Unioni chiodate e bullonate 1 5. UNIONI SALDATE Il collegamento per saldatura si basa sul principio di creare la continuità tra due pezzi da unire mediante fusione. Vantaggi: - minor c osto rispetto alla bullonatura - strutture più monolitiche e continue - semplicità e minor ingombro dell’unione - minor pe so della struttura Svantaggi: - maestranze più specializzate - necessità di controlli in superficie e in prof ondità - apporto di calor e con conseguenti stati di coazione - possibile presenz a di cricche Per la difficoltà della loro esecuzione in opera le istruzioni CNR consigliano di studiare il progetto in modo tale da limitare la loro realizzazione al di fuori delle officine e da evitare la concentrazione di saldature in zone ristrette. Nella saldatura “ossiacetilenica” la fusione del materiale è prodotto dalla combustione dell’acetilene (C 2 H 2 ) con l’ossigeno (temperatura della fiamma 3100°). Il materiale di apporto per il collegamento è formato da una bacchetta metallica che viene fusa assieme al materiale base. E’ il primo procedimento industriale, oggi in disuso. Il metodo maggiormente utilizzato in tutte le applicazioni delle strutture in acciaio è la “saldatura ad arco”. La sorgente termica è costituita dall’arco elettrico che, scoccando tra l’elettrodo, manovrato dal saldatore mediante la pinza porta-elettrodi, ed il materiale base, sviluppa il calore che provoca la rapida fusione sia del materiale di base che dell’elettrodo. L’elettrodo è costituito da una bacchetta cilindrica (lunga 350-450 mm) con un rivestimento la cui fusione genera tra l’altro del gas per la protezione della zona in cui scocca l’arco e del bagno. Il materiale di rivestimento dell’elettrodo, di peso specifico minore, tende a galleggiare sul cordone di saldatura ed ha la funzione di ridurre l’ossidazione e la rapidità di raffreddame nto. In funzione dei componenti del rivestimento si hanno elettrodi “basici”, “acidi” e “cellulosici” da impiegarsi per varie condizioni (UNI 5132). Durante una passata di saldatura, la profondità dello strato fuso si chiama “penetrazione della saldatura”. Per ogni passata è necessario rimuovere lo strato di scoria. Il materiale di apporto ha in genere una composizione un po’ diversa dal materiale base e nella zona fusa i due materiali sono mescolati tra loro. Fig. 1.5
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Il collegamento per saldatura si basa sul principio di creare la continuità tra due pezzi da unire mediante fusione.Vantaggi:
- minor costo rispetto alla bullonatura- strutture più monolitiche e continue- semplicità e minor ingombro dell’unione- minor peso della strutturaSvantaggi:
- maestranze più specializzate- necessità di controlli in superficie e in profondità
- apporto di calore con conseguenti stati di coazione- possibile presenza di cricchePer la difficoltà della loro esecuzione in opera le istruzioni CNR consigliano di studiare il progetto in modo tale dalimitare la loro realizzazione al di fuori delle officine e da evitare la concentrazione di saldature in zone ristrette.
Nella saldatura “ossiacetilenica” la fusione del materiale è prodotto dalla combustione dell’acetilene (C2H2) conl’ossigeno (temperatura della fiamma 3100°).
Il materiale di apporto per il collegamento è formato da una bacchetta metallica che viene fusa assieme al materiale base. E’ il primo procedimento industriale, oggi in disuso.Il metodo maggiormente utilizzato in tutte le applicazioni delle strutture in acciaio è la “saldatura ad arco”.
La sorgente termica è costituita dall’arco elettrico che, scoccando tra l’elettrodo, manovrato dal saldatore mediantela pinza porta-elettrodi, ed il materiale base, sviluppa il calore che provoca la rapida fusione sia del materiale di base
che dell’elettrodo.L’elettrodo è costituito da una bacchetta cilindrica (lunga 350-450 mm) con un rivestimento la cui fusione genera tra
l’altro del gas per la protezione della zona in cui scocca l’arco e del bagno.Il materiale di rivestimento dell’elettrodo, di peso specifico minore, tende a galleggiare sul cordone di saldatura edha la funzione di ridurre l’ossidazione e la rapidità di raffreddamento.
In funzione dei componenti del rivestimento si hanno elettrodi “basici”, “acidi” e “cellulosici” da impiegarsi per varie condizioni (UNI 5132).Durante una passata di saldatura, la profondità dello strato fuso si chiama “penetrazione della saldatura”. Per ogni
passata è necessario rimuovere lo strato di scoria.Il materiale di apporto ha in genere una composizione un po’ diversa dal materiale base e nella zona fusa i duemateriali sono mescolati tra loro.
Le diverse passate producono cicli termici con elevata velocità di raffreddamento, che portano ad effetti simili alla
tempera con zone ad elevata durezza che possono originare delle cricche a freddo. Le cricche a freddo possono essere
ridotte preriscaldando il materiale base.Altra causa di cricche è dovuta alla presenza di impurezze nella zona fusa.
Oltre alle cricche altri difetti sono le “soffiature” (inclusioni di gas all’interno del cordone), cavità localizzate,mancanze di penetrazione e di fusione al vertice degli smussi e al cuore.
Il mezzo più comune per rilevare i difetti interni di una saldatura è l’esame radiografico con raggi X o raggi gamma (idifetti appaiono come macchie più scure)Altri metodi di esame sono gli ultrasuoni (riflessione delle onde), l’esame magnetoscopico (crea un campo magnetico e
impiega polveri magnetizzabili), liquidi penetranti (penetrano nelle cricche e vengono evidenziate da un liquidorivelatore successivamente applicato dopo un’accurata pulizia).
Il raffreddamento produce altri fenomeni:- la deformazione dei pezzi saldati
- l’insorgere di stati di tensione dovuti alle deformazioni termiche impedite (tensioni residue)
Le saldature si classificano in funzione:- della posizione (fig. 6.5a)
• saldature in piano
• saldature frontali
• saldature in verticale
• saldature sopratesta (quando le passate sono effettuate su un piano sopra la testa dell’operatore)- della posizione reciproca dei pezzi (fig. 6.5b)- nei giunti testa a testa le smussature devono creare un vano accessibile su tutto lo spessore, le saldature si distinguono
in funzione della preparazione dei lembi (fig. 6.5 c)
- della sezione finale del cordone (fig. 6.5 e)• piana
Esistono due classi di qualità per le saldature:- saldature di I classe: i giunti devono essere eseguiti con particolare accortezza e in grado di soddisfare ai controlli
radiografici richiesti dalla UNI 7278- giunti di II classe: soddisfano condizioni meno severe (UNI 7278)In ogni caso è richiesta l’eliminazione di ogni difetto al vertice prima di effettuare passate successive.
I giunti a completa penetrazione realizzano la effettiva continuità tra le parti collegate.I cordoni frontali, laterali e d’angolo determinano una deviazione e una concentrazione delle isostatiche che
costituiscono punti di innesco per le rotture a fatica.
5.3.1 Giunti testa a testa od a T a completa penetrazione
Per sollecitazioni composte deve risultare:
≤+−+= ⊥⊥2
//2
//2
id 3τ σ σ σ σ σ
dove:
⊥σ è la tensione di trazione o compressione normale alla sezione longitudinale della saldatura
//σ è la tensione di trazione o compressione parallela all’asse della saldatura
τ è la tensione tangenziale nella sezione longitudinale della saldatura.
5.3.2 Giunti a cordoni d’angolo
Per il calcolo delle tensioni derivanti da azioni di trazione o compressione normali all’asse della saldatura oda azioni di taglio secondo detto asse, deve essere considerata come sezione resistente la sezione di gola delcordone di saldatura; ai fini del calcolo essa ha come lunghezza L quella intera del cordone, purchè questonon abbia estremità palesemente mancanti o difettose, e come larghezza a l’altezza del triangolo iscrittonella sezione trasversale del cordone (fig. 11. 5)
Eventuali tensioni σ// di tazione o di compressione presenti nella sezione trasversale del cordone, intesocome parte della sezione resistente della membratura, non devono essere prese in considerazione ai fini dellaverifica del cordone stesso.
Il calcolo convenzionale delle tensioni deve essere eseguito ribaltando su uno dei lati del cordone la sezionedi gola. La tensione risultante dalle azioni esterne sulla sezione di gola deve essere scomposta secondo tre
direzioni ortogonali nelle componenti di modulo //,, τ σ τ ⊥⊥ come indicato in Fig. 12.5.
Per la verifica i valori assoluti delle componenti di tensione//
e, τ σ τ ⊥⊥ devono soddisfare le
seguenti limitazioni allo stato limiye ultimo:
≤++ ⊥⊥2
//22
τ σ τ
≤+ ⊥⊥σ τ
5.4 Unioni per contatto
E’ ammesso l’impiego di unioni per contatto nel caso di membrature semplicemente compresse, purchè, con
adeguata lavorazione meccanica, venga ssicurato il combaciamento delle superfici del giunto.
- combinazione di cordoni frontali, longitudinali e trasversali:
si prenda come esempio un collegamento di una trave ad I con una colonna (fig. 18.5). Si assume che lo sforzo ditaglio sia sopportato dai cordoni dell’anima (τ// = cost) e che il momento sia assorbito dai cordoni sia delle ali chedell’anima (è anche possibile affidare ai soli cordoni delle ali gli effetti del momento). Per cui si ha nei cordoni A,B, C:
33//
La2
F=τ
σ ┴ max =W
M
I punti più sollecitati sono i cordoni esterni delle ali “A” e le estremità dei cordoni dell’anima “C”.
5.5.3 Sollecitazione di torsione, flessione e taglio
Metodo semplificato del “momento polare”Si ribaltano le sezioni di gola sul piano di giunzione dei pezzi, si considera come centro di rotazione il baricentro G ditali sezioni ribaltate e si calcola il momento d’inerzia polare I0 rispetto a G. Per effetto della torsione la tensionetangenziale massima agisce nel punto più distante da G e vale:
0
maxmax
ITr =τ
Scomponendo τmax nella direzione parallela ed ortogonale all’asse della saldatura si ottengono τ// e τ ┴ . Nel caso di due cordoni paralleli si ha:
Quindi sui cordoni laterali (orizzontali) τ// = τ’// sul cordone frontale (verticale) più sollecitato τ// = τ’// + τ’’//
Questa ripartizione ha il vantaggio di equilibrare le azioni esterne con solo τ//.Altre ripartizioni sono possibili (ad esempio facendo riferimento al metodo del momento polare).
- Nel caso di tre cordoni (2 orizzontali e 1 verticale) il momento è equilibrato dai due cordoni orizzontali, ilcordone verticale equilibra il taglio (il momento è calcolato rispetto al cordone verticale).
- Sezioni a cassone:
Se il profilo a cassone è saldato lungo tutto il perimetro le tensioni tangenziali possono essere calcolate con laformula di Bredt:
Aa2
M t// =τ
dove A è l’area delimitata dagli assi dei cordoni di saldatura rispetto al baricentro delle saldature
Le pressioni di contatto, calcolate mediante le formule di Hertz, devono risultare:
- per contatto lineare σl ≤ 4 f d
- per contatto puntuale σ p ≤ 5,5 f d
Le formule delle pressioni di contatto sono riportate nella norma CNR-UNI 10011 (5.6.2)
Nel caso in cui la localizzazione della reazione d’appoggio venga ottenuta mediante piastre piane la pressione media di contatto superficiale deve risultare σs ≤ 1,35 f d
6.2 Giunti tesi
Possono essere con saldatura a completa penetrazione (fig. 6.6.a) o con coprigiunti saldati (fig. b) o bullonati
(fig. c). Nella figura d, e, f invece le giunzioni di profilati avvengono tramite fazzoletti.
Gli elementi tesi possono essere collegati mediante giunti flangiati (Fig. 7.6)
I possibili meccanismi di rottura sono descritti nella Fig. 8.6.
Per la resistenza del calcestruzzo si fa riferimento alle regole del cemento armato. Per la regolazione in
altezza degli elementi metallici è sempre necessario lasciare una tolleranza in elevazione dell’ordine di 5 cmche successivamente verrà riempita di malta espansiva. La piastra di base può essere irrigidita con
Nella figura sono riportati altri giunti a parziale ripristino
f) giunto flangiato
g) attacco bullonato con squadrette realizzate con angolari (si tiene conto della sola azione tagliante). Il
giunto simula una cerniera
h) come il giunto g) però saldato
dal giunto i) al n) sono tutte varianti, si comportano come cerniere.
- Nei giunti con coprigiunto a totale ripristino flessionale il flettente deve essere suddiviso tra ali e d
anima, l’anima deve assorbire il taglio- Nel caso di giunti a parziale ripristino flessionale si attribuisce ai coprigiunti delle ali tutto il flettente
ed a quelli dell’anima il taglio
- Nei giunti flangiati il taglio viene trasmesso da tutti i bulloni, il flettente è equilibrato dai bulloni tesi
Tendenza attuale è quella di realizzare reticoli semplici con il minor numero di nodi e preferenza per le travi
con i correnti paralleli o ad andamento trapezio.
Nel caso di travi reticolari semplicemente appoggiate, conviene assumere l’altezza della trave pari a 1/8 ÷
1/10 della luce, al fine di limitare l’entità delle frecce. Se la trave è continua l’altezza può essere ridotta fino
a 1/16 della luce.
Si possono assumere le seguenti ipotesi:
- le aste sono vincolate ai nodi con cerniere senza attrito
- le aste sono rettilinee e le loro linee d’asse passano per i centri delle cerniere
- le linee baricentriche delle bullonature e delle saldature a cordone d’angolo coincidono con le linee
d’asse delle aste
- le forze agenti sono applicate ai nodi
Con queste ipotesi le aste sono soggette esclusivamente a sforzo normale.
E’ frequente tuttavia il caso di giunzioni in cui il baricentro degli elementi di connessione (chiodi o bulloni)
non si trovi sull’asse dell’asta. Nei casi in cui l’eccentricità sia elevata, bisogna tenere conto della flessione
secondaria che si produce.
I bulloni dovranno assorbire l’azione tagliante T1 parallela all’asse dell’asta e quella T2 p Ne= congruenti
all’eccentricità e.
Le prime travi reticolari saldate si distinguevano da quelle chiodate solo per la sostituzione delle saldature ai
chiodi. La successiva eliminazione di elementi intermedi di unione ha permesso di conseguire riduzioni di peso e minori costi. Nella composizione delle aste di corrente si cerca di ottenere sviluppi laterali adeguati
all’attacco delle aste di parete senza fazzoletti intermedi.
Di uso abbastanza corrente sono i tubi quadri e rettangolari che permettono un elevato rendimento,
determinante per il minor costo. Per i nodi una volta venivano usati i fazzoletti, attualmente è preferibilel’attacco diretto mediante saldatura.