STRUTTURE IN ACCIAIO: SISTEMI DI COLLEGAMENTO E UNIONI – PARTE 1 GENERALITÀ UNIONI BULLONATE UNIONI SALDATE Website: http://www.francobontempi.org Prof. Franco Bontempi, Ing. Stefania Arangio [email protected], [email protected]Sapienza Università di Roma Corso di Tecnica delle Costruzioni – Ingegneria Civile A.A. 2013 – 14 ESERCITAZIONI 8 & 9 06 Dicembre 2013 12 Dicembre 2013
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STRUTTURE IN ACCIAIO:
SISTEMI DI COLLEGAMENTO E UNIONI – PARTE 1GENERALITÀ
Corso di Tecnica delle Costruzioni – Ingegneria Civile
A.A. 2013 – 14
ESERCITAZIONI 8 & 9
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I sistemi di collegamento: generalità
Unioni bullonate
Unioni saldate
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I sistemi di collegamento: generalità
Unioni bullonate
Unioni saldate
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SCOMPOSIZIONE STRUTTURALE
Struttura
Sottostruttura
Componenti
Struttura
Sottostruttura
Componenti
Elementi
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SISTEMI DI COLLEGAMENTO
L’acciaio è fornito dall’industria siderurgica in elementi di forme tipiche
(profilati, lamiere, tubi) e di dimensioni unificate
A partire da questi elementi resistenti semplici è possibili costruire una
qualsiasi struttura
In questo senso assumono un ruolo fondamentale i collegamenti.
Devono essere realizzati in modo che ciascun elemento semplice contribuisca
alla capacità portante dell’insieme.
Sistemi di collegamento: dispositivi costruttivi che hanno lo scopo specifico
di connettere due o più elementi strutturali
inizialmente indipendenti
Sistemi di collegamento nelle NTC 2008:
• bulloni normali (§ 11.3.4.6.1)
• bulloni ad attrito (AR) (§ 11.3.4.6.2)
• saldature (§ 13.3.4.5)
• chiodi (§ 11.3.4.6.3)
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Ge
ne
ralit
àUNIONI TRA COMPONENTI STRUTTURALI
Unioni correnti: servono per creare profili composti a partire da ferri piatti e cantonali (profili che non esistono sui sagomari, come travi alte e profili a cassone)
Unioni di forza: uniscono tra lori i vari elementi strutturali per formare l’intera (collegamenti) costruzione
Immagine da http://dankuchma.com/stm
I giunti tra gli elementi sono realizzati nelle zone di
diffusione (D regions):
- Sono sede di concentrazioni di sforzi
- Non vale la teoria della trave di Bernoulli (non sono verificate le ipotesi alla base della teoria di De Saint Venant)
- Le indicazioni progettuali sono basate su basate su teorie e modellazioni semplificate supportate da analisi sperimentali o numeriche
Lo studio accurato delle unioni è fondamentale perché
i collegamenti possono costituire il punto debole della
struttura
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CRITERI DI CLASSIFICAZIONE DELLE UNIONI (1)
Sistema di collegamento
Tipo di sollecitazione che
trasmettono
(o vincolo che schematizzano)
Deformabilità
Statica
• bullonate
• saldate
• chiodate
• Taglio (T)
• Sforzo normale (N)
• Sforzo normale e taglio (N+T)
• Sforzo normale, taglio, momento
(N+T+M)
• flessibili
• semirigide
• rigide
• articolazioni
• unioni a parziale ripristino
• unioni a completo ripristino
cerniera
incastro, vincolo continuità
Ge
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CRITERI DI CLASSIFICAZIONE DELLE UNIONI (2)
Tipologia di componenti che vengono collegati
1. trave principale – trave secondaria (giunto di estremità)2. trave – trave continua3. trave – colonna4. colonna - colonna5. colonna – fondazione 6. elementi di controventamento7. …1
2
3
6
4
5
Ge
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QUADRO RIASSUNTIVO DELLE TIPOLOGIE DI COLLEGAMENTI
COMPONENTI VINCOLO SOLLECITAZIONE TIPO UNIONE
1) Trave principale - trave
secondaria cerniera T bullonata
2) Trave - trave continua continuitàT
T + M
bullonata
bullonata con
coprigiunto
3) 4) 5) Trave - colonna (a 2, 3,
4 vie)
RITTI: cerniera T bullonata
TELAIO:
nodo rigidoT + M
bullonata + saldata
(giunto flangiato)
6) Controvento cerniera N +( N*e) bullonata
7) Colonna - colonna biella N bullonata
8) Colonna - plinto di fondazione
cerniera N Bullonata
incastro N + MBullonata +
irrigidimenti
Ge
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TIPOLOGIE DI COLLEGAMENTI (ritti pendolari)G
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TIPOLOGIE DI COLLEGAMENTI (controventi)G
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TIPOLOGIE DI COLLEGAMENTI (telaio a nodi rigidi)G
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I sistemi di collegamento: generalità
Unioni bullonate
Unioni saldate
Outline
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GENERALITA’U
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VANTAGGI
• Facilità e velocità di montaggio e smontaggio – per questo motivo nel tempo
la bullonatura ha rimpiazzato la chiodatura
• Flessibilità della struttura nel caso debba essere modificata per rispondere a
nuove esigenze distributive
• Riutilizzo delle parti strutturali
SVANTAGGI
• Gli elementi strutturali sono indeboliti dalla presenza dei fori (è necessario
effettuare opportune verifiche)
• La presenza dei fori comporta una
distribuzione delle tensioni caratterizzata
da punte locali
s max
smin
s m
Ø
s
Ø
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MORFOLOGIA DEI BULLONIU
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Bullone Rondella Dado
filettatura
Vite con testa esagonale Rondella Dado
Area dei bulloni (CNR 10011 prosp. 4 IV)
d [mm]Anom, area nominale
[mm2]Ares, area resistente
[mm2]
12 113 84
14 154 115
16 201 157
18 254 192
20 314 245
22 380 303
24 452 353
27 572 459
30 707 561
Area nominale
Area resistente
Diametro del foro = d bullone + 1 mm (fino d= 20 mm)
Diametro del foro = d bullone + 1,5 mm (fino d > 20 mm)
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CLASSI DEI BULLONIU
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CLASSE VITE
fyb
N/mm2
snervamento
ftb
N/mm2
rottura
fdN
N/mm2
fdN = 0,9ftb/γM2
fdV
N/mm2
fdV = 0,6ftb/γM2
N
4.6 240 400 288 192
5.6 300 500 360 240
6.8 480 600 432 288
AR
8.8 649 800 576fdV = 0,6ftb/γM2
320
fdV = 0,5ftb/γM2
384
10.9 900 1000 720 400 480
10*9= 90 Kg/mm2 = 900 N/mm2 Aresistente Anominale
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INTERASSE E DISTANZE TRA I FORIU
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(NTC 2008, § 4.2.8.1.1)
t = spessore minimo tra quelli degli elementi collegati
d = diametro bulloned0 = diametro foro
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INTERASSE E DISTANZE TRA I FORIU
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(NTC 2008, § 4.2.8.1.1)
t = spessore minimo tra quelli degli elementi collegati
d = diametro bulloned0 = diametro foro
E’ necessario rispettare i limiti della normativa per rimanere nel
campo di validità dei controlli sperimentali
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STATI DI SOLLECITAZIONEU
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Si distinguono le unioni in:
• unioni in cui il bullone è sollecitato a taglio
• unioni in cui il bullone è sollecitato a trazione
• unioni in cui il bullone è sollecitato a trazione e taglio
Per il calcolo dello stato di sollecitazione non si possono usare le formule della
teoria della trave. La sezione di calcolo coincide con la sezione di applicazione
delle forze e non è applicabile il principio di De Saint Venant
IPOTESI utilizzate per lo studio delle unioni:
• lamiera “inifinitamente” rigida – si trascura la sua deformazione
• si trascura l’inflessione dei bulloni
• si trascurano le concentrazioni di tensioni in corrispondenza dei bordi dei fori
• pressioni uniformemente distribuite sui fori e sul gambo dei bulloni
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UNIONI A TAGLIOU
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F
F/2
F/2
Forza che agisce nel piano di contatto tra gli elementi
Si considera un collegamentoelementare
FF
F/2
F/2
F/2
F/2
F/2
F/2
F
F/2
F/2
F
Il bullone è soggetto a
notevoli sforzi taglianti
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UNIONI A TAGLIO: MODALITÁ DI COLLASSOU
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1) Rottura per strappo della lamiera
2) Rottura per recisione del gambo del bullone
3) Rifollamento della lamiera
4) Rottura per trazione della lamiera
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UNIONI A TAGLIO: MODALITA’ DI COLLASSO (1/4)U
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1) Rottura per strappo della lamiera
FF FF
D
D'
E
E'
smF
⋅⋅⋅=2
11τ
s = spessorem = proiezione orizzontale del segmento DD’
Lo sforzo di taglio si divide su due sezioni di A = ms
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2) Rottura per recisione del gambo del bullone
UNIONI A TAGLIO: MODALITA’ DI COLLASSO (2/4)U
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F/2
F/2
FF/2
F/2
F/2
F/2
F
F/2
F/2
Il gambo lavora su due facceSulla sezione di A = π d2 /4 agisce la forza F/2
22
4
2 d
F
⋅⋅=π
τ
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UNIONI A TAGLIO: MODALITA’ DI COLLASSO (3/4)U
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3) Rifollamento della lamiera
F F
F
a b c
F
Campo
elastico
Campo
plastico
Valore
medio
s = spessore
d = diametro del bullone
sd
F
⋅=1σ
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UNIONI A TAGLIO: MODALITA’ DI COLLASSO (4/4)U
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4) Rottura per trazione della lamiera
FF F F
F/2
F/2
F/2
F/2A
A'
s max
s min
s m
Ø
s
Ø
( ) sda
F
⋅−=2σ
a = altezza della lamiera
d = diametro del bullone
s = spessore
Andamento delle tensioni intorno al foro Valore convenzionale medio
della tensione
Conoscendo le tensioni di collasso dei vari meccanismi è possibile risalire ai vari
carichi di collasso. Il più piccolo dei 4 rappresenta l’effettivo carico ultimo del
collegamento
a
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UNIONI A TAGLIO: VERIFICHEU
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Una volta calcolate le tensioni agenti è necessario valutare la sicurezza nei
confronti dei vari meccanismi di collasso.
4 meccanismi 4 verifiche (NTC 2008, § 4.2.8.1.1)
1) Verifica a strappo della lamieraLa verifica a strappo è soddisfatta se il predimensionamento di distanze e
interassi è stato effettuato seguendo le indicazioni della normativa
2) Verifica a recisione del gambo del bulloneCon l’ipotesi che la tensione tangenziale si distribuisca uniformemente:
VRd
b
fA
R≤=τ
2
6,0
M
tbVRd
ff
γ=
2
5,0
M
tbVRd
ff
γ=
R = risultante sul singolo bullone
Ab = area della sezione interessata
(Ab = A se il bullone lavora su una faccia
Ab = 2A se il bullone lavora su due facce)
Bulloni 6.8 e 10.9 con filettatura a contatto
Ab = 2A Ab = A
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UNIONI A TAGLIO: VERIFICHEU
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3) Verifica a rifollamento
4) Verifica di resistenza della lamiera
2M
tkrif
fk
ds
R
γ
ασ
⋅⋅≤
⋅=
R = risultante sul singolo bullone
d = diametro del bullone
s = spessore
ftk = resistenza a rottura del
materiale della piastra
γM2 = 1,25
ydf≤σ
ridA
N=σ
ridW
M=σ
ridA
V=τ 22 3τσσσ +== id
⋅
=02
;9,0
minM
yk
M
tkyd
fff
γγo
Se è presente anche sforzo tangenziale
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UNIONI A TRAZIONEU
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Forza che agisce in direzione perpendicolare al piano di contatto tra gli elementi
Si considera un collegamentoelementare
FN
FN
2
9,0
M
tb
res
N
f
A
N
γγσ
⋅≤⋅=
γN = 1,25 per tenere conto dell’effetto leva
e di eventuali flessioni parassite
Ares = A resistente del bullone
ftb = resistenza a rottura del bullone
γM2 = 1,25
effetto leva
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UNIONI A TAGLIO E TRAZIONEU
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14,1
≤⋅
+tRd
tEd
vRd
vEd
F
F
F
F
2
6,0
M
restbvRd
AfF
γ
⋅=
2
9,0
M
restbtRd
AfF
γ
⋅⋅
Nel caso di presenza combinata di taglio e trazione si può adottare la formula di
interazione lineare:
FtEd sollecitazione di trazione di progetto
FvEd sollecitazione di taglio di progetto
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EFFETTI DELLE CARATTERISTICHE DI SOLLECITAZIONEU
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Le unioni reali sono costituite da più bulloni.E’ necessario utilizzare metodi di calcolo che permettono di ripartire gli effetti delle azioni esterne tra gli n bulloni
• Viene ripristinata la continuità tra i pezzi uniti
• Diventano monolitici (e vanno verificati come tali)
La resistenza di calcolo dei collegamenti si assume uguale alla resistenza di
progetto del più debole tra gli elementi connessi
Un
ion
i sa
lda
teCLASSIFICAZIONE
testa a testa a T a croce
2) Giunti a cordone d’angolo
• Gli elementi da unire non vengono preventivamente modellati
• Sono solo accostati. Si hanno discontinuità nel flusso delle tensioni
discontinuità
discontinuità
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Un
ion
i sa
lda
teGIUNTI A CORDONE D’ANGOLO: CALCOLO E VERIFICHE
Il problema di verificare la resistenza di un cordone d’angolo è stato oggetto di numerosi studi.Tutti i metodi proposti si basano su una ipotesi semplificativa: le tensioni si vengono considerate uniformemente distribuite sulla sezione di gola (a*L)
Reale distribuzione degli sforzi.
Mano a mano che il materiale si
plasticizza si ha una
ridistribuzione degli sforzi e le
disuniformità si attenuano
Altezza di gola a
Sezione di gola nella reale posizione Sezione di gola ribaltata
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ESERCITAZIONE 8&9
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• Van den Eb traccia un dominio a peroide a partire da risultati sperimentali
Si cerca un dominio con una forma traducibile in equazione
• ellissoide ISO
• sfera inglese (BS, 1966): raggio pari a 0,58·fu;
• sfera americana (AISC, 1969): raggio pari a 0,61·fu;
• sfera tedesca (DIN, 1968): raggio pari a 0,70·fu.
Un
ion
i sa
lda
teVERIFICHE SULLA SEZIONE DI GOLA RIBALTATA: CENNI STORICI
( ) ( )1
70,058,02
2
//
2
2
2
2
=⋅
+⋅
+ ⊥⊥
uuu fff
ττσ
Lo scopo era quello di tracciare il dominio spaziale delle resistenze
42/47U
nio
ni b
ullo
na
teU
nio
ni sa
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teG
en
era
lità
Corso di Tecnica delle Costruzioni – Ingegneria Civile
Prof. Franco Bontempi – Ing. Stefania Arangio
ESERCITAZIONE 8&9
A.A. 2013 - 2014
Un
ion
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lda
teVERIFICHE SULLA SEZIONE DI GOLA RIBALTATA (NTC E CNR)
7,02//
22ydftnt ⋅⋅≤++ ⊥⊥ β
ydfnt ⋅⋅⋅≤+ ⊥⊥ β258,0
In Italia:
• si vuole mantenere l’interpretazione delle DIN ma
rendendola più cautelativa
• Si vuole evitare una formulazione analitica di tipo
quadratico
SFERA MOZZA
Sfera tagliata da due
coppie di piani passanti
per 0,58fu su entrambi
gli assi
Verifiche
stato tensionale limitazioni Fe 360 Fe 430/ 510
0,85 fyd 0,70 fyd
fyd 0,85 fyd
fyd 0,85 fyd
0,85 fyd 0,70 fyd
0,85 fyd 0,70 fyd
0,85 fyd 0,70 fyd
0,85 fyd 0,70 fyd
0,85 fyd 0,70 fyd
0,85 fyd 0,70 fyd
⊥
⊥ ⊥
a
n σ⊥
t τ
2//
22 ≤++ ⊥⊥ ττσ
⊥
⊥
σ
τ
⊥
⊥
σ τ
τ
⊥
τ
τ
⊥ τσ
τ⊥
σ⊥
τ
≤+ ⊥⊥ στ
≤⊥τ
≤⊥σ
2//
2 ≤+⊥ ττ
2//
2 ≤+⊥ τσ
≤//τ
≤+ ⊥⊥ στ
≤⊥σ
≤⊥τ
≤⊥σ
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teEFFETTI DELLE CARATTERISTICHE DI SOLLECITAZIONE: TRAZIONE
a
F
F/2
F/2
L
yd
ii
faL
F⋅≤
⋅=∑
85,0//τ
∑ ⋅⋅=⋅ aLaL ii 4
ydfaL
F⋅≤
⋅⋅=⊥ 85,0
2σ
a
LF
F/2
F/2
Cordoni laterali Cordone frontale
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teEFFETTI DELLE CARATTERISTICHE DI SOLLECITAZIONE: TAGLIO
Fa
h
L
F
a
h
b
L
nσt
τ
⊥n
tσ
⊥
⊥
⊥
⊥
⊥
⊥
L’area resistente è pari a A = 2·a·h
con modulo di resistenza6
22
haW
⋅⋅=
La massima tensione derivante dal momentoflettente è pari a: