L’Aquila, 7 Maggio 2010
MODULO II: TEORIA DELLE STRUTTURE IN ACCIAIO
LEZIONE N. 6
LE UNIONI ELEMENTARI ED I
COLLEGAMENTI
Dr. Ing. Antonio Formisano
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
Università di Napoli “Federico II”
[email protected]
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
INDICE
Le unioni: aspetti tipologici e tecnologici
Calcolo e verifica unioni bullonate
Calcolo e verifica unioni saldate
Il comportamento dei collegamenti
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
2
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
INDICE
Le unioni: aspetti tipologici e tecnologici
Calcolo e verifica unioni bullonate
Calcolo e verifica unioni saldate
Il comportamento dei collegamenti
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
3
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Le unioni: aspetti tipologici e tecnologici
Generalità
Classificazione
Unioni con organi meccanici
Unioni saldate
Esempi di collegamenti
Dettagli costruttivi e durabilità
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
4
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Generalità
Sistema
strutturale
Costruzione
esistente
Input
Costruzione
nuova
Identif. 1a
1b Concezione
Fasi operative
Modellazione
2
3
no
4
•Geometrica
•Azioni
•Meccanica
Normative
di
riferimento
Analisi
Controllo (teorico)
o verifica
Galileo Galilei
(1564-1642)
Galileo intuì che la
resistenza a flessione di
una trave è direttamente
proporzionale alla sua
larghezza ed al
quadrato della sua
altezza.
Il metodo
scientifico
si
5
Sintesi
La trave di Galileo, tratto da:
“Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due
nuove scienze” (Leida, 1638)
Output
Realizzazione e Controllo (sperim.) o collaudo
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
5
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Generalità
Componenti del sistema
Definito il tipo di materiale (componente di
base), i componenti di un sistema strutturale in
acciaio sono:
1. Membrature
HE
IPE
2. Collegamenti
Es.
Il caso di un edificio
intelaiato
Le unioni elementari ed i collegamenti
Nodo travecolonna
Collegamento
colonna-fondazione
ing. A. Formisano
6
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Generalità
Strutture in c.a.
Strutture metalliche
L3
Differenze nella
concezione
strutturale
La struttura in c.a. si presenta
come un sistema monolitico
nel quale occorrono particolari
accorgimenti per consentire
movimenti relativi tra le
diverse membrature (travi e
pilastri
Struttura in c.a.
Struttura metalliche
La struttura metalliche nascono
dall’assemblaggio di elementi
monodimensinali prefabbricati.
Al contrario delle strutture in c.a.
occorrono in questo caso
particolari accorgimenti per
impedire gli spostamenti relativi
tra gli elementi attraverso la
realizzazione di collegamenti
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
7
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Le unioni: aspetti tipologici e tecnologici
Generalità
Classificazione
Unioni con organi meccanici
Unioni saldate
Esempi di collegamenti
Dettagli costruttivi e durabilità
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
8
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Classificazione
Colonna- Trave
Nodi
Tipo di elementi
collegati
TraveTrave
Colonnafondazione
Giunti
Colonna
Metodologia di
classificazione
Comportamento
strutturale(*)
rispetto alle
membrature
connesse
Completo
ripristino
Parziale
ripristino
Trave
(*) Rispetto ad uno dei
seguenti parametri:
• Resistenza M
• Rigidezza
• Duttilità
Nodi a
completo
ripristino
Membrature
collegate
Nodi a
parziale
ripristino
Senza
ripristino
Tecnologia
d’unione adottata
Con organi
meccanici
ϕ
Rivetti
Bulloni
Laser
Laser Beam
Con
saldatura
Keyhole
Arco
Welded region
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
9
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Classificazione
Sistema
Sono i dispositivi necessari a
collegare elementi tipologicamente
diversi
Nodi
Esempio
Colonna - Trave
TS
Trave p. – Trave s.
TP
Colonna – Fondazione
Tipo di
elementi
collegati
Giunti
Sono i dispositivi necessari a
prolungare la stessa membratura
(Lstd=12 m)
Colonna - Colonna
Trave – Trave
N.B. Alcuni autori (ad es. Ballio & Bernuzzi) non fanno distinzione tra nodo e giunto.
Con il termine giunto intendono il nodo.
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
10
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Classificazione
Nodi
Giunti
Unione
Il nodo e il giunto possono essere
visti come dei sistemi strutturali
ottenuti dalla composizione di uno o
più collegamenti a sua volta
composti da unioni elementari
Collegamento
Saldati
Collegamento
Nodo o giunto
Unione
Collegamento
Unione
Collegamento
Unione
Bullonati
Collegamento
Unione
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
11
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Classificazione
Colonna- Trave
Nodi
Tipo di elementi
collegati
TraveTrave
Colonnafondazione
Giunti
Colonna
Metodologia di
classificazione
Comportamento
strutturale(*)
rispetto alle
membrature
connesse
Senza
ripristino
Parziale
ripristino
Trave
(*) Rispetto ad uno dei
seguenti parametri:
• Resistenza M
• Rigidezza
• Duttilità
Nodi a
completo
ripristino
Membrature
collegate
Nodi a
parziale
ripristino
Completo
ripristino
Tecnologia
d’unione adottata
Con organi
meccanici
ϕ
Rivetti
Bulloni
Laser
Laser Beam
Con
saldatura
Le unioni elementari ed i collegamenti
Keyhole
Arco
Welded region
ing. A. Formisano
12
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Classificazione
Sistema
Modello
Esempio
Senza ripristino
(Articolazioni)
Nodo
bullonato
con
squadrette
Ad es. rispetto alla
Rigidezza (k)
Comportamento
strutturale(*)
rispetto alle
membrature
connesse
Parziale ripristino
della rigidezza
(Nodi semirigidi)
k
Nodo
bullonato
flangiato
Nodi a
completo
ripristino
M
Completo ripristino
di rigidezza
(Nodi rigidi)
Membrature
collegate
Nodi a
parziale
ripristino
k=tg(α)
∆ϕ
M
Nodo saldato
ed irrigidito
∆ϕ
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
13
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Classificazione
Colonna- Trave
Nodi
Tipo di elementi
collegati
TraveTrave
Colonnafondazione
Giunti
Colonna
Metodologia di
classificazione
Comportamento
strutturale(*)
rispetto alle
membrature
connesse
Senza
ripristino
Parziale
ripristino
Trave
(*) Rispetto ad uno dei
seguenti parametri:
• Resistenza M
• Rigidezza
• Duttilità
Nodi a
completo
ripristino
Membrature
collegate
Nodi a
parziale
ripristino
Completo
ripristino
Tecnologia
d’unione adottata
Con organi
meccanici
ϕ
Rivetti
Bulloni
Laser
Laser Beam
Con
saldatura
Le unioni elementari ed i collegamenti
Keyhole
Arco
Welded region
ing. A. Formisano
14
Le unioni: aspetti tipologici e tecnologici
Generalità
Classificazione
Unioni con organi meccanici
Unioni saldate
Esempi di collegamenti
Dettagli costruttivi e durabilità
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni con organi meccanici: tipologie
Bulloni
Chiodi
Per carpenteria pesante
• Bulloni (d∈[12÷30mm])
• Chiodi (d ≥8 mm)
Viti
Tipologie di
organi
meccanici
Per carpenteria leggera (*)
• Rivetti (d < 8 mm)
• Viti autofilettanti
• Clincatura
Rivetti
(*)
Le strutture in
carpenteria leggera si
differenziano da quelle in
carpenteria
pesante
perchè
realizzate
integralmente
con
membrature formate a
freddo
Ancoraggi
• Tasselli chimici
• Tasselli meccanici
Clincatura
Tasselli
meccanici
Tasselli chimici
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
16
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni con organi meccanici: Il bullone e sua morfologia
Nomenclatura
Resistenza
Geometria
Diametro nominale M
Classe di resistenza X.Y
X.Y
Pianta
• Rottura
fub = X ⋅ 100 (MPa)
• Snervamento
fyb = X ⋅ Y ⋅ 10 (MPa)
Morfologia
Testa
Vite
Gambo
Rosetta
M=d
( M12 ÷ M30)
Dado
Filettatura
Dado
Rosetta
Vite
Prospetto
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
17
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni con organi meccanici: proprietà geometriche bulloni
d
Vite
Principali parametri geometrici
dn
M=d è il diametro nominale o lordo del bullone
dn è il diametro del nocciolo
dm è il diametro medio tra d e dn
ds è il diametro resistente
A è l’area lorda del bullone
As è l’area resistente (trazione)
A
M=d
Sezione
x-x
X
L
X
As
ds
B
s
ds =
dn
dn + dm
2
N.B.
• A rigore dn e dm sono funzione del passo s della filettatura
• In linea generale si può considerare: As =[0.75÷ 0.82]A
Carpenteria leggera
M-d
(mm)
As
(mm2)
Carpenteria pesante
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
27
30
8,8
20,1
36,6
58
84,3
115
157
192
245
303
353
459
561
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
18
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni con organi meccanici: proprietà meccaniche bulloni
Prova a trazione
Classe di resistenza
Proprietà
meccaniche
F
F
Bulloni Normali
Bulloni ad alta resistenza
3.6
4.6
4.8
5.6
5.8
6.6
6.8
8.8
9.8
10.9
12.9
Tensione di
snervamento
fyb (N/mm2)
-
240
320
300
400
360
480
640
-
900
-
Tensione ultima
a trazione
fub (N/mm2)
Rm,nom (N/mm2)
300
400
400
500
500
600
600
800
900
1000
1200
Abbinamento Classe
ViteVite-Dado
σ
fub
fyb
Organo
Bulloni normali
Bulloni ad alta resistenza
Vite
4.6
5.6
6.8
8.8
10.9
Dado
4
5
6
8
10
ε
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
19
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni con organi meccanici: posa in opera e controlli
Coppia di serraggio
Proprietà
geometriche
M S = k ⋅ d ⋅ F p ,C
Coppia di Serraggio Ts - Ms
Forza di Serraggio Ns - FpC
(Nm)
(kN)
k=0.20
Bulloni Alta
Resistenza
Fp ,C = 0.70 ⋅ f ub ⋅ AS
MS
FpC
As
(mm)
(mm2)
4,6
5,6
6,6
6,8
8,8
10,9
4,6
5,6
6,6
6,8
8,8
10,9
12
84
56
71
85
85
113
141
24
29
35
35
47
59
14
115
90
113
135
135
180
225
32
40
48
48
64
81
16
157
141
176
211
211
281
352
44
55
66
66
88
110
18
192
194
242
290
290
387
484
54
67
81
81
108
134
20
245
274
343
412
412
549
686
69
86
103
103
137
172
22
303
373
467
560
560
747
933
85
106
127
127
170
212
24
353
474
593
712
712
949
1186
99
124
148
148
198
247
27
459
694
868
1041
1041
1388
1735
129
161
193
193
257
321
30
561
942
1178
1414
1414
1885
2356
157
196
236
236
314
393
ing. A. Formisano
20
Bulloni Normali
Bulloni Normali
V
V
FpC
Chiave
dinamometrica
Il
parametro
k ∈[0.1
0.23]
rappresenta il
coefficiente di
rendimento
della
coppia
che in base alla
norma
EN14399 dovrà
essere
dichiarato dal
produttore per
le unioni ad
attrito
Bulloni Alta
Resistenza
d
Forza di serraggio
Le unioni elementari ed i collegamenti
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni con organi meccanici: I chiodi
Morfologia
Testa
Gambo
Processo
Fase I)
Riscaldamento
Fase II)
Inserimento nel foro
Fase III)
Ribattitura a caldo
550 ÷ 720 °C
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
21
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni con organi meccanici: I chiodi
D ≅ 1.6 d
Parametri
geometrici
b) Testa svasata
con calotta
c) Testa svasata
piana
0.8
2d
R=
s
a) Testa tonda
e stretta
L
Tipi di chiodi
d
Esempio di unioni chiodate (da Breymann)
N.B.
Il diametro d e la lunghezza del gambo sono
definite sulla base dello spessore totale del
pacchetto di lamiere (s)
d≅s
L = 1,1⋅s + 1,3⋅d
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
22
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Le unioni: aspetti tipologici e tecnologici
Generalità
Classificazione
Unioni con organi meccanici
Unioni saldate
Esempi di collegamenti
Dettagli costruttivi e durabilità
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
23
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni saldate: tipologie
N.B..
N.B.
In ambito strutturale si adottano generalmente
saldature autogene per fusione ovvero
saldature nelle quali il materiale di base,
portato a fusione, partecipa alla realizzazione
dell’unione
Processo(*)
(*) Saldature più
comuni in ambito
strutturale
Con elettrodo
Ad arco con
elettrodo rivestito
Con protezione di
gas
Strutture in acciaio
Ad arco in ambiente
protetto (MIG, MAG, TIG)
Laser
Strutture in lega di
alluminio e inox
Speciali (Laser, spot
weld)
Strutture cold-formed
Tipologie
di
Saldatura
T
Per sovrapposizione
D’angolo
Strutture ordinarie
Forma del
cordone
A completa
penetrazione
T
Testa a testa
Strutture ad alta
duttilità e serbatoi
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
24
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni saldate: Il processo saldatura ad arco
Saldature ad arco con elettrodo
rivestito
• La saldatura avviene per fusione tra il metallo di base e
quello d’apporto (saldatura autogena)
Elettrodo
Rivestimento
Alimentazione
Metallo
d’apporto
Gas
Scoria
X
Arco
Processo
Cordone
• La sorgente termica è rappresentata dall’arco elettrico
che viene prodotto a seguito della differenza di potenziale tra
il materiale di base e l’elettrodo
• Il meteriale d’apporto è fornito dal nucleo dell’elettrodo
(dotato di adeguate caratteristiche meccaniche) il cui
rivestimento produce un gas per la protezione della zona fusa
Metallo
di base
Bagno di
fusione
X
Lamiere da giuntare
E - fu - I
Vantaggi
• Semplicità del processo
• Possibilità di saldare pezzi di difficile accesso anche in sito
Svantaggi
Tipo di elettrodo
•Basico
•Acido
•Cellulosico
• Impossibilità di saldare materiali come leghe di alluminio ed
acciaio inox o legati
• Bassa automazione del processo
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
25
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni saldate: tipologie
Con elettrodo
Ad arco con
elettrodo rivestito
Con protezione di
gas
Strutture in acciaio
Processo(*)
(*) Saldature più
comuni in ambito
strutturale
Ad arco in ambiente
protetto (MIG, MAG, TIG)
Laser
Strutture in lega di
alluminio e inox
Speciali (Laser, spot weld)
Strutture cold-formed
Tipologie
di
Saldatura
T
Per sovrapposizione
D’angolo
Strutture ordinaria
Forma del
cordone
A completa
penetrazione
T
Testa a testa
Strutture ad alta
duttilità e serbatoi
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
26
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni saldate: Il processo saldatura ad arco
Saldature ad arco in atmosfera
protetta
(MIG – MAG- TIG)
Elettrodo a filo
Dispositivo
avanzamento
Ugello a contatto
Gas di protezione
Ugello
Alimentazione
Cordone
Arco
Lamiere da
giuntare
Processo
• La saldatura avviene per fusione sfruttando l’elevata
temperatura prodotta da un arco elettrico che scocca tra un
elettrodo fusibile (filo) e il pezzo da saldare.
• Nella saldatura MIG il filo (elettrodo) fornisce il materiale
d’apporto
ed il suo avanzamento avviene con un
meccanismo di spinta automatico (filo continuo). Nella
saldatura TIG l’elettrodo di tungsteno non si consuma.
• Durante la saldatura il filo (elettrodo), il bagno, l’arco, le zone
circostanti il materiale, sono protetti dalla contaminazione
atmosferica tramite il gas inerte fluente dalla pistola.
Vantaggi
• Possibilità di saldare alluminio ed acciaio inox.
• Elevata produttività dovuta alla continua alimentazione del
materiale d’apporto.
Svantaggi
• Apparecchiatura
complessa,
costosa,
difficilmente
trasportabile, ingombrante e difficoltà a saldare giunti in
posizioni particolari.
X
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
27
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni saldate: Geometria del cordone
Saldature a cordone d’angolo
Cordone Concavo
Cordone
triangolare
aw
Lega
ai alluminio
t w ≅ aw ≥ 3mm
dove
tw spessore resistente saldatura
t spessore lamiere
tmin spessore minimo delle lamiere
Cordone
convesso
Sezione
di gola
Saldature a completa penetrazione
t
tw
t w ≅ tmin ≥ 4 mm
Acciaio
tw
t
Cianfrino a V o Y
Cianfrino a X
N.B.
Nelle saldature a Parziale Penetrazione tw<tmin
Le unioni elementari ed i collegamenti
N.B.
Il cordone è l’elemento resistente
della saldature. Pertanto non va
rimosso!
ing. A. Formisano
28
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni saldate: Difetti e controlli di qualità
Metodi di controllo non
distruttivo
Principali difetti
Inclusioni
che possono essere dovute sia ad un
maneggio errato dell'elettrodo sia ad
una rimozione non sufficiente della
scoria
• Controllo visivo saldatura (VT)
• Esame magnetoscopico saldatura (MT)
• Esame ad ultrasuoni (UT)
Porosità
dovute generalmente all'inquinamento
del bagno di saldatura da parte di
materiali estranei (per es. grasso o
vernice) e le incisioni marginali, dovute
a difficoltà da parte del saldatore nella
gestione dell'elettrodo
• Controllo radiografico saldature (RT)
Cricche
fessure prodotte nel cordone a caldo o
a freddo rispettivamente per la
presenze di impurezze nel metallo e
per l’assorbimento di idrogeno nel
bagno di fusione
Classe I
Saldature eseguite con elettrodi di qualità
3 o 4 secondo la norma UNI 2132 e
soddisfa controlli radiografici previsti dal
raggruppamento B della UNI 7278
Varie
ad esempio: tensioni residue dovute
al raffreddamento, zone alterate
termicamente (HAZ), strappi lamellari
e difetti di esecuzione
Classe II
Saldature eseguite con elettrodi di qualità
2, 3 o 4 secondo la norma UNI 2132 e
soddisfa controlli radiografici previsti dal
raggruppamento F della UNI 7278
• Metodo dei liquidi penetranti (PT)
Controllo di qualità
DM-CNR10011
(Saldature a completa penetrazione)
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
29
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni saldate: Difetti e controlli di qualità
Principali difetti
Inclusioni
che possono essere dovute sia ad un
maneggio errato dell'elettrodo sia ad
una rimozione non sufficiente della
scoria
Porosità
dovute generalmente all'inquinamento
del bagno di saldatura da parte di
materiali estranei (per es. grasso o
vernice) e le incisioni marginali, dovute
a difficoltà da parte del saldatore nella
gestione dell'elettrodo
Cricche
fessure prodotte nel cordone a caldo o
a freddo rispettivamente per la
presenze di impurezze nel metallo e
per l’assorbimento di idrogeno nel
bagno di fusione
Varie
ad esempio: tensioni residue dovute
al raffreddamento, zone alterate
termicamente (HAZ), strappi lamellari
e difetti di esecuzione
Controllo di qualità
EN 1993
(Saldature a completa penetrazione)
• I procedimenti di saldatura devono essere
qualificati secondo la norma EN 2883 e
devono essere utilizzati acciai saldabili
(par. 3.2 EN 1993-1-1)
• Il materiale d’apporto e gli elettrodi devono
rispettare i requisiti forniti dalla EN 1993-18 (Parte EC3 sui collegamenti)
• Il livello di qualità, l’entità ed il tipo di tali
controlli sono definiti dal progettista ed
eseguiti sotto la responsabilità del direttore
dei lavori attraverso prove non distruttive
• Per le modalità di esecuzione dei controlli
ed i livelli di accettabilità si potrà fare
riferimento alle prescrizioni della EN 12062
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
30
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Le unioni: aspetti tipologici e tecnologici
Generalità
Classificazione
Unioni con organi meccanici
Unioni saldate
Esempi di collegamenti: bullonati
Dettagli costruttivi e durabilità
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
31
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Esempi di collegamenti: bullonati
Nodi
Collegamento
Saldati
Collegamento
Giunti
Unione
Il nodo o il giunto possono essere
visti come dei sistemi strutturali ottenuti
dalla composizione di uno o più
collegamenti a sua volta composti
da unioni elementari
Unione
Collegamento
Unione
Unione
Collegamento
Bullonati
Collegamento
Nodo o giunto
Unione
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
32
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Esempi di collegamenti bullonati
Nodo ColonnaColonna-Trave
Esempi
Tipi
Nodo std
Squadretta
Sistema
Nodi con
angolari o
squadrette
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
33
ing. A. Formisano
34
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Esempi di collegamenti bullonati
Nodo ColonnaColonna-Trave
Esempi
Tipi
Senza
irrigidimento
Con
irrigidimento
Flangia
Sistema
Nodi
flangiati
Le unioni elementari ed i collegamenti
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Esempi di collegamenti bullonati
Nodo TraveTrave-Trave
Esempi
Tipi
Sistema
Con trave
interrotta
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
35
ing. A. Formisano
36
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Esempi di collegamenti bullonati
Nodo TraveTrave-Trave
Esempi
Tipi
Sistema
Con trave
continua
Le unioni elementari ed i collegamenti
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Esempi di collegamenti bullonati
Nodo ColonnaColonna-Fondazione
Esempi
Tipi
Con irrigidimento
della piastra di
base
Senza irrigidimento
della piastra di
base
Tirafondo
Articolazioni
Sistema
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
37
ing. A. Formisano
38
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Esempi di collegamenti bullonati
Ancoraggi e Nodi tubolari
Esempi
Tipi
Le unioni elementari ed i collegamenti
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Esempi di collegamenti bullonati
Nodo di controventature
Tipi
Esempi
Concentrico
Eccentrico
Controventi
verticali
Sistema
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
39
ing. A. Formisano
40
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Esempi di collegamenti bullonati
Nodo di controventature
Esempi
Tipi
Controventi
orizzontali
Sistema
Le unioni elementari ed i collegamenti
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Le unioni: aspetti tipologici e tecnologici
Generalità
Classificazione
Unioni con organi meccanici
Unioni saldate
Esempi di collegamenti: saldati
Dettagli costruttivi e durabilità
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
41
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Esempi di collegamenti: saldati
Nodi
Collegamento
Saldati
Collegamento
Giunti
Unione
Il nodo o il giunto possono essere
visti come dei sistemi strutturali ottenuti
dalla composizione di uno o più
collegamenti a sua volta composti
da unioni elementari
Unione
Collegamento
Unione
Unione
Collegamento
Bullonati
Collegamento
Nodo o giunto
Unione
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
42
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Esempi di collegamenti saldati
Nodo ColonnaColonna-Trave
Esempi
Nodo senza
irrigidimenti
Nodo con
irrigidimenti
del pannello
d’anima
Tipi
Sistema
1
2
N.B. Per favorire la rottura della trave
rispetto alla colonna (criterio di gerarchia
delle resistenze) si preferisce in zona
sismica:
1. Irrobustire la colonna (irrigidimenti)
2. Indebolire la trave (dog bone)
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
43
ing. A. Formisano
44
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Le unioni: aspetti tipologici e tecnologici
Generalità
Classificazione
Unioni con organi meccanici
Unioni saldate
Esempi di collegamenti
Dettagli costruttivi e durabilità
Le unioni elementari ed i collegamenti
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Dettagli costruttivi e durabilità
Dettaglio
non
buono
Per migliorare la
durabilità delle strutture
in acciaio occorre
concepire
accuratamente i dettagli
costruttivi
Dettaglio
buono
Galleria Umberto I, Napoli
F. P. Boubèe, 1885
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
45
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Dettagli costruttivi e durabilità
Problemi di corrosione da contatto
Realizzazione delle saldature
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
46
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Dettagli costruttivi e durabilità
Profili composti
Distanza minima di manutenzione
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
47
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Dettagli costruttivi e durabilità
Accorgimenti per evitare accumulo di
acqua e sostanze aggressive
Accorgimenti per evitare accumulo di
acqua e sostanze aggressive
N.B. Spesso gli accorgimenti
migliori per la durabilità non sono
quelli ottimali dal punto di vista
strutturale
Tubolari
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
48
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
INDICE
Le unioni: aspetti tipologici e tecnologici
Calcolo e verifica unioni bullonate
Calcolo e verifica unioni saldate
Il comportamento dei collegamenti
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
49
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni bullonate
Tipi di organi meccanici e loro caratteristiche meccaniche
Requisiti normativi e categorie di unione
Modelli di resistenza alle T.A. e S.L. (capacità)
Unioni a Taglio
Unioni a Trazione
Unioni a Taglio-Trazione
Valutazione delle sollecitazioni negli organi (domanda)
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
50
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Classificazione
Colonna- Trave
Nodi
Tipo di elementi
collegati
TraveTrave
Colonnafondazione
Giunti
Colonna
Comportamento
strutturale(*)
rispetto alle
membrature
connesse
Metodologia di
classificazione
Completo
ripristino
Parziale
ripristino
Trave
(*) Rispetto ad uno dei
seguenti parametri:
• Resistenza M
• Rigidezza
• Duttilità
Nodi a
completo
ripristino
Membrature
collegate
Nodi a
parziale
ripristino
Senza
ripristino
Tecnologia
d’unione adottata
ϕ
Con organi
meccanici
Rivetti
Bulloni
Laser
Laser Beam
Con
saldatura
Keyhole
Arco
Welded region
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
51
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni bullonate: Generalità
Bulloni
NSd
FSd
VSd
Chiodi
Per carpenteria pesante
• Bulloni (d∈[12÷30mm])
• Chiodi (d ≥8 mm)
Viti
Tipologie di
organi
meccanici
Per carpenteria leggera (*)
• Rivetti (d < 8 mm)
• Viti autofilettanti
• Clincatura
Rivetti
N.B. I bulloni ed i chiodi
sono dispositivi che, grazie
alla loro morfologia dotata
di due teste di estremità,
sono capaci di trasmettere
sia sollecitazioni semplici di
trazione e taglio che
sollecitazioni composte
Ancoraggi
• Tasselli chimici
• Tasselli meccanici
Clincatura
Tasselli
meccanici
Tasselli chimici
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
52
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Tipi di organi meccanici: proprietà geometriche bulloni
d
Vite
Principali parametri geometrici
dn
A
M=d
Sezione
x-x
X
L
X
As
ds
B
s
ds =
dn
dn + dm
2
dove
M=d è il diametro nominale o lordo del bullone
dn è il diametro del nocciolo
dm è il diametro medio tra d e dn
ds è il diametro resistente
A è l’area lorda del bullone
As è l’area resistente (trazione)
N.B.
• A rigore dn e dm sono funzione del passo s della filettatura
• In modo approssimato si può considerare: As = [0.75÷ 0.82]A
Carpenteria leggera
M-d
(mm)
As
(mm2)
Carpenteria pesante
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
27
30
8,8
20,1
36,6
58
84,3
115
157
192
245
303
353
459
561
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
53
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Tipi di organi meccanici: proprietà geometriche chiodi
D ≅ 1.6 d
Parametri
geometrici
b) Testa svasata
con calotta
c) Testa svasata
piana
0.8
2d
R=
s
a) Testa tonda
e stretta
L
Tipi di chiodi
d
Esempio di unioni chiodate (da Breymann)
N.B.
Il diametro d e la lunghezza del gambo L sono
definite sulla base dello spessore totale del
pacchetto di lamiere (s)
d≅s
L = 1,1⋅s + 1,3⋅d
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
54
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Requisiti normativi e categorie di unione
Posizione dei fori
Lavorazioni delle parti a contatto
Categorie di connessioni bullonate e campi di applicazione
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
55
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Requisiti normativi : Posizioni fori ed organi di collegamento
Fori allineati
a
p
Simbologia adottata nella
CNR 10011
a1
p1,0
Fori sfalsati in
giunti tesi
Direzione di
sollecitazione
L
p2
p1,1
p2
p2
d0
e2
e2
e1
p1
Fila
esterna
Fila
interna
Fori
ovalizzati
e4
CNR 10011
t1
d
t
Eurocodice 3
EN 1993-1-8
d0
0.5 d0
Parametri di posizione
e3
Al fine di realizzare collegamenti bullonati o chiodati che abbiano un corretto funzionamento strutturale ed una buona
durabilità occorre rispettare alcune limitazioni normative per quanto riguarda la configurazione ed il posizionamento degli
organi di collegamento sulle piastre da giuntare
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
56
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Requisiti normativi : Posizioni fori ed organi
Massimi
Parametri
Acciai conformi alle EN 10025-1-2-3-4
Minimi
Acciai conformi alla EN 10025-5
Acciai esposti a cause di corrosione
Acciai non esposti a cause di
corrosione
Acciai posti in opera non protetti
e1
1,2 d0
4 t + 40 mm
-
max {8 t ; 125 mm}
e2
1,2 d0
4 t + 40 mm
-
max {8 t ; 125 mm}
e3
1,5 d0
-
-
-
e4
1,5 d0
-
-
-
p1
2,2 d0
min {14 t ; 200 mm}
min {14 t ; 200 mm}
min {14tmin ; 175 mm}
p1,0
-
min {14 t ; 200 mm}
-
-
p1,i
-
min {28 t ; 400 mm}
-
-
p2
2,4 d0
min {14 t ; 200 mm}
min {14 t ; 200 mm}
min {14tmin ; 175 mm}
Eurocodice 3
EN 1993-1-8
Valori consigliati
2d0 ≤ e ≤ min( 4t ; 40mm ) 3d0 ≤ p ≤ min(14t ; 200mm )
Limiti
•Min:
•Max:
corretta installazione degli organi meccanici e ad impedire un eccessivo indebolimento della lamiera
imbozzamenti locali che possono causare corrosione, garantire uniforme ripartizione delle
sollecitazioni ai bulloni .
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
57
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Requisiti normativi : Tolleranze
Tecniche di Foratura
• Punzonatura per spessori fino a 10 mm
• Trapanatura per spessori anche superiori
EN 1993-1-8
d0
d
DM LL. PP. 14/01/2008
Diametro
Tolleranza
Diametro
Tolleranza
M12 ÷ M14
1 mm
M12 ÷ M20
1 mm
M16 ÷ M24
2 mm
> M20
1.5 mm
> M24
3 mm
d0 - d
Tolleranze gambo-foro
Eurocodice 3
EN 1993-1-8
Le unioni elementari ed i collegamenti
DM LL. PP.
14/01/2008
ing. A. Formisano
58
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Requisiti normativi e categorie di unione
Posizione dei fori
Lavorazioni delle parti a contatto
Categorie di connessioni bullonate e campi di applicazione
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
59
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Requisiti normativi : Lavorazioni parti a contatto
Classe delle superfici di attrito
Lavorazione
Coefficiente di
attrito µ
(EN 1993-1-8)
Coefficiente di
attrito
(DM 14/01/2008)
0.45
A
Superfici sabbiate
0,5
B
Superfici sabbiate e zincate
0,4
C
Superfici pulite con spazzola
0,3
D
Superfici non trattate
0,2
Le superfici ed i bordi delle lamiere da collegare dovranno essere prive
di difetti e lavorate superficialmente se si vuole sfruttare l’attrito tra le
parti per limitare gli scorrimenti
0.30
Eurocodice 3
EN 1993-1-8
DM LL. PP.
14/01/2008
Tipo di lavorazione
• Sabbiatura
• Pulitura con spazzola
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
60
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Requisiti normativi e categorie di unione
Posizione dei fori
Lavorazioni delle parti a contatto
Categorie di connessioni bullonate e campi di applicazioni
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
61
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Requisiti normativi : Classi unioni bullonate (EC3)
FV,Ed
Tipo Unione
Eurocodice 3
EN 1993-1-8
Ai
fini
della
valutazione
della
capacità portante
l’Eurocodice
3
classifica
le
connessioni
bullonate in cinque
diverse categorie
prestazionali,
differenziate
a
secondo del tipo di
sollecitazione a cui
è
assoggettato
l’organo meccanico
Taglio
FVEd/2
FtEd/2
FVEd/2
Categoria
Osservazioni
A
tipo portante
Non è richiesto
precarico.
Possono essere usati
bulloni di classe da 4.6
a 10.9
B
Resistente allo scorrimento in
condizioni di servizio
Devono essere usati
bulloni precaricati 8.8 o
10.9.
C
Resistente allo scorrimento in
condizioni ultime
Devono essere usati
bulloni precaricati 8.8 o
10.9.
D
non-precaricato
Non è richiesto
precarico.
Possono essere usati
bulloni di classe da 4.6
a 10.9
E
precaricato
Devono essere usati
bulloni precaricati 8.8 o
10.9.
FtEd/2
Trazione
FtEd/2
FtEd/2
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
62
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Requisiti normativi : Coefficienti di sicurezza parziali
Rd =
Rk
γM
Coefficiente di
sicurezza
parziale
Valori
raccomandati
(EN 1993-1-8)
Valori
raccomandati
(DM 14/01/2008)
γM2
1,25
1,25
γM3
γM3,ser
1,25
1,10
1.25
1.10
Resistenza a flessione di un bullone iniettato (tasselli
chimici)
γM4
1,00
Resistenza di un giunto di una trave a traliccio a
sezione cava
γM5
1,00
Resistenza del perno allo stato limite di servizio
γM6,ser
1,00
1,00
γM7
1,10
1,10
Tipologia prestazionale
Coefficienti di sicurezza parziali
agli SL
Resistenza dei bulloni
Resistenza dei chiodi, rivetti e viti
Resistenza del perno
Resistenza delle piastre inflesse e/o a contatto
Resistenza allo scorrimento
- allo stato limite ultimo (Categoria C)
- allo stato limite di servizio (Categoria B)
Precarico o Serraggio di bulloni ad alta resistenza
Le unioni elementari ed i collegamenti
-
ing. A. Formisano
63
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Modelli di resistenza alle T.A. e S.L. (capacità)
Unioni a Taglio:
- Comportamento
- Meccanismi di collasso
- Modelli di capacità
Unioni a Trazione
Unioni a Taglio-Trazione
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
64
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni a Taglio: Comportamento
Prova a Taglio
(Lap shear test)
FpC
Unione a taglio
Piani di taglio
FV/2
B
A
FV/2
B
FpC
Comportamento a rottura
IV Fase
Fase plastica e
rottura
III Fase
Fase elastica
II Fase
Sorrimento gioco
foro bullone
FV
∆L
FV
Tipi di rottura ?
FV,u
IV Fase
III Fase
II Fase
Fs,R
I Fase
Attrito
I Fase
FpC=0
Le unioni elementari ed i collegamenti
∆L
ing. A. Formisano
65
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Modelli di resistenza alle T.A e SL (capacità)
Unioni a Taglio:
- Comportamento
- Meccanismi di collasso
- Modelli di capacità
Unioni a Trazione
Unioni a Taglio-Trazione
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
66
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni a Taglio: Meccanismi di collasso
Prova a Taglio
(Lap shear Test)
Meccanismi
a) Rottura per
taglio del
bullone o
chiodo
b) Rottura per
rifollamento
della lamiera
c) Rottura per
taglio della
lamiera
d) Rottura per
trazione della
lamiera nella
sezione netta
N.B. Meccanismo evitato dal
rispetto delle distanze dai margini
e1 ed e2 (vedi EN 1993-1-8)
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
67
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Modelli di resistenza alle T.A e SL (capacità)
Unioni a Taglio:
- Comportamento
- Meccanismi di collasso
- Modelli di capacità
Unioni a Trazione
Unioni a Taglio-Trazione
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
68
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni a Taglio: Tipi di controlli
EN 1993-1-8
Verifiche delle unioni a taglio
Categoria
Controllo
SLU
S d ≤ Rd
FVSd
FVSd/2
FVSd/2
A
Portanti
B
Resistenti
allo
scorrimento
allo SLE
C
Resistenti
allo
scorrimento
allo SLU
Tipi di controlli
Simbologia
Caratteristiche: si usano bulloni dalla classe 4.6 alla
classe 10.9. Non ci sono presollecitazioni o
accorgimenti
Fv,Ed: Taglio di progetto allo SLU
sollecitante un bullone
Fv,Ed,ser: Taglio di progetto allo SLE
sollecitante un bullone
Criteri di progetto:
- Fv,Ed ≤ Fv,Rd
- Fv,Ed ≤ Fb,Rd
Caratteristiche: bulloni presollecitati 8.8 o 10.9
Fv,Rd: Resistenza di taglio del bullone
Fb,Rd: Resistenza al rifollamento
Criteri di progetto:
- Fv,Ed,ser ≤ Fs,Rd,ser
- Fv,Ed ≤ Fv,Rd
- Fv,Ed ≤ Fb,Rd
Fs,Rd: Resistenza allo scorrimento allo
stato limite ultimo di un singolo
bullone
Caratteristiche: bulloni presollecitati 8.8 e 10.9
Criteri di progetto:
- Fv,Ed ≤ Fs,Rd
- Fv,Ed ≤ Fb,Rd
- Fv,Ed ≤ Nnet,Rd
Fs,Rd,ser: Resistenza allo scorrimento
allo SLE di un bullone
Nnet,Rd: Resistenza plastica della
sezione netta di una membratura a
sforzo normale
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
69
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni a Taglio: Resistenza di taglio del bullone
Resistenza a taglio
FV,Rd
EN 1993-1-8
Fv ,Rd =
Controllo
SLU
Fv ,Rd =
ns
α v ⋅ f ub ⋅ A ⋅ n s
γM2
Bulloni
0,6 ⋅ f ur ⋅ A0 ⋅ n s
γM2
Chiodi
dove:
Posizione dei piani di taglio
N.B. La funzione del
coefficiente αv è quella di
trasformare
resistenza
Piani di tagliola
passanti
per la a
porzionedell’organo
filettata del gambo
trazione
fub o fur
della vite resistenza
in una equivalente
a taglio. Secondo Von
Mises 0.57 ovvero 1/√
√3
Piani di taglio passanti per la
porzione non filettata del
gambo della vite
fub ed fur sono rispettivamente la resistenza
ultima a trazione del bullone e del chiodo;
Classe dei
bulloni
Coefficiente
4.6
0,6
5.6
0,6
6.8
0,5
8.8
0,6
10.9
0,5
Tutte le
classi
0,6
DM LL.PP. 9/1/1996
CNR UNI 10011
Controllo
T.A.
A è l’area (lorda o resistente) del bullone
A0 è l’area del singolo foro;
Fv
αv è un coefficiente che dipende dalla classe di
resistenza del bullone e dalla posizione dei piani
di taglio
αv
τb =
τb
FV
≤ τ d ,adm
ns ⋅ A
ns numero di piani di scorrimento
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
70
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni a Taglio: Resistenza di taglio del bullone
EN 1993-1-8
Progetto unione a taglio
NSd /2
t1
NSd /2
NSd
t1
1. Scelta della classe del bullone ovvero fub
Controllo
SLU
Unioni simmetriche
min (t1; 2t2)
2. Scelta del diametro del bullone (Mxx)
Mxx: d ≥ t spessore min lamiere congiunte
nb =
Unioni asimmetriche
min (t1; t2)
HP Il collasso è governato dalla
resistenza a taglio
N Sd
Fv ,Rd
t2
Resistenza a taglio dell’organo dell’unione
elementare (1 bullone)
N.B. Per ridurre
il numero di
bulloni occorre
aumentare
il
diametro
dell’organo più
che agire sulla
sua
classe
poichè in questo
modo cresce sia
la resistenza a
taglio che a
rifollamento
t2
t1
NSd
NSd
Pensilina, Centro IKEA, Afragola (Na)
Esempio
N Sd =
Fd,SLU
NSd=268 kN
Fd ,SLU
sen( α )
Bulloni M16 classe 8.8
F v.Rd := α v⋅ f ub ⋅
A res⋅ n s
3
=115 kN
nb =
10 ⋅ γ M2
N Sd
≅3
Fv ,Rd
N.B. Il collegamento progettato deve essere comunque verificato al fine di
scongiurare il pericolo di altri meccanismi di collasso (rifollamento e trazione lamiera)
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
71
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni a Taglio: Tipi di controlli
EN 1993-1-8
Verifiche delle unioni a taglio
Categoria
Controllo
SLU
S d ≤ Rd
FVSd
FVSd/2
FVSd/2
A
Portanti
Tipi di controlli
Simbologia
Caratteristiche: si usano bulloni dalla classe 4.6 alla
classe 10.9. Non ci sono presollecitazioni o
accorgimenti
Fv,Ed: Taglio di progetto allo SLU
sollecitante un bullone
Criteri di progetto:
- Fv,Ed ≤ Fv,Rd
- Fv,Ed ≤ Fb,Rd
B
Resistenti
allo
scorrimento
allo SLE
Caratteristiche: bulloni presollecitati 8.8 o 10.9
C
Resistenti
allo
scorrimento
allo SLU
Caratteristiche: bulloni presollecitati 8.8 e 10.9
Criteri di progetto:
- Fv,Ed,ser ≤ Fs,Rd,ser
- Fv,Ed ≤ Fv,Rd
- Fv,Ed ≤ Fb,Rd
Criteri di progetto:
- Fv,Ed ≤ Fs,Rd
- Fv,Ed ≤ Fb,Rd
- Fv,Ed ≤ Nnet,Rd
Le unioni elementari ed i collegamenti
Fv,Ed,ser: Taglio di progetto allo SLE
sollecitante un bullone
Fv,Rd: Resistenza di taglio del bullone
Fb,Rd: Resistenza al rifollamento
Fs,Rd: Resistenza allo scorrimento allo
stato limite ultimo di un singolo
bullone
Fs,Rd,ser: Resistenza allo scorrimento
allo SLE di un bullone
Nnet,Rd: Resistenza plastica della
sezione netta di una membratura alla
forza normale
ing. A. Formisano
72
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni a Taglio: Resistenza al rifollamento
Fb , Rd =
Controllo
SLU
FVEd
t2
Coefficiente di rifollamento k1
Resistenza a
rifollamento Fb,Rd
EN 1993-1-8
k1 ⋅ α b ⋅ f u ⋅ d ⋅ t
File esterne di bulloni:
Bulloni
γM2
t1
Fb , Rd =
Bulloni esterni
Chiodi
γM2
Bulloni interni
e
αd = 1
3 ⋅ d0
Dove:
fu è la resistenza ultima delle lamiere
collegate;
σeq
Distanze
valutate
perpendico_
larmente
alla
direzione
della forza
(e 2 e p 2 )
Coefficiente αd
2,5 ⋅ α b ⋅ f u ⋅ d 0 ⋅ t
t2
File interne di bulloni


e
k1 = min2.5; 2.8 ⋅ 2 − 1.7
d0

 

p
k1 = min2.5; 1.4 ⋅ 2 − 1.7
d0


Distanze
valutate
parallelame_
nte alla
direzione
della forza
(e 1 e p 1 )
p
1
αd = 1 −
3 ⋅ d0 4
DM LL.PP. 9/1/1996
CNR UNI 10011
d è il diametro nominale del bullone;
Controllo
T.A.
d0 è il diametro del foro;
Tensioni
diametrali
σeq
t è il minore fra gli spessori collegati per
unioni asimmetriche e il min tra t1 e 2⋅t2
FVEd/2 FVEd/2 per unioni simmetriche;
σmax
Sollecitazione globale di
taglio nel bullone
k1 è coefficiente di rifollamento il cui
valore non può eccedere 2.5;
σ rif =
αb è un coefficiente correttivo, valutato
come il min {αd, fub/fu, 1} .
FVSd
Coefficiente di
rifollamento ≤2.5
FV
≤ α ⋅ σ adm
t ⋅d
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
d
73
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni a Taglio: Resistenza al rifollamento
EN 1993-1-8
Controllo
SLU
FVEd
Il significato fisico del
coeff. di rifollamento
Bulloni
FVSd
N.B. Per unioni asimmetriche
la resistenza a rifollamento è
ridotta del 25%
( )
α = f t d ≤ 2.1
FVEd/2 FVEd/2
σmax

f ub

fu
α b := min  α d1 , α d2 ,
F b.Rd := k 1 ⋅ α b ⋅ f u ⋅ d ⋅

αb =0.88
, 1

t
3
k1 =2.5
=170 kN
γ M2 ⋅ 10
Le unioni elementari ed i collegamenti
Pensilina, Centro IKEA, Afragola (Na)
t1
e1=45 p1=60 mm
Esempio
•Bulloni M16 classe 8.8
•Spessore lamiera t=2t1=14 mm (anima 2UPN 120)
•Acciaio lamiera S275
Tensioni
diametrali
FVSd
Rivetti e viti
k1 = f  p  ≤ 2.5
 d0 
N.B. Il coefficiente di rifollamento per gli organi meccanici da carpenteria leggera è indicato dalla
EN 1993-1-3 con (α), stesso simbolo adottato dalla CNR UNI 10011
σeq
σeq
il coefficiente di rifollamento k1 amplifica la resistenza
ultima (k1>1) poiché tiene conto dell’effettivo fenomeno di
plasticizzazione, che non riguarda soltanto l’area di
contatto valutata convenzionalmente attraverso la sua
proiezione diametrale (d⋅t), ma che interessa, a seguito
della diffusione dei flussi tensionali, una zona più vasta
della lamiera.
t2
t2
ing. A. Formisano
74
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni a Taglio: Tipi di controlli
EN 1993-1-8
Verifiche delle unioni a taglio
Categoria
Controllo
SLU
A
Portanti
S d ≤ Rd
FVSd
FVSd/2
FVSd/2
Tipi di controlli
Simbologia
Caratteristiche: si usano bulloni dalla classe 4.6 alla
classe 10.9. Non ci sono presollecitazioni o
accorgimenti
Fv,Ed: Taglio di progetto allo SLU
sollecitante un bullone
Fv,Ed,ser: Taglio di progetto allo SLE
sollecitante un bullone
Criteri di progetto:
- Fv,Ed ≤ Fv,Rd
- Fv,Ed ≤ Fb,Rd
B
Resistenti
allo
scorrimento
allo SLE
Caratteristiche: bulloni presollecitati 8.8 o 10.9
C
Resistenti
allo
scorrimento
allo SLU
Caratteristiche: bulloni presollecitati 8.8 e 10.9
Fv,Rd: Resistenza di taglio del bullone
Fb,Rd: Resistenza al rifollamento
Criteri di progetto:
- Fv,Ed,ser ≤ Fs,Rd,ser
- Fv,Ed ≤ Fv,Rd
- Fv,Ed ≤ Fb,Rd
Fs,Rd: Resistenza allo scorrimento allo
stato limite ultimo di un singolo
bullone
Fs,Rd,ser: Resistenza allo scorrimento
allo SLE di un bullone
Criteri di progetto:
- Fv,Ed ≤ Fs,Rd
- Fv,Ed ≤ Fb,Rd
- Fv,Ed ≤ Nnet,Rd
Nnet,Rd: Resistenza plastica della
sezione netta di una membratura alla
forza normale
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
75
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni a Taglio: Resistenza di taglio del bullone
Resistenza allo
scorrimento per
“attrito” Fs,Rd
EN 1993-1-8
FVEd
Bulloni in fori sovradimensionati o in fori asolati corti con
l’asse dell’asola perpendicolare alla direzione di
trasferimento del carico.
0,85
Bulloni in fori asolati lunghi con l’asse dell’asola
perpendicolare alla direzione di trasferimento del carico.
0,70
dove:
Bulloni in fori asolati corti con l’asse dell’asola parallela
alla direzione di trasferimento del carico.
0,76
ks è il coefficiente di forma del foro;
Bulloni in fori asolati lunghi con l’asse dell’asola parallela
Fs ,Rd =
k s ⋅ ns ⋅ µ
γM3
⋅ Fp ,C
ns
Fp,C
ks
1,0
Taglio puro
Controllo
SLU
Tipo di foratura
Bulloni in fori normali.
alla direzione di trasferimento del carico.
ns è il numero di superfici di attrito o
scorrimento;
Fp ,C = 0.70 ⋅ f ub ⋅ AS
DM LL.PP. 9/1/1996
µ è il fattore di scorrimento;
Fp,C è la forza di serraggio.
FVEd
0,63
CNR UNI 10011
Controllo
T.A.
Taglio e trazione (ad es. Cat . B)
Fs ,Rd .ser =
k s ⋅ n ⋅ µ ⋅ ( F p ,C − 0 ,8 Ft ,Ed ,ser )
γ M 3 ,ser
dove:
V f ,0 =
ns ⋅ µ
γf
⋅ Fp ,C
Coefficiente di
sicurezza pari a 1.25
Ft,Ed è la sollecitazione di trazione nel bullone;
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
76
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Modelli di resistenza alle T.A e SL (capacità)
Unioni a Taglio
Unioni a Trazione
- Comportamento e meccanismi
- Modelli di capacità
Unioni a Taglio-Trazione
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
77
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni a Trazione: Comportamento e meccanismi
Prova a Trazione
Prova semplice di trazione
Meccanismi di
collasso
FpC
FtEd/2
FtEd/2
a) Rottura per trazione del
gambo
FPc
b) Rottura per
punzonamento
della lamiera in
corrispondenza
della testa
∆L
FpC
Ft,Ed
FPc
FtEd/2
T stub
Ft,Ed/2+Q
FtEd/2
Comportamento a
rottura
Ft,Ed/2+Q
Q
Q
Ft,Ed
Ft,u
II Fase
Fp
II Fase Distacco
Sforzo assorbito dal
solo bullone sino a
rottura
Distacco piastre
Fp,C
I Fase Lamiere a
contatto
Ripartizione sforzo
Le unioni elementari ed i collegamenti
I Fase
Fp,C=0
Fp,C
∆Lp,C
∆L
ing. A. Formisano
78
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Modelli di resistenza alle T.A e SL (capacità)
Unioni a Taglio:
Unioni a Trazione
- Comportamento e meccanismi
- Modelli di capacità
Unioni a Taglio-Trazione
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
79
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni a Trazione: Tipi di controlli
EN 1993-1-8
Verifiche delle unioni a trazione
Categoria
Controllo
SLU
S d ≤ Rd
FtSd/2
FtSd/2
D
Non
presollecitati
Tipi di controlli
Caratteristiche: si usano bulloni dalla classe 4.6
alla 10.9; la cat.D non va usata se le connessioni
sono soggette a variazioni di trazione; si
possono usare per resistere alle azioni di vento
normale.
Criteri di progetto:
- Ft,Ed < Ft,Rd
- Ft,Ed < Bp,Rd
FPc
Caratteristiche: si usano bulloni di classe 8.8 e
10.9 con serraggio controllato.
FtSd/2
FPc
FtSd/2
E
Presollecitati
Simbologia
Ft,Ed: Trazione di progetto di un
bullone
Ft,Rd: Resistenza di progetto a trazione
del gambo del bullone
Bp,Rd: Resistenza al punzonamento in
corrispondenza della testa del bullone
e/o del dado
Criteri di progetto:
- Ft,Ed < Ft,Rd
- Ft,Ed < Bp,Rd
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
80
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni a Trazione: Resistenza di trazione del bullone
Ft ,Rd =
Controllo
SLU
FpC
Ft ,Rd =
∆L
FpC
DM LL.PP. 9/1/1996
Resistenza a trazione
Ft,Rd
EN 1993-1-8
CNR UNI 10011
Controllo
T.A.
k 2 ⋅ f ub ⋅ As
Bulloni
γM2
σb = γ N ⋅
0 ,9 ⋅ f ur ⋅ A0
Chiodi
γ M2
Ft
≤ σ d ,adm
Ares
Ft
σb
Coefficiente di
sicurezza pari a 1.25
dove:
fub ed fur sono rispettivamente la resistenza ultima a
trazione del bullone e del chiodo;
As è l’area ridotta del bullone;
A0 è l’area del singolo foro;
k2 è un coefficiente che dipende dal livello di
serraggio
•0.63 nei bulloni presollecitati
•0,9 negli altri casi.
dove:
dm diametro medio della testa del bullone o del
dado (il minore fra i due) e la vite;
tp è lo spessore della piastra sotto il bullone o il
dado;
fu è la resistenza ultima a trazione della lamiera.
B p ,Rd = 0.60 ⋅ π ⋅ d m ⋅ t p ⋅ f u
Resistenza a punzonamento
Ft,Rd
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
81
ing. A. Formisano
82
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Modelli di resistenza alle T.A e SL (capacità)
Unioni a Taglio
Unioni a Trazione
Unioni a Taglio-Trazione
Le unioni elementari ed i collegamenti
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni a Taglio e Trazione
Interazione
Fv,Ed - Ft,Ed
EN 1993-1-8
Ft,Ed
Fv
Fv,Ed
Fv,Rd
Fv ,Ed
Ft ,Ed
+
≤1
Fv ,Rd 1,4 ⋅ Ft ,Rd
Controllo
SLU
Ft,Ed
Fv,Ed
Ft,Ed
Fv,Ed
Come determinare
lo stato di
sollecitazione nella
singola unione
elementare
?
dove:
Fv,Ed forza di taglio di progetto assorbita dal
singolo bullone allo stato limite ultimo (per
piano di taglio)
Fv,Rd resistenza a taglio del singolo bullone
Ft,Ed forza di trazione di progetto assorbita dal
singolo bullone allo stato limite ultimo
Ft,Rd resistenza a trazione del singolo bullone
DM LL.PP. 9/1/1996
Ft
1,4 Ft,Rd
σb
τ
τb
τd,adm
σd,adm
σ
CNR UNI 10011
Controllo
T.A.
 σb

σ
 d ,adm
Le unioni elementari ed i collegamenti
2
  τb
 +
 τ
  d ,adm
2

 ≤1


ing. A. Formisano
83
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Valutazione delle sollecitazioni negli organi (domanda)
Valutazione degli sforzi di taglio
Valutazione degli sforzi di trazione
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
84
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Valutazione degli sforzi di taglio
TEd=FEd⋅L
FEd
∆L
Fv,Ed
FEd
VEd
FTi
Fv,Ed
di
FVi
G
N.B. G è il baricentro delle rigidezze taglianti della bullonatura che, nelle
ipotesi di bulloni di uguale diametro, coincide con il baricentro geometrico
della bullonatura
HP
1.
lamiere infinitamente rigide e bulloni
perfettamente deformabili
2.
Bulloni a comportamento elastico lineare
3.
Bulloni dotati di sola rigidezza tagliante
(kv=(G⋅A)/ (χ⋅h)), proporzionale all’area
del singolo organo
4.
Si trascura l’attrito tra le piastre
Componente tagliante (VEd) suddivisa in parti
uguali (FVi) agenti sui bulloni con la stessa
direzione
Momento torcente (TEd) suddiviso in forze
agenti sui bulloni (FT,i) in direzione ortogonale
al segmento che unisce il bullone al baricentro
e di entità proporzionale a questa distanza
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
85
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Valutazione degli sforzi di taglio
∆L
TEd
y
Fv,Ed
FEd
FEd
VEd
FTi
Fv,Ed
di
FVi
G
x
Step
1) Calcolo della
comp tagliante
2) Calcolo della
comp. torcente
Eq. alla traslazione
rispetto ad y
FV ,i =
VSd
nb
Eq. alla rotazione
intorno a G
FV,i
FT ,i =
dove:
nb è il numero di bulloni del
collegamento
TEd ⋅ d i
nb
∑d
j =1
2
j
FTx ,i =
3) Calcolo della sol. risultante
unione elementare
Somma
vettoriale
TEd ⋅ d y ,i
nb
∑ (d
2
x, j
+d
2
y, j
)
FTy,i
FT,i
r
r
r
Fv ,Ed = FV ,i + FT ,i
FT,i
j =1
FTy ,i =
TEd ⋅ d x ,i
nb
∑ (d
2
x, j
+ d y2, j
FV,i
FTx,i
)
j =1
Le unioni elementari ed i collegamenti
Nel caso in esame
Fv ,Ed =
(F
+ FTy ,i ) + FTx ,i
2
V ,i
2
ing. A. Formisano
Fv,Ed
86
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Valutazione degli sforzi di taglio
TEd
∆L
Fv,Ed
FEd
FEd
VEd
FTi
Fv,Ed
di
FVi
G
Fv,Ed medio
HP
Distribuzione di
FV,Ed
1.
lamiere infinitamente rigide e bulloni
perfettamente deformabili
2.
Bulloni a comportamento elastico lineare
3.
Bulloni dotati di sola rigidezza tagliante
(kv=(G⋅A)/ (χ⋅h)), proporzionale all’area
del singolo organo
4.
Si trascura l’attrito tra le piastre
β Lf = 1 −
Fv,Ed effet
Fv,Ed
Lj
Coefficiente di
riduzione della
resistenza
L j - 15 ⋅ d
200 ⋅ d
Lj
Le unioni elementari ed i collegamenti
Lj
ing. A. Formisano
87
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Valutazione delle sollecitazioni negli organi (domanda)
Valutazione degli sforzi di taglio
Valutazione degli sforzi di trazione
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
88
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Valutazione degli sforzi di trazione
FEd
FV,i
T
Zona
compres
H
L
xc
1.
B
2.
3.
4.
yi
σmax
N.B. Il calcolo delle pressioni di contatto tra piastra di base e
fondazione si esegue con gli stessi modelli utilizzati per la
statica del c.a. per gli elementi presso inflessi segondo una
teoria lineare
Step
Principio di conservazione della
sezione piane
Materiale (bulloni e piastre) elastico
lineare
Trazioni assorbite solo dai bulloni in
zona tesa (distacco piastra)
Compressione assorbita dalla sola
piastra
Ft,i
C
Ft,Ed
HP
MEd=FEd⋅L
Zona
tesa
N.B. Il calcolo sollecitazioni di taglio FV,Ed si effettua in base a
quanto visto in precedenza
1) Ricerca xc
Eq. Traslazione
asse ┴ piastra
C =T
Sn=0
2) Calcolo sollecitazioni
Eq. Rotazione asse neutro
(Navier)
Controllo piastra e bullone
σ max
Eq 2° grado
M
= Ed ⋅ x c
Ix
nb
1
⋅ 2 B ⋅ xc2 = ∑ Ai ⋅ ( y i − x c )
2
i =1
(
)
Le unioni elementari ed i collegamenti
Controllo bullone
Ft ,Ed = σ bi ⋅ Ai
xc=…. ≅H/6
ing. A. Formisano
89
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
INDICE
Le unioni: aspetti tipologici e tecnologici
Calcolo e verifica unioni bullonate
Calcolo e verifica unioni saldate
Il comportamento dei collegamenti
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
90
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Unioni saldate
Tipi di saldature
Requisiti normativi
La resistenza delle saldature a completa penetrazione
La resistenza delle saldature a cordoni d’angolo
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
91
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Calcolo unioni saldate: Generalità
Colonna- Trave
Nodi
Al tipo di
elementi
collegati
TraveTrave
Colonnafondazione
Giunti
Colonna
Metodologia di
classificazione
Comportamento
strutturale(*)
rispetto alle
membrature
congiunte
Completo
ripristino
Parziale
ripristino
Trave
(*) Rispetto ad uno dei
seguenti parametri:
• Resistenza M
• Rigidezza
• Duttilità
Nodi a
completo
ripristino
Membrature
collegate
Nodi a
parziale
ripristino
Senza
ripristino
Alla tecnologia
d’unione adottata
Con organi
meccanici
ϕ
Rivetti
Bulloni
Laser
Laser Beam
Con
saldatura
Le unioni elementari ed i collegamenti
Keyhole
Arco
Welded region
ing. A. Formisano
92
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
I.5.1 Unioni saldate: tipologie
Con elettrodo
Ad arco con
elettrodo rivestito
Con protezione di
gas
Strutture in acciaio
Processo(*)
(*) Saldature più
comuni in ambito
strutturale
Ad arco in ambiente
protetto (MIG, MAG, TIG)
Laser
Strutture in lega di
alluminio e inox
Speciali (Laser, spot
weld)
Strutture cold-formed
Tipologie
di
Saldatura
T
Per sovrapposizione
D’angolo
Strutture ordinarie
Forma del
cordone
A completa
penetrazione
T
Testa a testa
Strutture ad alta
duttilità e serbatoi
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
93
ing. A. Formisano
94
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Requisiti normativi
Le unioni elementari ed i collegamenti
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Requisiti normativi: saldature a completa penetrazione
N.B.
Nelle saldature a Parziale Penetrazione tw< t
EN 1993-1-8
Limiti geometrici
Saldatura di testa
con cianfrino a X
t w ≅ t ≥ 4mm
t1
tw
t2
N.B.
Nell’Eurocodice non viene fatta
distizione tra saldature di prima
e seconda classe, sebbene il
NAD del DM 1996 prescriveva
dei γMw diversi nei due casi
(1.05 per la I Classe e 1.20 per
la II Classe)
t = min (t1; t2)
DM LL.PP.
9/1/1996
Classe I
Saldature
eseguite
con
elettrodi di qualità 3 o 4
secondo la norma UNI 2132
e
soddisfano
controlli
radiografici
previsti
dal
raggruppamento B della UNI
7278
Saldatura di testa
con cianfrino a Y
t1
tw
CNR UNI 10011
Classe II
Saldature
eseguite
con
elettrodi di qualità 2, 3 o 4
secondo la norma UNI 2132 e
soddisfano
controlli
radiografici
previsti
dal
raggruppamento F della UNI
7278
t2
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
95
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Requisiti normativi: saldatura a cordone d’angolo
Limiti geometrici
αmax
Geometria cordone
EN 1993-1-8
aw
αmin
Cordone Concavo
aw ≥ 3mm
Lw ≥ min (30mm ; 6 ⋅ aw )
Sezione
di gola
120° ≥ α ≥ 60°
Cordone
convesso
Cordone
triangolare
L1 ≥ min (200mm ; 16 ⋅ t )
LW=leff
Saldature a tratti
DM LL.PP.
9/1/1996
Nessuna
particolare
prescrizione
Tensioni
residue
Lw
∆L
∆L
CNR UNI 10011
Lw
Eq. di congruenza
Aw=Lw ⋅ aw
∆L -
NL
L
= 0 → σ= 270 × 10 2 w
Em A
L
L1
(MPa ) con
Le unioni elementari ed i collegamenti
Lw
 ∆L = 0.18 Lw

Em = 0.75 E
L
σ = fy
per Lw=L/100
ing. A. Formisano
96
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
La resistenza delle saldature a completa penetrazione
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
97
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
La resistenza delle saldature a completa penetrazione
Controllo
SLU
NRd MRd
EN 1993-1-8
t1
VRd
Fw ,Rd = Rd ,min (M Rd ; N Rd ;VRd )
t2
NEd
N.B. Il giunto a completa
penetrazione
ripristina
la
resistenza della parte più sottile
congiunta
σw≅ σ
Controllo
T.A.
DM LL.PP.
9/1/1996
dove:
σ⊥ e σ// sono la tensione normale perpendicolare e parallela alla
sezione longitudinale della saldatura;
La resistenza della saldatura è
valutata attraverso il Criterio di
Hencky Von Mises
σ//
σ⊥
σ⊥
CNR UNI 10011
σ id = σ ⊥2 + σ //2 − σ ⊥σ // + 3 τ 2 ≤ α ⋅ σ adm
τ
σ//
La resistenza della saldatura è
pari a quella della lamiera più
debole, ovvero più sottile se si
adotta lo stesso materiale
τ
Le unioni elementari ed i collegamenti
α=1 per saldature di I Classe
α=0.85 per saldature di II Classe
ing. A. Formisano
98
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
La resistenza delle saldature a cordone d’angolo
Meccanismo di trasferimento sollecitazioni
Comportamento sperimentale e domini di resistenza
Modelli di resistenza dell’EC3
Modelli di resistenza della CNR UNI 10011 e DM 1996
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
99
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
La resistenza delle saldature a cordone d’angolo:
meccanismo di trasferimento
N.B. I pedici ⊥ e // definiscono le
componenti di tensione rispetto
all’asse del cordone
Stato tensionale nella
sezione di gola
Meccanismo di
trasferimento
τ//
NEd /2
τ⊥
σ⊥
 N Ed  ⋅ 2

2  2
Aw
σw ≠ σ
NEd
σ⊥ =τ⊥ = 
Aw=Lw ⋅ aw
 N Ed 

2 
n⊥ = 
Aw
Nel caso di cordone
frontale
(con asse ⊥ alla
sollecitazione agente
NEd)
NEd /2
t//
N.B. Per semplificare il calcolo
delle tensioni nella saldatura, nella
pratica
professionale
si
fa
riferimento alla sezione ribaltata
Stato tensionale nella
sezione di gola
ribaltata su uno dei lati
Le unioni elementari ed i collegamenti
t⊥
n⊥
ing. A. Formisano 100
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
La resistenza delle saldature a cordone d’angolo
Meccanismo di trasferimento sollecitazioni
Comportamento sperimentale e domini di resistenza
Modelli di resistenza dell’EC3
Modelli di resistenza della CNR UNI 10011 e DM 1996
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano 101
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
La resistenza delle saldature a cordone d’angolo:
comportamento sperimentale
σ⊥
Provetta Vandeperre
per ottenere il punto V1
σ⊥
Equazioni
dell’ellissoide di
rottura
τ⊥
500
V1
II
II
II
σ 2⊥
f
τ⊥
V2
-300
Ellissoide
Dati
sperimentali
Provetta di
Van Der Eb
2
uw
+
τ 2⊥
τ 2//
+
(0.75 f ) (0.75 f )
2
2
uw
=1
uw
Posto 1/0,752 = 1.8
σ id = σ ⊥2 + 1.8 (τ ⊥2 + τ //2 )
300
Verifica di resistenza
con l’ellissoide ISO
-500
Provetta Vandeperre
per ottenere il punto V2
Peroide
σ i d = σ ⊥2 + k w ⋅ (τ ⊥2 + τ //2 ) ≤
fd
βw
= f uw
dove il
coefficiente di efficienza del cordone βw≤ 1, tiene conto della diversa
resistenza del materiale di apporto della saldatura, che risulta generalmente
superiore a quella del materiale base
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano 102
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
La resistenza delle saldature a cordone d’angolo
Meccanismo di trasferimento sollecitazioni
Comportamento sperimentale e domini di resistenza
Modelli di resistenza dell’EC3
Modelli di resistenza della CNR UNI 10011 e DM 1996
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano 103
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
La resistenza delle saldature a cordone d’angolo:
modelli di resistenza dell’EC3
EN 1993-1-8
Controllo
SLU
σ id = σ ⊥2 + 3 ⋅ (τ ⊥2 + τ //2 ) ≤ f vw,d
Metodo direzionale
(Controllo locale)
Valuta la sicurezza in termini tensionali
(σid) nella sezione di gola utilizzando un
dominio sferico
f vw, d =
fu
3 ⋅ βw ⋅γ M 2
τ⊥
σ⊥
τ⊥
Dominio a
sfera
τ//
Tipo di Acciaio
Coeff. βw
S235
0,80
S275
0,85
S355
0,90
S420 e S460
1
dove
Lw=1
γM2=1.25
Fw,Ed
Valuta la sicurezza in termini di resistenza a taglio
del cordone per unità di lunghezza (Fw,Rd) a
prescindere dal suo orientamento
Metodo semplificato
(Controllo globale)
Stato
tensionale
nella sezione
di gola
[F L2] o nella
sezione
ribaltata….
τ//
σ⊥
Fw, Ed ≤ Fw, Rd =
Le unioni elementari ed i collegamenti
Risultante delle forze
agenti sul cordone per
unità di lunghezza
[F L-1]
fu
3 ⋅ βw ⋅γ M 2
⋅aw
ing. A. Formisano 104
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
La resistenza delle saldature a cordone d’angolo
Meccanismo di trasferimento sollecitazioni
Comportamento sperimentale e domini di resistenza
Modelli di resistenza dell’EC3
Modelli di resistenza della CNR UNI 10011 e DM 1996
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano 105
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
La resistenza delle saldature a cordone d’angolo:
modelli di resistenza della norma italiana
CNR UNI 10011
DM LL.PP. 9/1/1996
Valuta la sicurezza in termini tensionali,
valutando lo stato di sollecitazione sulla
sezione di gola ribaltata su una delle facce
delle lamiere connesse e controllando che
sia contenuto nel dominio detto della sfera
mozza
σ⊥
t//
t⊥
Dominio a
sfera mozza
n⊥
r = 0,7 ⋅ σ adm
τ⊥
τ//
0,58 ⋅ σadm
Controllo T.A.
0,58 ⋅ σadm
Le unioni elementari ed i collegamenti
 n 2 + t 2 + t 2 ≤ 0.70 ⋅ α ⋅ σ
⊥
//
w
adm
⊥

 n ⊥ + t ⊥ ≤ 0.58 ⋅ 2 ⋅ α w ⋅ σ adm
Tipo di Acciaio
Coeff. αw
S235
1.23
S275
1.00
S355
1.00
S420 e S460
-
ing. A. Formisano 106
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
INDICE
Le unioni: aspetti tipologici e tecnologici
Calcolo e verifica unioni bullonate
Calcolo e verifica unioni saldate
Il comportamento dei collegamenti
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
107
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Il comportamento dei collegamenti
Il ruolo dei collegamenti nei telai sismo-resistenti
Classificazione dei telai
Classificazione dei collegamenti
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano 108
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
IL RUOLO DEI COLLEGAMENTI NEI TELAI SISMOSISMO-RESISTENTI
Strutture acciaio
zona sismica
elevate caratteristiche
resistenza e duttilità
(materiali ed elementi)
Strutture dissipative: snervamento alcune zone delle membrature
(dissipazione energia mediante cicli isteretici)
Telai a nodi rigidi: elevato numero zone dissipative (vicino collegamenti
trave-colonna) che dissipano energia mediante comportamento
flessionale ciclico
Duttilità
Duttilità telai
comportamento dei collegamenti
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano 109
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Il comportamento dei collegamenti
Il ruolo dei collegamenti nei telai sismo-resistenti
Classificazione dei telai
Classificazione dei collegamenti
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano 110
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
CLASSIFICAZIONE DEI TELAI
Telai acciaio (EC3)
Controventati
Non controventati
Un sistema molto rigido di
controventi è impiegato per
sopportare la totalità delle
azioni orizzontali
Il telaio non è dotato di
sistema di elementi
controventanti
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano 111
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
CLASSIFICAZIONE DEI TELAI
Telai acciaio (EC3)
A nodi fissi
A nodi spostabili
La rigidezza laterale nel piano del
telaio è sufficientemente grande
da trascurare gli effetti del
secondo ordine
(moltiplicatore carico critico > 10)
Le unioni elementari ed i collegamenti
Il telaio (controventato o
non) è sensibile agli
effetti del secondo
ordine (moltiplicatore
carico critico < 10)
ing. A. Formisano 112
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
CLASSIFICAZIONE DEI TELAI
Telai acciaio
Con collegamenti rigidi
Le estremità delle
membrature che convergono
nel collegamento sono
soggette alle stesse rotazioni
e spostamenti
(comportamento rigido e
monolitico collegamento)
Con collegamenti cerniera
I collegamenti
reali si
comportano in
maniera
intermedia
(SEMI(SEMI-RIGIDI)
I collegamenti
consentono le rotazioni
e risultano quindi
incapaci di trasmettere
momenti
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano 113
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
CLASSIFICAZIONE DEI TELAI
Telai acciaio con collegamenti semi-rigidi
Il progetto della struttura è basato sul diagramma forza-spostamento
(momento-rotazione se il comportamento flessionale è predominante) dei
collegamenti.
M-φ espresso in forma analitica.
In zona sismica si impiega una
relazione ciclica che tiene conto
degli effetti di degrado
all’aumentare del numero di
cicli.
Il comportamento del telaio è influenzato dalle proprietà strutturali di
membrature e collegamenti (resistenza, rigidezza e capacità deformativa)
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano 114
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
Il comportamento dei collegamenti
Il ruolo dei collegamenti nei telai sismo-resistenti
Classificazione dei telai
Classificazione dei collegamenti
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano 115
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
CLASSIFICAZIONE DEI COLLEGAMENTI IN FUNZIONE DELLA RIGIDEZZA
Telai acciaio a nodi rigidi
Collegamenti trave-colonna
Semi-rigidi
Rigidi
(comportamento non
lineare
quasi perfettamente
rigido)
Es: coll. saldato o
con piastre estese di
estremità
Cerniera
(comportamento non
lineare
Intermedio)
(comportamento non
lineare
flessibile)
Es: piatti sup. e inf.;
T-stub; angolari sulle
ali; coll. flangiati; ecc.
Es: doppia
squadretta sull’anima
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano 116
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
CLASSIFICAZIONE DEI COLLEGAMENTI IN FUNZIONE DELLA RIGIDEZZA
1) Collegamenti incernierati: trasferiscono taglio ed eventualmente
sforzo normale dalla trave alla colonna. Inoltre consentono le rotazioni
senza sviluppare momenti flettenti significativi, che potrebbero
condizionare la resistenza delle colonne.
2) Collegamenti rigidi: trasferiscono tutte le reazioni all’estremità degli
elementi collegati. Le loro deformazioni sono talmente piccole da poter
trascurare la loro influenza sulla distribuzione dei momenti o sulla
deformazione globale della struttura.
3) Collegamenti semisemi-rigidi: sono progettati per fornire un certo grado di
interazione far le membrature collegate basato sul diagramma momentorotazione caratteristico del collegamento.
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano 117
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
CLASSIFICAZIONE DEI COLLEGAMENTI IN FUNZIONE DELLA RIGIDEZZA
Telai con nodi semi-rigidi
Analisi elastica
Analisi rigido-plastica
(relazione lineare
(resistenza flessionale di
momento-rotazione del progetto di collegamenti
collegamento)
aventi sufficiente capacità
rotazionale)
Le unioni elementari ed i collegamenti
Analisi elasto-plastica
(relazione non lineare
momento-rotazione del
collegamento)
ing. A. Formisano 118
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
CLASSIFICAZIONE DEI COLLEGAMENTI IN FUNZIONE DELLA RIGIDEZZA
Progettazione elastica
Collegamenti semisemi-rigidi: modellati con una molla rotazionale
caratterizzata dalla costante elastica K. Generalmente i valori di K sono
espressi in termini adimensionali come:
K=
KL
EI b
EIb / L = rigidezza flessionale della trave connessa
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano 119
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
CLASSIFICAZIONE DEI COLLEGAMENTI IN FUNZIONE DELLA RESISTENZA
Progettazione in campo plastico (EC3)
Collegamenti : completo ripristino e parziale ripristino di resistenza
Collegamenti a completo ripristino di
resistenza: la cerniera plastica si forma
nella membratura e non nel collegamento.
Non è richiesta alcuna capacità rotazionale
al collegamento (casi A e B).
Collegamenti a parziale ripristino di
resistenza: la cerniera plastica si forma nel
collegamento, perché la sua capacità
flessionale è minore di quella della
membratura. E’ richiesta una sufficiente
capacità rotazionale al collegamento (casi
C, D ed E).
Caso B: se la capacità rotazionale è limitata, deve essere richiesta un’extra riserva di resistenza
per tener conto di possibili effetti di sovra-resistenza nella membratura
Caso C: non è ammissibile, perché la sua capacità rotazionale potrebbe essere superata
sotto i carichi di progetto
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano 120
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
CLASSIFICAZIONE DEI COLLEGAMENTI
Progettazione in campo plastico (EC3)
Collegamenti : in zona sismica sono da preferirsi quelli a completo ripristino
di resistenza
EC8 e le Raccomandazioni ECCS propongono un fattore di sovra-resistenza
=1.2 per collegamenti bullonati e con saldature a cordoni d’angolo
(approccio qualitativo).
Approcci quantitativi: sono stati proposti differenti sistemi di classificazione
in letteratura.
E’ difficile mettere a punto un sistema di classificazione che vada bene sia
allo SLS (rigidezza collegamento) che allo SLU (resistenza collegamento).
Inoltre bisogna considerare anche capacità rotazionale e dissipazione
energetica (ruolo fondamentale in telai sismo-resistenti).
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano 121
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
CLASSIFICAZIONE DEI COLLEGAMENTI
Progettazione in campo plastico (EC3)
Risposta collegamenti : di tipo non lineare
diagramma M-ϕ con
tratti curvi
per praticità si usa un legame elastoelasto-plastico (tratto
elastico relativo allo SLS e tratto plastico relativo allo SLU).
Molti software usano legami bilineari per analizzare telai con nodi
semi-rigidi.
I collegamenti trave-colonna possono essere classificati sulla base di:
Rigidezza rotazionale K
diagramma momento-rotazione
Resistenza flessionale Mu
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano 122
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
CLASSIFICAZIONE DEI COLLEGAMENTI
Progettazione in campo plastico (EC3)
I tratti linearizzati del diagramma momento-rotazione che esprime il
comportamento dei collegamenti possono essere espressi attraverso i
seguenti parametri adimensionali:
K=
Ki L
EI b
m=
Mu
M pb
ϕ =ϕ
EI b
M pb L
dove:
Ki = rigidezza rotazionale collegamento
Mpb = momento plastico trave
L = lunghezza trave
Ib = momento inerzia trave
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano 123
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
CLASSIFICAZIONE DEI COLLEGAMENTI
Progettazione in campo plastico (EC3)
Rigidezza rotazionale
Semi-rigidi
Rigidi
K≥K
*
*
0 .5 < K ≤ K
Cerniera
*
K ≤ 0.5
*
Il valore K è assunto in modo che per K ≥ K si ha una riduzione, rispetto al telaio
ideale infinitamente rigido, del moltiplicatore critico dei carichi verticali non
superiore al 5% per ciascun valore del rapporto fra la rigidezza flessionale della
trave e quella della colonna.
*
Il valore di K dipende quindi dal tipo di telaio:
- 8 per telai controventati;
- 25 per telai non controventati (a nodi rigidi).
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano 124
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
CLASSIFICAZIONE DEI COLLEGAMENTI
Progettazione in campo plastico (EC3)
Resistenza flessionale
Completo ripristino
Parziale ripristino
Cerniera
m ≥1
0.25 < m ≤ 1
m ≤ 0.25
m ≥ 1.2 : il controllo della capacità rotazionale non è richiesto
Secondo EC3 le curve di passaggio nel piano momento-rotazione fra
collegamenti rigidi e semirigidi sono delle trilineari.
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano 125
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
CLASSIFICAZIONE DEI COLLEGAMENTI
Progettazione in campo plastico (EC3)
III
II
Telai non controventati
I
RAMO I :
m = K * ϕ = 25ϕ ϕ ≤ 2
*
3K
RAMO II :
2
25ϕ + 4
≤ ϕ ≤ 0.12
m=
*
7
3K
RAMO III :
Le unioni elementari ed i collegamenti
m = 1 ϕ ≥ 0.12
ing. A. Formisano 126
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
CLASSIFICAZIONE DEI COLLEGAMENTI
Progettazione in campo plastico (EC3)
III
Telai controventati
II
I
RAMO I :
m = K * ϕ = 8ϕ ϕ ≤ 2
*
3K
RAMO III :
RAMO II :
20 ϕ + 4
m =
7
2
3K
*
m = 1 ϕ ≥ 0.20
≤ ϕ ≤ 0.20
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano 127
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
CLASSIFICAZIONE DEI COLLEGAMENTI
Progettazione in campo plastico (EC3)
Facendo riferimento anche al parametro di resistenza, oltre che alla
rigidezza, si possono individuare ad esempio le seguenti tipologie
tipologie di
collegamenti.
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano 128
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
BIBLIOGRAFIA DI APPROFONDIMENTO
1) Ballio G., Mazzolani F.M. (1987). Strutture in acciaio,
Hoepli.
2) Ballio G., Bernuzzi C. (2004). Progettare costruzioni in
acciaio, Hoepli.
3) Mazzolani F.M., Piluso V. (1996). Theory and Design of
Seismic Resistant Steel Frames,
Frames, E&FN SPON.
RINGRAZIAMENTI
- Prof. Ing. Raffaele LANDOLFO
- Ing. Gianmaria DI LORENZO
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano
Corso in:
“Progettare con l’
l’acciaio in zona sismica”
sismica”
GRAZIE PER LA
CORTESE ATTENZIONE
Le unioni elementari ed i collegamenti
ing. A. Formisano