La laminazione a caldo

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1 Caratteristiche degli acciai per c.a. La direttiva comunitaria sui prodotti da costruzione richiede che l acciaio per C.A. principalmente possieda due caratteristiche: Un livello minimo di resistenza allo snervamento Un livello minimo di duttilità La laminazione a caldo Forno preriscaldo 1

2 Produzione dei tondini per C.A. Processi produttivi Nella produzione di acciai per c.a. esistono diversi processi produttivi che rispondono differentemente alle proprietà richieste dalla normativa. Si possono quindi individuare cinque tipologie di acciai: Acciai tradizionali non saldabili Acciai microlegati Acciai trattati in laminazione Acciai da stretching Acciai deformati a freddo 2

3 Acciai tradizionali non saldabili Per questo processo il livello minimo di snervamento è ottenuto attraverso l'analisi chimica ed in particolare mediante un tenore di carbonio piuttosto elevato ( %). Dopo la laminazione a caldo un raffreddamento lento consente di ottenere elevati livelli di duttilità. L acciaio non è saldabile perché le zone circostanti la saldatura diventano fragili: il livello minimo della resistenza è mantenuto, ma si ha un calo drastico della duttilità. Acciai tradizionali non saldabili Se la fase elastica è oltrepassata il materiale non è in grado localmente di assorbire energia in modo duttile e cede di schianto. Data la notevole diffusione del processo di saldatura nei cantieri questi acciai sono ormai in disuso. 3

4 Acciai microlegati Per superare il problema della saldabilità in cantiere sono stati messi a punto acciai detti microlegati ai quali alcune aggiunte nella composizione chimica di elementi come vanadio, titanio, niobio, etc... consentono di raggiungere i livelli di resistenza previsti senza pregiudicare la duttilità. Anche questi acciai fanno parte dei laminati a caldo, così come gli acciai tradizionali. L alto costo di produzione spesso ne pregiudica l utilizzo. Acciai trattati in laminazione (Tempcore) La laminazione a caldo è seguita da un trattamento termico fatto in linea, quindi senza ricorrere ad analisi e all arricchimento in Carbonio o microleganti. Subito dopo l'ultima deformazione alla temperatura di laminazione ( C) il materiale viene investito da un getto d'acqua in pressione che provoca il rapido raffreddamento della superficie (tempra). Il cuore del tondo invece subisce un raffreddamento più lento. In questo modo si ottiene un materiale composto da due diverse strutture: una corona esterna temprata e rinvenuta caratterizzata da elevata resistenza ed una interna caratterizzata da elevata duttilità. I processi produttivi sono noti con i nomi commerciali di Thermex e Tempcore. 4

5 Il processo tempcore Trattamento Tempcore effetti microstrutturali 5

6 Acciai deformati a freddo Questo processo viene normalmente eseguito su materiali saldabili. Il livello di resistenza minimo viene ottenuto mediante una profonda deformazione a freddo con una riduzione della sezione sino al 30% Questa consistente deformazione provoca un incrudimento del materiale, quindi un aumento della sua resistenza, caratterizzato però da una riduzione della duttilità. Acciai deformati a freddo Sono materiali che hanno avuto una diffusione importante fino ad alcuni anni fa cioè finché non è emersa la necessità di privilegiare la duttilità soprattutto nelle strutture destinate alle zone sismiche. L'incrudimento del materiale riduce la capacità residua di assorbire energia deformandosi. L'introduzione nelle norme di parametri che indicano un limite inferiore alla duttilità ha comportato un calo nell utilizzo di questi materiali. 6

7 Incrudimento s f y3 f y2 R s R s incrudimento f y1 R s e Acciai laminati a caldo e a freddo 1. Carico di snervamento / incrudimento 2. Deformabilità 3. Rapporto ft/fy 4. Fattore di energia assorbita => duttilità 5. Calcolo di fy => retta 0.2% 7

8 Materiali e prodotti per uso strutturale I materiali e prodotti per uso strutturale devono essere, secondo normativa: Identificati mediante descrizione del fabbricante Certificati con documentazione di attestazione che documentino proprietà chimiche, fisiche e meccaniche Accettati dal Direttore dei lavori mediante controllo delle certificazioni e prove sperimentali aggiuntive Gli acciai per uso strutturale Prescrizioni comuni a tutti i tipi di acciaio I controlli effettuati in fabbrica sono permanenti durante tutto il ciclo di produzione per mantenere uguale livello di affidabilità del prodotto finito indipendentemente dal processo produttivo. Il sistema di controllo della qualità deve essere coerente alla normativa UNI EN 9001 e certificato da un ente terzo Se al prodotto non fosse possibile applicare la marcatura CE, si esegue una procedura di qualificazione certificata dal Servizio Tecnico Centrale. Tale certificazione ha validità di 5 anni. 8

9 Acciai per CEMENTO ARMATO Sono ammessi solo acciai saldabili qualificati e ottenuti attraverso 2 processi produttivi diversi: Laminazione a caldo Trafilatura a Freddo Acciaio per cemento armato laminato a caldo L acciaio utilizzato è denominato B450C ed è caratterizzato dai valori nominali delle tensioni di snervamento e rottura seguenti: F y nom =450 N/mm 2 F t nom =540 N/mm 2 Tale acciaio deve inoltre rispettare i seguenti requisiti: 9

10 Acciaio per cemento armato laminato a caldo f yk f y nom (N/mm 2 ) f tk f t nom (N/mm 2 ) 1.15 (f t /f y ) k 1.35 (f y /f y nom ) k 1.25 Allungamento maggiore o uguale al 7.5% Inoltre si eseguono prove di piega a 90 e si verifica che dopo il raddrizzamento non siano presenti cricche. Acciaio per cemento armato trafilato a freddo L acciaio è denominato B450A ed ha i medesimi valori nominali di snervamento e rottura dell acciaio B450C È utilizzato per produrre tondini di piccolo diametro, compreso tra 5 e 10 mm I requisiti meccanici che deve rispettare sono diversi: 10

11 Acciaio per cemento armato trafilato a freddo f yk f y nom (N/mm 2 ) f tk f t nom (N/mm 2 ) (f t /f y ) k 1.05 (f y /f y nom ) k 1.25 Allungamento maggiore o uguale al 2.5% Anche per questo acciaio si eseguono prove di piega a 90 (diametro del mandrino è pari a 4 volte f) e si verifica che dopo il raddrizzamento non siano presenti cricche. Accertamento delle proprietà meccaniche La prova di piegatura a 90 si esegue a temperatura ambiente (circa 20 C) piegando la provetta a 90. La si porta poi a 100 C circa per 60 minuti e successivamente al suo raffreddamento in aria si procede al raddrizzamento per almeno 20. Al termine di quest ultima operazione si verifica che sulla superficie laterale del provino non si siano formate cricche. 11

12 Prove di piega a 90 Diametro del mandrino per prove di piega a 90 12

13 CONFRONTI Acciaio laminato a Acciaio trafilato a caldo freddo Nomenclatura B450C B450A f yk f y nom 450 MPa 450 MPa f tk f t nom 540 MPa 540 MPa (f t /f y ) k 1.15 (f t /f y ) k (f y /f y nom ) k Allungamento a rottura (%) maggiore o uguale al 7.5% maggiore o uguale al 2.5% Prova di piegatura a 90 Esito positivo Esito positivo Accertamento delle proprietà meccaniche Le normative di riferimento sono: UNI EN ISO : barre e vergella UNI EN ISO : reti elettrosaldate 13

14 Accertamento delle proprietà meccaniche Per acciai deformati a freddo le prove si eseguono dopo aver mantenuto il provino a 100 C circa per 60 minuti e successivamente raffreddato in aria calma Quando lo snervamento non è identificabile, si sostituisce il valore della tensione di snervamento (f y ) con il valore della tensione cui corrisponde una deformazione longitudinale plastica residua pari allo 0.2% Caratteristiche dimensionali L acciaio per cemento armato viene prodotto in genere sotto forma di barre o rotoli, reti o tralicci per uso diretto o da trasformare ulteriormente. Può essere trasformato anche prima di essere fornito al cantiere per ottenere: Elementi presagomati (staffe,ferri piegati, ) Elementi preassemblati (gabbie per armatura, ) 14

15 Caratteristiche dimensionali Tutti gli acciai per cemento armato devono essere ad aderenza migliorata, cioè dotati di nervature trasversali sulla superficie laterale, distribuite su tutta la lunghezza. Queste nervature favoriscono l aderenza fra acciaio e conglomerato cementizio. Paese Numero di nervature Austria, Germania 1 Belgio, Lussemburgo, Paesi Bassi, Svizzera Francia 3 Italia 4 Irlanda, Islanda, Regno Unito Danimarca, Filandia, Norvegia, Svezia Portogallo, Spagna 7 Grecia

16 Caratteristiche dimensionali - Barre e rotoli - Le barre sono caratterizzate dal diametro della barra liscia tonda equipesante, assumendo la densità dell acciaio pari a 7.85 Kg/dm 3 Il diametro deve essere compreso tra 6 e 40 mm Per barre con diametro maggiore di 40 mm la struttura è da considerarsi composta e valgono le regole delle strutture composte acciaio-conglomerato cementizio Caratteristiche dimensionali - Barre e rotoli - Per gli acciai B450A, il diametro delle barre deve essere compreso tra 5 e 10 mm. L uso di acciai forniti in rotoli è ammesso, senza limitazioni, per diametri fino a 16 mm per B450C e fino a 10 mm per B450A. 16

17 Tolleranze dimensionali Le deviazioni ammissibili secondo le Norme Tecniche per le Costruzioni sono: ± 6% diametro nominale 5-8 mm ± 4.5% diametro nominale 8-50 mm i valori sono espressi in % sulla sezione di impiego Accettazione in cantiere degli acciai per armatura I controlli sono obbligatori e da effettuarsi su 3 spezzoni per un diametro per ogni lotto di spedizione di acciaio se proveniente da diversi stabilimenti. La prova deve essere effettuata entro 30 giorni dalla consegna del materiale in cantiere Esistono dei parametri limite per l accettazione di detti acciai 17

18 Accettazione in cantiere degli acciai per armatura I controlli fy minimo: sono obbligatori 425 e da N/mm effettuarsi 2 su 3 spezzoni per ogni diametro per ogni partita fy di massimo: acciaio se proveniente 572 N/mm da diversi 2 Agt stabilimenti. minimo: maggiore del 6% per acciai Esistono dei parametri laminati a limite caldo per l accettazione di detti acciai Agt minimo: maggiore dell 2% per acciai trafilati a freddo Accettazione in cantiere degli acciai per armatura Rottura/snervamento Rottura/snervamento 1.13<ft/fy<1.37 laminati a caldo ft/fy>1.03 trafilati a freddo Piegamento/raddrizzamento assenza cricche 18

19 Accettazione in cantiere degli acciai per armatura Se i tre risultati delle prove sono maggiori o uguali ai valori prescritti il lotto è da considerare conforme. Se i criteri non sono soddisfatti devono essere prelevati ulteriori 10 provini in presenza del produttore che può assistere alle prove. La conformità è stabilita sulla media dei dieci risultati ottenuti. Obblighi del Direttore dei Lavori Il direttore dei lavori: cura il prelievo dei campioni e deve assicurare con sigle o etichettature che i campioni inviati al laboratorio incaricato siano effettivamente quelli prelevati sottoscrive la domanda di prove al laboratorio autorizzato, contenente precise indicazioni (in caso di mancata sottoscrizione le certificazioni non hanno valenza ai sensi del decreto) 19

20 Certificati I certificati emessi dai laboratori devono contenere: L identificazione del laboratorio che rilascia il certificato Identificazione univoca del certificato (numero di serie, data emissione, numerazione pagine) Identificazione del committente dei lavori in esecuzione e del cantiere di riferimento Certificati Nominativo del direttore dei lavori che richiede la prova Descrizione e identificazione dei campioni da provare Data di consegne e di esecuzione prove Specifiche di prova, procedura adottata (indicazione delle norme di riferimento) Dimensioni effettivamente misurate dei campioni Risultati delle prove di resistenza e di piega 20

21 Prove di aderenza È discrezione del direttore dei lavori eseguire il controllo, se giudicato opportuno. La prova è costituita dal cosiddetto Beam-test (CNR-UNI 10020). Le prove sono eseguite sulle barre scelte in almeno tre intervalli di diametro: Una con diametro nell intervallo 5-10 mm Una nell intervallo mm Una di diametro massimo Reti e tralicci elettrosaldati I nodi delle reti, secondo la normativa UNI EN ISO , devono resistere ad una forza di distacco pari al 25% della forza di snervamento della barra stessa (quella di diametro maggiore). Reti e tralicci possono essere prodotti sia dallo stesso produttore delle barre singole che esternamente. In questo ultimo caso le barre devono essere dotate dell opportuna qualificazione ed il manufatto finito deve essere marcato per rendere identificabile il produttore. 21

22 Saldabilità Spesso gli acciai per usi generali necessitano di operazioni di saldatura in opera. Si parla di saldabilità di un materiale quando è possibile effettuare un operazione di saldatura in campo senza effettuare successivi trattamenti termici in cantiere. Giunzioni saldate La saldatura prevede la giunzione di due elementi metallici realizzata mediante apporto di materiale fuso. Il gradiente termico sviluppato durante l operazione determina la presenza di tre zone metallurgicamente diverse. 22

23 Giunzioni saldate La zona di completa fusione 2.La zona termicamente alterata 3.Il metallo base inalterato La ZTA Problemi derivanti dal surriscaldamento: Microstruttura ingrossata e formazione di strutture dure Diminuzione della resistenza a trazione Infragilimento e formazione di precipitati 23

24 La saldabilità degli acciai L analisi chimica effettuata durante la colata e quella eventualmente effettuata sul prodotto finito forniscono la percentuale degli elementi chimici presenti nell acciaio in questione Il tenore dei vari elementi chimici deve soddisfare opportune limitazioni riportate nella seguente tabella La saldabilità degli acciai Massimo contenuto di elementi chimici in % Analisi di prodotto Analisi di colata Carbonio C Fosforo P Zolfo S Rame Cu Azoto N Carbonio Equivalente C eq

25 La saldabilità degli acciai In tabella è indicato il calcolo del Carbonio equivalente (C eq ), effettuato utilizzando la seguente formula: C eq = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 Il carbonio equivalente è un indice della saldabilità dell acciaio in quanto più questo assume valori elevati, meno l acciaio risulta saldabile. La saldabilità degli acciai Per gli acciai con percentuale di carbonio maggiore dello 0.1%: Se il carbonio equivalente è inferiore a 0.45 l acciaio è saldabile e non dà luogo a cricche Per acciai con percentuale di C < 0.1% si utilizzano formule differenti 25

26 La saldabilità degli acciai È possibile eccedere il valore massimo di carbonio dello 0.03% in massa a patto che il valore del C eq venga ridotto dello 0.02% in massa Contenuti di azoto (N) più elevati sono consentiti in presenza di una sufficiente quantità di elementi che fissano l azoto stesso Tecniche di saldatura Le tecniche di saldatura maggiormente utilizzate nella realtà applicativa sono: Saldatura manuale ad arco con elettrodo fusibile Saldatura semiautomatica ad arco con filo continuo fusibile in atmosfera protetta 26

27 Saldatura manuale ad arco con elettrodo fusibile Calore (4000 C) fornito da arco elettrico tra pezzo e elettrodo Innesco arco con iniziale contatto Scorre corrente di intensità elevata che surriscalda elettrodo e metallo base, ionizza aria e innesca arco Energia arco si trasforma in calore Saldatura semiautomatica ad arco con filo continuo fusibile in atmosfera protetta Gas protettivo MIG: argon, elio MAG: CO 2 Elettrodo: filo continuo fusibile Arco tra filo e metallo base Dispositivi semiautomatici o automatici Corrente continua con polarità inversa Arco, metallo base fuso e metallo d apporto in ambiente inerte 27

28 Modalità di giunzione Le saldature utilizzate per i collegamenti portanti e per l assemblaggio sono: Saldatura di testa con preparazione del cianfrino Saldatura con giunti a sovrapposizione e a copri giunto Saldatura con giunti a croce Saldatura di testa con preparazione del cianfrino Richiede diametri >= 20 mm. Gli estremi degli elementi da collegare devono essere cianfrinati, ovvero tagliati a forma di scalpello. Il deposito del materiale d apporto deve essere effettuato in più passate. Viene realizzata secondo uno schema a V o a doppia V (detto anche ad X). V 60 X 28

29 Saldatura con giunti per sovrapposizione È la giunzione tipica delle strutture portanti. Ne esistono diverse varianti, tra le quali la più efficace risulta essere la tecnica a coprigiunto a rinforzi laterali. > 4d > 4d > 2d d Saldatura con giunti per sovrapposizione Schema caratteristico per le strutture assemblate, non portanti: d > 2d 29

30 Saldatura con giunti a croce Non richiede particolari operazioni preliminari e ciò la rende ampiamente utilizzata sia per le strutture portanti che per semplici assemblaggi. La saldatura è realizzata con un unico cordone e l arco è innescato sulla barra non portante. Parametri di saldatura In funzione del tipo di giunto, dell elettrodo, della resistenza da ottenere esistono parametri che influenzano la saldatura. I principali sono: N di passate Diametro dell elettrodo Classe dell elettrodo Intensità di corrente e tensione Velocità filo 30

31 Resistenza delle saldature Il principio generale che garantisce la validità di una saldatura è quello del rispetto della resistenza allo snervamento. La conformità è legata a prove di trazione o di strappo su di un campione contenente la saldatura. È discrezione del direttore dei lavori eseguire il controllo, se giudicato opportuno. Resistenza delle saldature un giunto a sovrapposizione deve garantire una resistenza a trazione maggiore o uguale al 60% della resistenza a rottura dell acciaio da saldare un giunto a croce deve possedere una resistenza allo strappo pari al 30% della resistenza allo snervamento dell acciaio da saldare. 31

32 Calcestruzzo precompresso - pretensionamento 32

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34 Calcestruzzo precompresso - postensionamento Acciaio per precompresso Viene di norma fornito sotto forma di: Filo: trafilato, possibile fornitura in rotoli Barra: laminato, fornitura esclusiva in elementi rettilinei Treccia: 2 o 3 fili avvolti ad elica intorno al comune asse longitudinale Trefolo: fili avvolti attorno ad uno centrale 34

35 Fili Possono essere sia tondi che di altre forme e sono caratterizzati da: Diametro nominale Oppure Diametro nominale equivalente riferito alla sezione circolare equipesante. Non è previsto l impiego di fili lisci per strutture in precompresso pre-tesate. 35

36 Barre Possono essere di tre tipi: Lisce Con filettatura continua o parziale Con risalti Sono caratterizzate dimensionalmente dal loro diametro nominale. 36

37 Attenzione I fili forniti in rotoli, siano essi lisci o con impronte, qualora srotolati non devono presentare curvatura residua eccessiva (la norma indica la freccia massima di 400 mm) I fili non devono assolutamente essere saldati se non prima della trafilatura!!! Gli acciai posti in opera devono essere privi di ossidazione consistente, corrosione, difetti superficiali visibili o pieghe. Cura nella movimentazione, stoccaggio e messa in opera Gli acciai da precompressione, in condizioni di umidità ambientale possono essere soggetti al fenomeno della corrosione sotto sforzo che porta alla rottura di schianto in opera per valori di carico inferiori al carico di rottura. 37

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39 Fragilità Attenzione: gli acciai da precompressione possiedono elevate caratteristiche meccaniche, quindi sono soggetti a problemi di fragilità legati alla durezza ed alla scarsa deformabilità. 39

40 Caratteristiche meccaniche degli acciai da precompressione Gli acciai da precompressione devono possedere le caratteristiche meccaniche presentate nella seguente tabella. Vengono considerate 2 grandezze di interesse: Il carico di rottura Il carico di snervamento Tipi di acciaio Barre Fili Trefoli / Trecce Trefoli e trecce a fili sagomati Tensione di rottura N/mm 2 Maggiore o uguale a 1000 Maggiore o uguale a 1600 Maggiore o uguale a 1860 Maggiore o uguale a 1820 Tensione di snervamento N/mm 2 Maggiore o uguale a

41 Il fenomeno del rilassamento degli acciai Qualora andiamo ad applicare ad un materiale metallico una sollecitazione duratura nel tempo, di entità pari o maggiori al 70% della tensione di rottura, l acciaio continua a deformarsi nel tempo finché, per effetto di incrudimento, vengono bloccate ulteriori deformazioni. s Meccanismo dello scorrimento viscoso e T t t 41

42 e Rilassamento nelle barre da precompressione e imposto s t s spi s infinito t Rilassamento delle armature di precompressione Il fenomeno del rilassamento è tollerato entro certi limiti, ben definiti dalla normativa. I valori riportati nella tabella seguente si riferiscono ad armature soggette alla tensione iniziale s spi pari al 75% della tensione di rottura. La normativa prescrive l entità del rilassamento accettabile inteso come percentuale della tensione iniziale applicata. 42

43 Rilassamento delle armature di precompressione Tipo di armatura Tensione di rilassamento dopo un tempo infinito Filo trafilato Treccia 15% di s spi 20% di s spi Trefolo 18% di s spi Barra laminata 12% di s spi Procedure di controllo I controlli in cantiere sono OBBLIGATORI prelevando 3 saggi per ogni lotto di spedizione. Nel caso in cui i valori ottenuti siano inferiori rispetto alle condizioni previste dalla normativa, si procede all esecuzione di ulteriori prove su almeno 10 saggi costituenti un campione statistico più ampio. Se ancora non vengono rispettati i valori minimi richiesti si conduce un ulteriore verifica su altri 10 saggi. 43

44 Procedure di controllo L ulteriore risultato negativo obbliga il Direttore dei Lavori a comunicare il risultato anomalo al laboratorio che ha effettuato le analisi ed al Servizio Tecnico Centrale. La responsabilità del prelievo dei campioni è del Direttore dei Lavori stesso che deve in prima persona sottoscrivere la domanda di prove di laboratorio sul materiale da accettare. 44