; quindi possono essere impiegati non solo per travi, ma anche per pilastri. Profilati Altri profilati di notevole impiego nell edilizia sono quelli per infissi (comunemente chiamati ferro-finestra). Sono ora prodotti in tre serie, 34, 40 e 45, numeri che indicano la dimensione massima del profilato in mm. 9

10 Profilati Materiali particolari laminati a caldo sono le lamiere striate e bugnate; sono piane da un lato e dall altro hanno una sagomatura di varia forma. Lo spessore è sempre maggiore di 3 mm, con larghezze fino a 1,50 m e lunghezze di 8 m; per l attrito provocato dalla sagomatura, sono impiegate per piani di calpestio, scale metalliche e passerelle. Profilati Laminati a freddo. I profilati laminati a freddo possono avere solo piccoli spessori; in genere sono ricavati da lamiere opportunamente sagomate. Le forme sono le solite a U, L, C, Z. Le lamiere possono essere laminate per ottenere particolari profili, che ne aumentano la resistenza a flessione; si hanno i tipi nervati, grecati e ondulati, che trovano largo impiego nelle coperture, nei solai, nei serramenti, nelle grondaie ecc. 10

11 6. ACCIAI AL CARBONIO, LAMINATI, TRAFILATI, PROFILATI Tubi e lamiere I tubi sono prodotti con due metodi: senza saldatura, ricavati da un unico massello, per mezzo del metodo Mannesmann; i diametri vanno da 17,2 a 470 mm; con saldatura, ricavati da lamiere curvate e saldate; questo metodo è più usato per tubi di grande diametro. 6. ACCIAI AL CARBONIO, LAMINATI, TRAFILATI, PROFILATI Tubi e lamiere I tubi di acciaio Mannesmann sono indicati per travi a traliccio, colonne, reti di distribuzione del gas, acqua e vapore e impianti di riscaldamento. I tubi saldati sono più adatti per le strutture di carpenteria leggera, per le ringhiere, le cancellate ecc. Il tubo detto Fretz Moon, di alta qualità, è ottenuto da un nastro di acciaio i cui bordi, adeguatamente riscaldati, sono sovrapposti e saldati per bollitura. Questa tecnica consente di avere la superficie interna ed esterna del tubo perfettamente liscia e senza cordone di saldatura. I tubi Fretz Moon sono facilmente piegabili e hanno una grande resistenza lungo la linea di giunzione. 11

12 6. TUBI E LAMIERE Tubi 6. TUBI E LAMIERE Lamiere Le lamiere di notevole spessore (da 3 a 50 mm) sono laminate a caldo nelle dimensioni fino a 3 m di larghezza per 18 m e oltre di lunghezza. Le lamiere di spessore inferiore a 3 mm sono laminate a freddo, con larghezza fino a 1,80 m e lunghezza di 4,5 m e oltre (figure 3 e 4). Le lamiere sottili sono utilmente impiegate per coperture, pannelli per prefabbricazione, rivestimenti ecc. e quindi subiscono ulteriori trattamenti di protezione, come la stagnatura, la piombatura, la plastificazione, la smaltatura, la verniciatura, la zincatura e la fosfatizzazione 12

13 6. TUBI E LAMIERE Lamiere Uno dei processi più usuali per le lamiere impiegate in edilizia è la zincatura, che avviene per immersione in un bagno di zinco fuso, oppure con procedimento elettrolitico. Il rivestimento di zinco deve essere di spessore costante e uniforme e perfettamente aderente al metallo, in modo che le successive lavorazioni della lamiera (come la piegatura, la profilatura e lo stampaggio) non producano il distacco del rivestimento. 7. METODI DI COLLEGAMENTO: CHIODATURA Metodi ci collegamento Per ottenere strutture metalliche complesse, occorre collegare i vari elementi metallici con opportune tecniche. Si possono usare: 13

14 7. METODI DI COLLEGAMENTO: CHIODATURA Chiodatura La chiodatura, il sistema più antico, si realizza forando i due elementi da unire e facendovi passare il chiodo, la cui estremità è ribattuta, assicurando il collegamento. Il chiodo, ricavato da acciaio dolce o semiduro, può essere a testa tonda, a testa svasata rasa o piana e a testa svasata colma. 7. METODI DI COLLEGAMENTO: CHIODATURA Chiodatura Per i piccoli diametri, inferiori a 10 mm, il chiodo è ribattuto a freddo; Per i diametri superiori occorre una ribattitura a caldo, portando la temperatura a circa 1100 C. La contrazione dovuta al raffreddamento tende a serrare le parti in modo perfetto. 14

15 7. METODI DI COLLEGAMENTO: CHIODATURA Chiodatura La ribattitura è effettuata: con martello pneumatico in officina, con una speciale pressa. Per ottenere una buona chiodatura occorre che i fori siano maggiorati rispetto al gambo del chiodo (il diametro del foro deve essere di 1 mm più grande di quello del chiodo). Inoltre la lunghezza del gambo deve essere tale da ottenere con la ribattitura una seconda testa uguale a quella originaria del chiodo. 7. METODI DI COLLEGAMENTO: CHIODATURA Chiodatura In relazione allo spessore, la lunghezza del gambo può essere calcolata, in media, con la semplice formula: L gambo = St + 1,5 d St spessore degli elementi da unire d diametro del chiodo È importante che con la ribattitura avvenga il ricalcamento del gambo, in modo che il foro sia completamente riempito, perché si eviti il gioco che tende a prodursi specie per quelle unioni di strutture soggette a carichi dinamici o ripetuti. Infine, per la buona riuscita della chiodatura, è necessario che: St < 4 d (solo in casi particolari e per grossi diametri si può arrivare a 5 volte il diametro). 15

16 7. METODI DI COLLEGAMENTO: CHIODATURA Chiodatura I chiodi si dispongono in una o più file parallele. La distanza tra i loro assi (i): 3 d < i < 5 d (in casi eccezionali può ammettersi i = 7 d). La distanza dal bordo (b): 2 d < i < 3 d In relazione allo spessore minore (Smin), i < 15 Smin per elementi compressi; i < 25 Smin per elementi tesi; La distanza b dai bordi deve risultare minore di 6 volte lo spessore smin. 7. METODI DI COLLEGAMENTO: CHIODATURA Chiodatura L unione dei pezzi può essere fatta: 1) per sovrapposizione; 2) con coprigiunto semplice; 3) con coprigiunto doppio. Nel primo e secondo caso il chiodo è sollecitato a taglio in una sola sezione, mentre nel terzo caso il chiodo tende a essere reciso in due sezioni. Il gambo del chiodo è anche sottoposto a sforzi di flessione, più accentuati nei primi due tipi di unione, mentre nel terzo la flessione è quasi nulla. 16

17 7. METODI DI COLLEGAMENTO: CHIODATURA Chiodatura Se la distanza dei fori dai lembi non è sufficiente, il chiodo può provocare la rottura in vari modi. Bullonatura La bullonatura è eseguita impiegando viti e bulloni, Viti per unioni di parti poco sollecitate e di modesta entità; Bulloni per collegamenti provvisori, dove non sia possibile utilizzare attrezzatura necessaria alla chiodatura o dove l utilizzo sia più efficace. 17

18 Bullonatura Il bullone è costituito da: un gambo filettato parzialmente, una testa esagonale; un dado avvitato nella parte filettata eventuale rondella, per migliore ripartizione di pressione. L impiego di bulloni è consigliabile quando lo spessore degli elementi da unire è notevole, per cui il ricalcamento della chiodatura non appare sufficiente a riempire il foro. Bullonatura Per strutture con carichi dinamici si deve applicare anche il controdado, oppure rosette (grower) di tipo speciale elastico, tali da impedire l allentamento del dado. 18

19 Bullonatura I diametri dei bulloni vanno di 2 in 2 mm e le misure commerciali vanno da 12 mm e terminano a 24 mm. Per fori e le distanze, valgono le stesse norme delle chiodature in precedenza riportate. I bulloni sono prodotti con acciaio normale o ad alta resistenza. L acciaio ad alta resistenza è usato per le cosiddette bullonature di attrito. Sono quelle realizzate con bulloni i cui dadi sono serrati con un meccanismo misuratore della coppia applicata; il serraggio è compiuto in due fasi: nella prima si applica solo il 60% della coppia prescritta e nella seconda si completa l operazione serrando completamente i bulloni. Saldatura La saldatura è la tecnica di collegamento più recente, che sta rapidamente soppiantando gli altri sistemi. La tipologia più pratica e diffusa per i collegamenti di elementi metallici nelle costruzioni civili è quella per fusione, sia con arco elettrico che a combustione di gas. 19

20 Saldatura La saldatura ad arco elettrico, detta saldatura elettrica, si utilizza: per l unione di tubi per impianti termici, ringhiere, cancellate e simili. L operazione risulta assai semplice e non occorre una grande attrezzatura. È sufficiente un generatore di corrente a basso voltaggio e altissima intensità, in genere di modesto ingombro, che può essere facilmente trasportato sui luoghi di impiego; dal generatore partono due cavi, uno da collegare al pezzo da saldare, l altro munito di una speciale pinza porta elettrodo. Saldatura L elettrodo deve essere tenuto a una brevissima distanza dal pezzo da saldare, in modo che si possa formare l arco voltaico; L arco voltaico è luminosissimo e produce raggi ultravioletti (per cui è indispensabile l uso di speciali occhiali o schermo protettivo) e altissima temperatura, tale da fondere l elettrodo metallico e riscaldare fortemente il pezzo da unire. Il metallo fuso dell elettrodo si deposita sul punto e salda le parti, costituendo il cordone di saldatura. Gli elettrodi sono costituiti di metallo analogo a quello da saldare e rivestiti di ossido di alluminio o di silicio, che migliora la saldatura rendendo stabile e uniforme l arco voltaico. Per poter effettuare la saldatura elettrica occorre che i pezzi da collegare abbiano un certo spessore; le lamiere molto sottili fondono formando un buco e non si riesce a saldarle. 20

21 Saldatura La saldatura a combustione di gas, è adatta a qualsiasi spessore. Si utilizza la fiamma ossidrica (ricavata da idrogeno e ossigeno) oppure la fiamma ossiacetilenica (ricavata da ossigeno e acetilene), prodotta da uno speciale cannello. L attrezzatura per la saldatura a combustione di gas, o più semplicemente autogena, comprende due pesanti bombole di acciaio contenenti i gas compressi, munite di manometri e dispositivi di sicurezza, tubazione di adduzione dei gas e cannelli di vario tipo e dimensione, che sono usati per saldare o per tagliare il metallo. Saldatura La fiamma prodotta dal cannello può raggiungere varie temperature, in relazione alla miscelazione dei gas impiegati; si può arrivare a circa 3100 C con l ossiacetilene, e a 2700 C con la fiamma ossidrica. La fiamma provoca la fusione dei bordi delle parti da unire, che si saldano anche senza aggiungere altro metallo (metallo di apporto). In genere però le saldature si eseguono con metalli di apporto adatti, ai quali sono aggiunte sostanze che servono a impedire la formazione di ossidi durante la combustione. 21

22 Saldatura Quando i pezzi da unire hanno spessori maggiori di 5 mm, è indispensabile una preparazione detta cianfrinatura; gli angoli dei lembi da unire sono smussati in modo da ottenere cordoni di saldatura uniformi e resistenti. Saldatura Se il pezzo da saldare ha un notevole spessore, la saldatura si esegue in più passate, cominciando dal vertice del cianfrino. 22

23 Saldatura La saldatura, dovendo trasmettere le sollecitazioni da un elemento all altro di una struttura, deve essere eseguita perfettamente. La verifica dell esecuzione si può fare a vista, esaminando il cordone di saldatura, oppure con speciali e costose apparecchiature a radiazione o a ultrasuoni che possono essere impiegate solo in officine specializzate. Per i normali lavori di costruzioni civili, è sufficiente riscontrare che non ci siano i difetti che sono descritti nella seguente tabella. 23