Si chiamano giunti di prolungamento i collegamenti che servono per l’allungamento o l’aumento. I giunti sono necessari, ad esempio, perché le lunghezze o larghezze utili dei laminati disponibili non sono sufficienti; nel montaggio sono necessari per limitare le dimensioni e il peso dei singoli elementi trasportati. Le controfasce sono le lamiere che coprono l’interruzione nel giunto. Tutti gli altri collegamenti, soprattutto quelli tra aste di reticoli in direzioni diverse e tra travi in piani diversi, sono indicati come attacchi.
Per i giunti consueti si dimensionano le controfasce e i rivetti del giunto in base alla forza piena. Pertanto, nel giunto normale non si richiede che le superfici dei giunti siano a contatto.
L’ambito principale di applicazione delle aste tese e compresse (si tratta di aste vere e proprie, sollecitate prevalentemente da forze normali) è costituito dalle reticolari. Le considerazioni di questo paragrafo trascurano il rischio di instabilità delle aste compresse. Anzitutto si prenderà in esame la resistenza statica.
Detrazione dei fori nelle aste tese
Portanza: Lo stato tensionale in un’asta tesa è sensibilmente modificato localmente a causa di fori/aperture. Nel campo di proporzionalità la distribuzione delle tensioni corrisponde alla sezione indebolita (fig. 1). La massima tensione longitudinale in un’asta rettangolare è, secondo A. Henning:
maxσ = σm*[3-(d/b) + 0,8(d/b)2]
Fig. 1 - Tensioni longitudinali e trasversali in una barra forata a) secondo A. Henning; b) secondo M. Rudeloff
Nel caso limite d/b = 0 di lamelle molto larghe ne risulta maxσ = 3σm e per il caso mostrato in fig. 1a d/b = 1/3 è maxσ = 2,42 σm. Oltre alla tensione longitudinale esistono anche tensioni trasversali e di taglio. La sollecitazione massima si ha sulla superficie del foro. Lì compaiono le prime deformazioni permanenti, cioè i picchi di tensione si attenuano e si produce un livellamento delle tensioni sulla sezione. Deformazioni permanenti apprezzabili nella zona dei fori compaiono solo quando la tensione media σm nella sezione indebolita supera il limite di snervamento σFO. La dilatazione complessiva dell’asta al valore SF = Fm * σF è solo leggermente maggiore che nel caso di un’asta senza fori. (Fm è l’area della sezione più debole)
Nelle prove di trazione con barre rivettate la rottura si verifica sempre nelle sezioni indebolite. Il carico di rottura è, nelle condizioni usuali, sufficientemente preciso SB = Fn * σB. Le prove di strappo su barre tese con fori aperti hanno mostrato figure di rottura come in fig. 2.
Fig. 2 - Immagini della rottura di barre tese
Negli esperimenti con giunzioni chiodate è stato dimostrato che gli innesti con piattabande e una sola fila di chiodi hanno una resistenza minore rispetto agli innesti con più file di chiodi disposte una dietro l’altra. In base a ciò, la tensione media di rottura σB nella sezione utile risultava:
Procedimento di dimensionamento per aste tese: Secondo il consueto metodo di calcolo, per la tensione media di trazione deve valere σm = S/Fm ≤ dozσ, e ciò in tutte le sezioni rilevanti Fm. La sottrazione dei fori si determina per la sezione retta con il maggior numero di fori, e può accadere che una sezione spezzata con più fori dia un valore minore di Fm (fig. 2). In questo senso, per i profili laminati Fm si calcola con lo sviluppo. Per le sezioni composte si procede nello stesso senso.
Il rapporto Fm/F, di regola, si colloca tra 0,8 e 0,9, cioè la detrazione dei fori ΔF = F – Fm ammonta a 10% fino a 20% dell’intera sezione F della barra. Nel caso di grandi strutture ΔF influisce fortemente sul peso, per cui conviene trovare sezioni con una minore detrazione dei fori.
Deformazioni: L’allungamento elastico delle aste tese con fori è appena maggiore rispetto a quello di aste comparabili non forate. L’allungamento complessivo delle giunzioni è quasi pari a quello delle lamiere giuntate. Ne consegue che, per il calcolo delle deformazioni delle strutture in acciaio, è sufficiente determinare gli allungamenti elastici con i valori E e F delle aste non indebolite. La sicurezza contro lo snervamento è maggiore nelle aste indebolite che, ad esempio, nelle aste compresse.
Distribuzione delle forze nei rivetti
Fig. 3
La distribuzione della forza S nell’asta sui singoli rivetti del giunto dipende dalle sue proprietà elastiche, ed è “staticamente indeterminata”. Nel caso della fig. 3 la distribuzione di N1, N2, … dipende dalla deformazione dei rivetti e delle lamiere unite; essa cambia con il rapporto Fbretella/Fasta. Per Fbretella ≠ Fasta le forze finali nei rivetti non sono più tutte ugualmente grandi (fig. 50a). Con la diminuzione del rapporto Fbretella/Fasta, Nn diventa minore, N1 si avvicina a S. L’unione di lamelle di spessore molto diverso (fig. 4b) non è opportuna a causa del sovraccarico del primo rivetto.
Fig. 4 - Carico dei rivetti per Fštap > Fpodvezice
Le lamiere e le controventature sono rigide, solo i ribattini sono elastici (fig. 5a). Allora tutti i ribattini subiscono la stessa flessione e tutte le forze nei ribattini devono essere uguali.
Rivetti rigidi, solo lamine e controventi elastici (fig. 5b). Poiché gli allungamenti nella barra e nei controventi tra il primo e l’ultimo rivetto devono essere uguali, ne segue N2 = N3 = … = Nn-1 = 0, salvo N1 = S * x1.
Fig. 5
La reale distribuzione delle forze si colloca tra questi casi limite. Se il carico aumenta, si manifesta dapprima una deformazione permanente nei rivetti estremi; i rivetti più sollecitati si scaricano e la distribuzione delle forze diventa sempre più uniforme. Dopo la comparsa di deformazioni maggiori, la distribuzione delle forze si avvicina al caso in cui le lamelle e le bretelle siano rigide, ossia le forze nei rivetti sono pressoché uguali, nel caso in cui sia determinante il taglio dei rivetti.
Carico al collasso: Il modo di ribaditura dei rivetti ha quasi nessuna influenza su τBV. La resistenza al taglio τBV del giunto è praticamente indipendente dal numero dei rivetti, dalla loro disposizione, dalla forma del giunto ribadito; il carico di rottura corrisponde, in buona approssimazione, a un carico uniforme su tutti i rivetti. Le stesse affermazioni valgono del resto anche per i normali giunti bullonati, da cui si può concludere che la resistenza allo scorrimento non ha un’influenza sostanziale sulla capacità portante.
Dimensionamento: Nelle strutture in acciaio e nelle aste caricate centrically si calcola con distribuzione uniforme, cioè per ogni ribattino N = S/n. Poiché nei giunti lunghi i primi ribattini risultano già presto sovraccaricati, si evitano per quanto possibile più di 6 ribattini uno dietro l’altro.
Resistenza allo scorrimento: lo scorrimento nei giunti si verifica già con un carico relativamente piccolo. La resistenza allo scorrimento dipende in primo luogo dalla forza di serraggio, che varia in funzione di molti fattori. Essa viene trascurata nel dimensionamento delle connessioni con rivetti e delle viti finora usuali. Si richiama l’attenzione sulle connessioni con viti ad alta resistenza.
Distribuzione delle forze nei rivetti lungo la larghezza: Con distanze uguali dei rivetti perpendicolarmente alla direzione della forza (fig. 6a), a ciascun rivetto competono strisce di sezione di uguale larghezza a, pertanto in prima approssimazione le forze nei rivetti N = a t σ sono uguali. La distribuzione con spaziatura irregolare dei rivetti è staticamente indeterminata; nel caso della fig. 6b essa avviene secondo la legge della leva.
Fig. 6
Asta tesa
Prolungamento: Prolungamento con legature simmetriche (fig. 3 e 4). La forza S nell’asta nel punto di giunzione deve essere sopportata solo dalla legatura. Anche i rivetti nel prolungamento devono essere dimensionati in base a S, poiché devono trasmettere l’intera forza dall’asta prolungata alle legature.
Le giunzioni con copertura unilaterale sono associate a notevoli tensioni aggiuntive di flessione nelle lamiere collegate, nei fazzoletti e nei rivetti. La copertura unilaterale delle giunzioni, a causa delle grandi deformazioni, si applica solo quando (fig. 7) la barra è rigida a flessione oppure quando è trattenuta lateralmente in modo da non potersi piegare.
Fig. 7
Giunzione indiretta – Quando le staffe non possono appoggiarsi direttamente sulle lamiere sovrapposte, i rivetti e le lamiere sono sottoposti a sollecitazioni di flessione notevolmente maggiori. Pertanto, in base al numero m di strati intermedi si sceglie un numero maggiore n’ di rivetti rispetto al numero n nel caso di copertura diretta delle giunzioni.
Fig. 8
Nelle sezioni composte le controventature si dispongono in modo da evitare aumenti locali delle tensioni; pertanto le singole aree delle controventature si determinano in base all’area della parte di sezione che esse coprono, possibilmente mantenendo la posizione del baricentro. Le distribuzioni delle aree delle controventature che se ne discostano sono legate alle variazioni della distribuzione delle tensioni. Nella fig. 9 è mostrato il proseguimento di un’asta a parete singola, nella fig. 10 di un’asta in due parti con 4 lamiere verticali e un’anima tra gli angolari.
Fig. 9
Fig. 10
Giunzione: Per le giunzioni di barre tese valgono in linea di principio le stesse relazioni che per il prolungamento. Le prove hanno dimostrato il grande vantaggio dell’introduzione simmetrica della forza. Nel caso di giunzione unilaterale si ottiene una forte flessione nel senso longitudinale e trasversale (fig. 11). Nonostante le notevoli tensioni di flessione aggiuntive, le barre a L e a C giuntate su un solo lato possono essere quasi completamente sfruttate. La capacità portante di una giunzione può ridursi alla metà se non vengono adottate misure per equilibrare i momenti flettenti aggiuntivi.
Fig. 11
Per la copertura delle giunzioni non si devono utilizzare lamiere di nodo; a tale scopo bisogna prevedere appositi fazzoletti. Il collegamento alla lamiera di nodo è facilitato quando la maggior parte della sezione della barra cade nel piano della lamiera di nodo.
Fig. 12 - Collegamenti con e senza squadretta di collegamento
Asta compressa
Per la giunzione e il raccordo di aste compresse valgono gli stessi principi delle aste tese, e anche in esse la forza totale viene trasmessa da rivetti e staffe, cioè in base alla piena sezione F dell’asta si dimensionano Fstaffe e Fs, ovvero Fl. Di regola le superfici di giunzione non sono accoppiate. Nelle strutture in acciaio dell’edilizia, nei pilastri che si sviluppano su più piani, caricati solo a compressione, si utilizza la possibilità di passaggio con una copertura più ridotta delle giunzioni. La capacità portante delle aste compresse è esaurita, se prima non intervengono fenomeni di instabilità, al più tardi con il raggiungimento del limite di snervamento, poiché allora si verificano grandi deformazioni e l’asta si imbarca lateralmente. I fori riempiti con rivetti non hanno in questo caso un influsso apprezzabile sul comportamento dell’asta.
Resistenza a fatica delle giunzioni ribattute
Per la resistenza a fatica delle connessioni chiodate sono in primo luogo determinanti i picchi di tensione che si verificano nei fori. La resistenza a fatica è sensibilmente ridotta già dai fori stessi. Le barre con fori aperti si rompono nelle prove a fatica a trazione nelle sezioni indebolite, e la rottura per fatica inizia con cricche al bordo del foro, che si estendono continuamente sempre più attraverso la sezione. Perciò i fori lisci sono di particolare importanza. Nella fig. 13 è riportata la resistenza a fatica di barre piatte per diverse classi (a destra vi è la classe superiore dell’acciaio). Con carichi preliminari maggiori σu, entrambi i materiali sopportano resistenze a fatica σDz al di sopra del limite di snervamento. L’ampiezza della tensione è per entrambe le classi approssimativamente uguale.
Fig. 13 - Resistenza a fatica σDz
Per i carichi alternati a trazione e compressione delle giunzioni chiodate valgono in linea di principio relazioni simili a quelle dei carichi unidirezionali. Va osservato che l’ampiezza delle tensioni sotto carico alternato è maggiore di circa 1,5 volte (fig. 14), ma che i rivetti sotto questo carico sono evidentemente più sollecitati che sotto carico unidirezionale.
Fig. 14 - Resistenza a fatica a trazione dei collegamenti ribattuti