Lezione n.3 LE UNIONI CHIODATE, BULLONATE E SALDATE

Transcript

1 Lezione n.3 LE UNIONI CHIODATE, BULLONATE E SALDATE 1

2 LE UNIONI I mezzi di unione in carpenteria metallica si classificano in: - unioni chiodate; - unioni bullonate; - unioni ad attrito con bulloni ad alta resistenza; - unioni con perni; - unioni saldate. UNIONI CORRENTI: Hanno il compito di assemblare i singoli laminati così da formare le membrature. Ad esempio quelle che servono a realizzare una trave composta a partire da ferri piatti ed angolari. UNIONI DI FORZA: Hanno il compito di collegare le membrature per dar luogo alla struttura completa. 2

3 CARATTERISTICHE DEI VARI TIPI DI UNIONE Le unioni con bulloni, sia normali che ad alta resistenza, costituiscono collegamenti rimovibili, mentre collegamenti definitivi sono quelli ottenuti con chiodatura o con saldatura. I collegamenti in officina sono eseguiti con tutti sistemi; in cantiere, è preferibile eseguire la bullonatura. La saldatura e la chiodatura in cantiere vengono evitate sia perchè riesce difficile il controllo delle unioni, sia per il costo dell'operazione. Tuttavia, in alcune particolari condizioni si ricorre alle saldature in opera. La chiodatura va oggi facendosi più rara, rimpiazzata dalla bullonatura che ha il vantaggio della rapidità della messa in opera. 3

4 UNIONI CHIODATE La messa in opera del chiodo prevede le seguenti operazioni: - foratura dei pezzi da collegare; - montaggio dei bulloni provvisori per assemblare i vari pezzi; - riscaldamento del chiodo, suo alloggiamento e ribaditura. La classificazione dei chiodi da carpenteria distingue: -chiodi a testa tonda stretta; -chiodi a testa svasata piana; -chiodi a testa svasata con calotta. 4

5 Diametro nominale chiodo (d) Diametro foro (D) 10 mm 10.5 mm 13 mm 14 mm 16 mm 17 mm 19 mm 20 mm 22 mm 23 mm 25 mm 26 mm Con la ribaditura del chiodo, quest ultimo acquista il diametro del foro Per la verifica di resistenza della chiodatura si assume il diametro del foro durante il raffreddamento si genera nel chiodo uno sforzo di trazione che si traduce in una pressione fra le superfici a contatto dei pezzi chiodati. L'attrito che si sviluppa può di conseguenza opporsi allo scorrimento degli elementi; tuttavia, dato che nel tempo tale attrito diminuisce, nel calcolo si fa affidamento alla sola resistenza a taglio del chiodo. 5

6 UNIONI BULLONATE Le verifiche delle unioni bullonate si effettuano come quelle chiodate salvo a mettere in conto, nelle formule, il diametro effettivo del bullone. Di regola si impiegano bulloni composti da viti a testa esagonale con filettatura metrica IS0 a passo grosso, estesa ad un tratto parziale del gambo. Diametro vite Diametro foro Diametro foro calibrato

7 RESISTENZA DELLE VITI La resistenza delle viti viene contraddistinta attraverso due numeri separati da un punto: Il primo moltiplicato per 100 indica la tensione ft in N/mm 2 il secondo moltiplicato per 10 esprime il rapporto minimo fy /ft. Le viti sono contraddistinte dagli indici 4.6; 5.6; 6.8; 8.8; Tensioni caratteristiche nei bulloni Stato limite Classe vite f tb [N/mm 2 ] f yb [N/mm 2 ] f k,n [N/mm 2 ] f d,n [N/mm 2 ] f d,v [N/mm 2 ] σ b,adm [N/mm 2 ] τ b,adm [N/mm 2 ]

8 VERIFICHE DELLE UNIONI A TAGLIO L'analisi elastica dello stato di tensione presente negli elementi che compongono un giunto si presenta complessa. A causa dell adattamento plastico del collegamento si assume una sollecitazione media uniforme per tutti i chiodi o bulloni. 8

9 Per verificare il corretto dimensionamento a taglio di un giunto occorre constatare che: a)gli elementi connessi non siano eccessivamente indeboliti dalla presenza dei fori; b) la pressione media esercitata dal gambo sul contorno del foro (pressione di rifollamento) non risulti troppo elevata; c) la tensione tangenziale media nel gambo del chiodo o del bullone non sia superiore a limiti prefissati. 9

10 a) Indebolimento dovuto alla presenza dei fori: La prima delle tre verifiche si effettua determinando la resistenza media agente lungo la più sfavorevole linea di possibile rottura, scelta in modo tale che l'area della sezione resistente risulti la minima possibile. Indicando con Av,net l'area della sezione resistente minima, il taglio ultimo Vu,Rd corrispondente vale: Essendo: 0.577A V = 1.05 v,net u, Rd = f y 0.55f y Av,net A V,net = t w L Veff con L Veff = L V + L 1 + L 2. 10

11 In rapporto al diametro d dei fori ed al più piccolo tra gli spessori collegati devono essere soddisfatte le limitazioni seguenti (D.M. 2008): -interasse fori in direzione della forza elementi compressi 14 t p d -distanza fori dal bordo libero in direzione della forza 4t+40 mm e d in direzione perpendicolare alla forza 4t+40 mm e 2 1,2 d p 1 è la distanza tra i centri dei fori contigui; e 1 è la distanza dal centro di un foro al margine degli elementi da collegare, ad esso più vicino, nella direzione dello sforzo; e 2 è la distanza come la precedente e 1, ma ortogonale alla direzione dello sforzo. 11

12 b)tensioni di rifollamento: La resistenza di calcolo a rifollamento Fb,Rd bullonata o chiodata, può essere assunta pari a F = k α f d b, Rd tk / M 2 t γ del piatto dell unione, d è il diametro nominale del gambo del bullone, t è lo spessore della piastra collegata, ftk è la resistenza a rottura del materiale della piastra, α = α = { e /(3d ) ; f tb f ;1} min 0 1 t { p /(3d ) 0.25; f tb f ;1} min 0 1 t Bulloni di bordo nella direzione del carico applicato Bulloni interni nella direzione del carico applicato k k { 2.8e 1.7 ; 2.5} = min d0 2 { 1.4 p 1.7 ; 2.5} = min d0 2 Bulloni di bordo nella direzione perpendicolare al carico applicato Bulloni interni nella direzione perpendicolare al carico applicato 12

13 c)resistenza di calcolo a taglio dei bulloni e dei chiodi: La resistenza di calcolo a taglio dei bulloni e dei chiodi Fv,Rd, per ogni piano di taglio, può essere assunta pari a: F F F v, Rd v, Rd v, Rd = = = f f f tb tb tr A A A res res 0 γ γ γ M 2 M 2 M 2 bulloni bulloni per i classe classe chiodi 4.6, e e 10.9; 8.8; Ares è l area resistente della vite, si adotta quando il piano di taglio interessa la parte filettata. Se il piano di taglio interessa il gambo non filettato si ha: Fv Rd = 0.6 ftb A M 2 bulloni,, γ tutte le classi di resistenza A indica l area nominale del gambo della vite, ftb, indica la resistenza a rottura del bullone, ftr indica la resistenza del chiodo, Ao indica la sezione del foro, γ M2 = 1.25 per la resistenza dei bulloni e dei chiodi. La verifica dell unione a taglio è positiva se il taglio è inferiore al valore minimo tra le resistenze calcolate nei punti a), b), c). 13

14 VERIFICHE DELLE UNIONI A TRAZIONE La resistenza di calcolo a trazione degli elementi di connessione Ft,Rd può essere assunta pari a: F F t, Rd t, Rd = = f f tb tr A A res res γ γ M 2 M 2 per per i i bulloni chiodi Inoltre, nelle unioni bullonate soggette a trazione è necessario verificare la piastra a punzonamento; ciò non è richiesto per le unioni chiodate. La resistenza a punzonamento del piatto collegato è pari a: B p, Rd = 0. 6π dmt p ftk γ M 2 dm è il minimo tra il diametro del dado e il diametro medio della testa del bullone; tp è lo spessore del piatto e ftk è la tensione di rottura dell acciaio del piatto. 14

15 La resistenza complessiva della singola unione a trazione è data dal minimo tra i valori della resistenza a trazione degli elementi di connessione e della resistenza a punzonamento. I bulloni soggetti alla combinazione di azione tagliante e trazione dovranno inoltre soddisfare la seguente relazione: F F v,ed v,rd + F t,ed 1.4F t,rd 1 F t, Ed Con la limitazione 1 F t, Rd 15

16 La precedente espressione, nel piano Ft - Fv definisce il dominio di resistenza dei bulloni compreso tra gli assi di riferimento ed una retta passante per i punti FvRd ed 1.4 Ft,Rd, ma delimitato dalla verticale condotta per Ft,Rd. Nella figura sono riportati i domini di resistenza espressi dal D.M. 14/01/2008 (e dall EC3) e dalle norme CNR. 16

17 UNIONI AD ATTRITO CON BULLONI AD ALTA RESISTENZA Il meccanismo di funzionamento dell'unione ad attrito trae origine dalle azioni tangenziali che si sviluppano tra le superfici premute per mezzo di pre-sollecitazioni applicate ai bulloni. L'unione richiede un'apposita preparazione delle superfici di contatto, così da dar luogo ad un coefficiente di attrito più elevato possibile e l'inserimento di una seconda rondella sotto la testa della vite. Il serraggio del bullone si opera con chiavi dinamometriche tali da consentire l'applicazione del momento torcente voluto in relazione al diametro del bullone e tale da generare a sua volta il prescritto sforzo assiale. Si impiegano bulloni di diametro: d = 12; 14; 16; 18; 20; 22; 24; 27; 30 mm e fori di diametro pari a quello del bullone maggiorato di 1.5 mm fino al diametro 24 mm e di 2 mm per diametri superiori. 17

18 Lo sforzo Tb trasmissibile da ciascun bullone è dato dalla relazione: dove: T b = n N sµ/ γ M3 n è il numero dei piani di contatto attraverso i quali si esplica l attrito; γμ3 è il coefficiente di sicurezza contro lo slittamento pari a 1.25 per lo stato limite ultimo e ad 1.10 per lo stato limite di esercizio; µ è il coefficiente di attrito pari a 0.45 per superfici trattate ed a 0.30 per superfici non particolarmente trattate e comunque nelle giunzioni effettuate in opera; Ns è la forza normale nel gambo del bullone, generata dalla coppia di serraggio Ts. 18

19 Di seguito sono riportati i valori delle suddette grandezze (Ts, Ns e Tb), in relazione al valore del coefficiente d'attrito, per lo SLU. 19

20 Prove da eseguire sui bulloni Sulle viti si eseguono le seguenti prove: - 1 Verifiche dimensionali - 2 Esame di difetti superficiali -3 Analisi chimica - 4 Trazione su provetta -5 Trazione su vite - 6 Trazione eccentrica su vite -7 Durezza VickersHV o RockwellHRC -8 Resilienza - 9 Tenacità della testa -10 Rescissione Sui dadi si eseguono le seguenti prove: - 1 Verifiche dimensionali - 2 Esame dei difetti superficiali -3 Analisi chimica -4 Durezza HV o HR - 5 Allargamento con mandrino tronco conico -6 Strappamento

21 UNIONI SALDATE La saldatura impiegata in carpenteria, è normalmente quella ad arco elettrico. Possono essere adottati i seguenti procedimenti: -saldatura manuale ad arco con elettrodi rivestiti; -saldatura automatica ad arco sommerso; -Saldatura semiautomatica sotto gas protettore - altri procedimenti di saldatura le cui attitudini di efficienza devono essere verificate preventivamente mediante apposite prove. 21

22 SALDATURA se Materiale base = Materiale d apporto SALDOBRASATURA o BRASATURA se Materiale base Materiale d apporto La saldabilità è influenzata da: FATTORI METALLURGICI: Un giunto saldato comporta una zona fusa le cui caratteristiche metallurgiche influenzano la resistenza del giunto saldato + una zona termicamente alterata FATTORI COSTRUTTIVI: Il giunto saldato deve avere caratteristiche tali da non compromettere la sicurezza della struttura nel suo complesso. 22

23 Generazione dell arco: Corrente continua - arco stabile -cordone uniforme Se l arco e in c.c., la polarità può essere: - diretta: metallo base collegato all anodo - inversa: metallo base collegato al catodo Polarita diretta: - alta deposizione Polarita inversa: - alta penetrazione Corrente alternata - sistema costoso - assenza soffio magnetico - alta deposizione 23

24 Saldatura ad arco con elettrodi rivestiti Classificazione UNI degli elettrodi rivestiti Sigla 1E = elettrodo rivestito Sigla 2 00=> ft del materiale di apporto non garantita»44 => ft compreso tra 44 e 56 dan/mm2»52 => ft compreso tra 52 e 62 dan/mm2 Sigla 3 L => idoneo per lamiere 4mm S => idoneo per lamiere sottili TT => idoneo per tubi Sigla 4 qualitàcrescente Sigla 5 B = basico C = cellulosico R = al rutilio Sigla 6 posizione di impiego consentita: = tutte le posizioni, 4 = solo in piano Sigla condizioni di alimentazione elettrica: corrente continua e polarità o corrente alternata Sigla 8 Rendimento ponderale: R 10 indicacheil 100% del peso dell anima si ritrova nel cordone Sigla 9 corrisponde alla temperaturatxsotto zero, in gradi C, alla quale l elettrodo può essere utilizzato

25 NORME EUROPEE SUGLI ELETTRODI La normativa europea di riferimento per gli elettrodi èla EN 499. La norma classifica, mediante una designazione alfanumerica, il tipo di elettrodo in funzione delle sue proprietà. Ad esempio: EN 499 E Ni B 5 4 H5 EN 499: Normativa di riferimento E: Elettrodo 46: Indica il carico di snervamento minimo 3: Garantito il valore di resilienza di 47J ad una temperatura di-30 C 1Ni: Composizione chimica che indica una percentuale di Nichel di circa 1.00% B: Tipo di rivestimento, in questo caso Basico 5: Rendimento e corrente 4: Posizione di saldatura H5: Il tenore di idrogeno su un deposito di 100gr di saldatura. Altre normative europee classificano gli elettrodi in base alla tipologia del riporto in saldatura, si vedano a tal proposito le norme EN 757-Materiali di apporto per saldatura -Elettrodi rivestiti per saldatura manuale ad arco di acciai ad alta resistenza - Classificazione EN 1599-Materiali di apporto per saldatura -Elettrodi rivestiti per saldatura manuale ad arco di acciai resistenti allo scorrimento viscoso - Classificazione EN 1600-Materiali di apporto per saldatura -Elettrodi rivestiti per saldatura manuale ad arco di acciai inossidabili e di acciai resistenti ad alta temperatura

26 Elettrodi - Norme AWS E -XX -XXE-elettrodo Primo numero individua la resistenza minimo a snervamento del metallo depositato (vedi tabella 1) Secondo numero- indica il tipo di elettrodo (vedi tabella 2) Resistenza e snervamento minimo del metallo depositato (N/mm²) Tabella 2 -Tipo di elettrodo 10 Elettrodi cellulosici per c.c. polarità inversa (polo positivo all'elettrodo) 11 Elettrodi cellulosici per c.a. o c.c. polarità inversa (polo positivo all'elettrodo) 12 Elettrodi al rutilo per c.a. o c.c. (polarità diretta) 13 Elettrodi al rutilo per c.a. o c.c. 14 Elettrodi al rutilo a elevato rendimento per c.a. o c.c. 15 Elettrodi basici per c.c. polarità inversa..

27 Elettrodi rivestiti Arco sommerso travi saldate Tecnologie e sistemi di lavorazione MIG - MAG La saldatura avviene in atmosfera protetta. L elettrodo è fusibile ed è alimentato in continuo (filo). Gas di protezione: L arco, il metallo fuso ed il bagno sono mantenuti in una atmosfera di gas protettivo che protegge dalla contaminazione dell aria. Si possono avere: - MIG: il gas è inerte ( Argon, Elio ) più costoso - MAG: il gas è CO2 o miscele di CO2 Vantaggi tecnologici del processo MIG/MAG: (rispetto al processo con elettrodi rivestiti). - continuità del processo di saldatura - assenza di scoria (produttivita) - migliore visibilità del bagno di fusione rispetto all arco sommerso - elevate velocità di saldatura - assenza di H2O nell atmosfera (infragilimento da idrogeno) 27

28 CLASSIFICAZIONE DELLE SALDATURE Le saldature vengono classificate a seconda della disposizione dei pezzi nei seguenti tipi fondamentali: a) unioni saldate testa a testa a completa penetrazione(groove weld); b) unioni saldate a croce o a T a completa penetrazione; c) unioni saldate con cordoni d'angolo (fillet weld); d) unioni saldate a parziale penetrazione. 28

29 I processi di laminazione e di saldatura sono accompagnato da tensioni residue Le tensioni interne residue sono pericolose nel caso di: STRUTTURE SOLLECITATE CHE LAVORANO A BASSA TEMPERATURA: rottura fragile. STRUTTURE SOGGETTE A CORROSIONE: le tensioni interne accelerano il processo. STRUTTURE SOGGETTE A CARICHI DI PUNTA: le tensioni interne aumentano l instabilità. Per eliminare le tensioni residue si può utilizzare un trattamento di distensione.

30 CLASSI DI SALDATURA Si distinguono, in base alla qualità di esecuzione, le seguenti due classi di saldatura: I classe - Comprende giunti effettuati con elettrodi di qualità 3 o 4 secondo UNI o con altri procedimenti verificati e realizzati con accurata eliminazione di ogni difetto al vertice prima di effettuare la ripresa o la seconda saldatura. Essi devono soddisfare ovunque l'esame radiografico con i risultati richiesti per il raggruppamento B della UNI L'aspetto della saldatura dovrà essere ragionevolmente regolare e non presentare bruschi disavviamenti col metallo base specie nei casi di sollecitazione a fatica. II Classe - Comprende i giunti effettuati con elettrodi di qualità 2, 3 o 4, e realizzati con eliminazione dei difetti prima di effettuare la ripresa o la seconda saldatura. Essi devono inoltre soddisfare l'esame radiografico con i risultati richiesti per il raggruppamento F della UNI

31 CIANFRINATURA Prima di deporre il cordone di saldatura deve essere effettuata un'accurata preparazione dei lembi delle lamiere (cianfrinatura). La scelta del profilo dei cianfrini dipende dai seguenti fattori: procedimento di saldatura; tipo di giunto; posizione della saldatura; natura e spessore del metallo base. Per giunti di testa di lamiere di modesto spessore ove il cordone è deposto da un solo lato si esegue la preparazione a V; per spessori maggiori si profilano i cianfrini a Y o a U per limitare i quantitativi di metallo d'apporto; Quando è possibile intervenire anche sul rovescio si ottengono le soluzioni migliori. Esiste una precisa simbologia per specificare gli elementi sopra indicati, della quale si riporta una sintesi nella figura seguente. 31

32 Indicazioni convenzionali sulla cianfrinatura e sulla forma della saldatura 32

33 UNIONI A COMPLETA PENETRAZIONE La verifica delle unioni a completa penetrazione richiede la determinazione delle seguenti tensioni: σ tensione di trazione o compressione parallela all'asse della saldatura; σ tensione di trazione o compressione normale all'asse longitudinale della saldatura; t tensione tangenziale nella sezione longitudinale della saldatura. Quindi si calcola il valore della tensione ideale: e deve risultare: σ id f yd σ + 3τ id ( giunti di I classe) 2 2 = σll + σ σllσ 2 ll σ id 0.85 ( giunti di II classe) f yd 33

34 SALDATURE CON CORDONI D ANGOLO La verifica delle saldature con cordoni d'angolo consiste nel determinare le tensioni nel cordone e nel controllare che queste soddisfino alle condizioni di resistenza. La sezione resistente è quella di gola (throat section), disposta lungo il piano bisettore del cordone avente spessore a misurato secondo le indicazioni delle figure seguenti: si definiscono le seguenti tensioni effettive: σn normale alla sezione di gola considerata nella sua reale posizione; σtn tangenziale, giacente nella sezione di gola ed ortogonale all'asse del cordone di saldatura; σtt tangenziale, giacente nella sezione di gola e parallela all'asse del cordone di saldatura. 34

35 il calcolo delle tensioni effettive σn, σtt e σtn non è immediatamente deducibile. Allo scopo di semplificare le applicazioni, le normative fanno riferimento a delle tensioni fittizie, riferite alla sezione di gola ribaltata su uno dei due piani ortogonali che delimitano il cordone. Si definiscono le seguenti tensioni fittizie: σ - tensione normale agente in direzione perpendicolare ad un lato del cordone, riferita all'area della sezione di gola ribaltata su quel piano; τ - tensione tangenziale agente in direzione perpendicolare all'asse del cordone riferita come sopra; τ - tensione tangenziale agente in direzione parallela all'asse del cordone. 35

36 La saldatura è verificata se: σ 2 f 2 2 d + τ + τll σ + τ α1 f α d 2 Essendo: 1/α 1 pari rispettivamente a 0.85 per l'acciaio S 235 ed a 0.70 per gli acciai S 275 ed S 355; 1/α 2 pari rispettivamente ad 1 per l'acciaio S 235 ed a 0.85 per gli acciai S 275 ed S

37 ALTERAZIONI INDOTTE DALLE SALDATURE Durante la saldatura si raggiungono temperature elevate in zone concentrate delle membrature, le quali possono produrre gravi alterazioni nella struttura della materia. A) tempra. L'asportazione del calore da parte del metallo base, a temperatura inferiore, causa un brusco raffreddamento della zona saldata, il quale può determinare l'insorgere di fenomeni di tempra, da evitare perché inducono fragilità. I principali metodi per prevenire e per correggere la tempra nei giunti saldati consistono in: - un preriscaldo del pezzo da saldare; - un postriscaldo sul pezzo saldato; - un trattamento termico finale (ricottura). 37

38 B) ritiri e tensioni residue. Un cordone di saldatura, sottoposto a forti variazioni di temperatura, passando da quella di fusione a quella ambiente, si comporta come una barra sottoposta a riscaldamento e soggetta a vincoli che ne impediscono l'allungamento dovuto alla dilatazione termica: Quando si riscalda non può allungarsi e, se si supera la tensione di snervamento, subisce una deformazione permanente. Quando si raffredda non può accorciarsi e, pertanto, la barra, ritornata a temperatura ambiente, risulta tesa. 38

39 C) difetti. I difetti riscontrabili in una saldatura sono molteplici e possono essere dovuti sia all'imperizia dell'operatore, sia a fenomeni di natura metallurgica. Incisioni marginali. Si tratta di solchi laterali e continui, dovuti alla fusione eccessiva del metallo di base, la quale causa una depressione lungo i lati del cordone. Se superano il 1/2 mm di profondità, le incisioni risultano pericolose perchè sono un invito alla rottura ed alla corrosione. Talvolta le incisioni possono essere eliminate con sottili passate di copertura. Eccesso di penetrazione al vertice (sgocciolamento). Si ha quando si raccoglie un eccesso di metallo al vertice della saldatura. Insufficiente penetrazione al rovescio. Consiste nella mancanza di fusione al vertice dalla saldatura e riduce la sezione resistente del giunto. Nei giunti di testa eseguiti con una o più passate il difetto può essere eliminato scalpellando al rovescio ed eseguendo una passata di ripresa. 39

40 Incollature. Si verificano quando, durante la saldatura, al metallo di base non ancora fuso si sovrappone il metallo d'apporto senza che vi sia fusione tra i due. Cricche. Le cricche sono fessurazioni e costituiscono il difetto più grave delle saldature, perchè hanno origine da fenomeni di natura metallurgica. Inclusioni. Sono piccole cavità o soluzioni di continuità del giunto saldato le quali diminuiscono l'omogeneità del metallo fuso. Le inclusioni gassose sono provocate dalla formazione di ossidi per reazione chimica tra l'ossigeno e il carbonio e tra l'ossigeno e il ferro che sono rimasti inclusi nella massa fusa durante la solidificazione. Esse sono favorite dalla presenza di olii e grassi sul metallo base. Inclusioni di scorie. Sono dovute alla scoria, prodotta dal rivestimento dell'elettrodo, la quale rimane imprigionata, solidificando all'interno della massa fusa. Esse dipendono, generalmente, da una cattiva tecnica esecutiva da parte dell'operatore. 40

41 D) strappi lamellari. Fratture del materiale base causate dalle tensioni indotte dal ritiro provocato dalle saldature. Riducono la resistenza dell acciaio in direzione trasversale a quella di laminazione. Occorre progettare accuratamente le unioni saldate, limitando gli apporti di calore e facendo in modo che le tensioni longitudinali indotte dal ritiro siano dirette prevalentemente in direzione parallela a quella di laminazione. 41