Giunti saldati di strutture in acciaio

Archivio contenuto esperto: L’articolo conserva esempi storici e affermazioni di travi, ponti e capriate in acciaio saldati, ma non costituisce un progetto, un calcolo, una specifica del giunto, un piano di saldatura, una qualificazione della procedura, una valutazione della fatica o un manuale di riparazione. Materiale, saldabilità, tenacità, spessore, preparazione del giunto, materiale d’apporto, preriscaldamento, sequenza, tensioni residue, tolleranze, corrosione, fuoco, fatica e controllo devono essere determinati in base al progetto specifico e alle norme applicabili. I giunti dei cuscinetti sono progettati, eseguiti e controllati da persone adeguatamente qualificate.

Savo Kusić oggi si concentra su finestre in legno, finestre in legno-alluminio, finestre su misura, porte e richieste di preventivo. Questo articolo rimane come archivio storico e non rappresenta un’offerta per progettare, saldare, testare o rinforzare strutture in acciaio.

Staffe completamente saldate

Sezioni di supporti

La panoramica è data dalla fig. 1 e 2. Sl. 1a presenta un supporto rinforzato con doghe a nastro saldato. Le sezioni con capacità di carico arbitraria possono essere assemblate da acciaio largo e lamiere (fig. 1b a e). Una giuntura aperta tra le giunture degli angoli dovrebbe essere evitata affilando la lamiera verticale (fig. 1c). La sezione trasversale del supporto può essere adattata al momento resistente richiesto con listelli di cintura aggiuntivi. Sezioni in fig. 2d a f hanno il vantaggio che la cucitura sull’interfaccia avviene nella zona di minor spessore della nervatura. Qui le cuciture possono essere esaminate particolarmente facilmente con i raggi X.

Immagine 1 — sezioni di supporti saldati.

Immagine 2 — sezioni di supporti realizzati con profili speciali.

Controllo della saldatura: i test radiografici utilizzano radiazioni ionizzanti e vengono eseguiti solo in condizioni controllate da esperti autorizzati. La scelta del metodo di controllo, l’ambito di accettazione e i criteri di qualità sono determinati dal progetto e dalla norma; l’ispezione della foto o della superficie esterna non costituisce prova della qualità interna della saldatura.

Continuazione del foglio verticale

Lo sviluppo si è svolto in modo del tutto appropriato. Sono state eseguite extension con reggicalze. L’estensione cruciforme non acquistò molta importanza nella costruzione dei ponti, ma si dimostrò comunque valida nella costruzione di edifici. Poiché le estensioni verticali all’interfaccia erano antieconomiche a causa delle piccole sollecitazioni ammissibili, sono state trovate estensioni con una maggiore lunghezza della giuntura.

Punte universali

Fig. 3 mostra la continuazione della trave principale di un ponte autostradale con nervatura rinforzata. Sl. 4 fornisce la continuazione di un ponte autostradale. Nella migliore delle ipotesi, questa estensione non differisce nell’aspetto e nella modalità d’azione dal supporto non esteso, solo la resistenza alla fatica è leggermente inferiore. La soluzione di ampliamento dipende se si tratta di ampliamento di officina o di ampliamento di montaggio. Poiché in officina sono disponibili strumenti migliori, la saldatura in loco è, se possibile, limitata. Sl. 5 mostra la divisione di un raggio di lunghezza 63m. I supporti sono stati consegnati al cantiere in sezioni di lunghezza 38m e 25m, dove sono state saldate solo le estensioni contrassegnate con “B”. Le prolunghe di montaggio sono realizzate come prolunghe a U, per evitare saldature sopraelevate.

Immagine 3 — continuazione della trave del ponte sull’autostrada vicino a Hattenheim.

Immagine 4 — dettaglio storico della continuazione della trave del ponte.

Immagine 5 — programma delle estensioni del workshop e dell’assemblaggio.

Le travi piene continue vengono saldate durante l’avanzamento del montaggio attraverso aperture senza ponteggi, come ad es. vicino ad un ponte stradale con aperture di 42m. Le parti del supporto sono state installate con una gru galleggiante e dopo l’installazione di tutti gli elementi sono state saldate. Allo stesso tempo, i supporti principali sono stati fissati con viti utilizzando reggicalze con aperture (fig. 6). Attraverso i fori nelle giarrettiere, la maggior parte della cucitura del telo verticale poteva essere saldata, prima che le giarrettiere dovessero essere rimosse. Sl. 6 contiene ulteriori informazioni sulla preparazione delle cuciture a U per profili speciali nel nastro superiore e inferiore.

Immagine 6 — reggicalze temporanei con fori di accesso saldati.

Assemblaggio e lavori in cantiere: esempi storici con gru galleggiante, ancoraggi temporanei, lavori sui boccaporti e saldature in cantiere non costituiscono il piano di assemblaggio. Sono richiesti il calcolo delle condizioni temporanee, il piano di sollevamento e fissaggio, il controllo della geometria, la protezione dalla caduta, dal fuoco e dal fumo e il controllo tracciabile di ciascun giunto prima della rimozione dei supporti temporanei.

Rinforzi

È necessario irrigidire bene i solidi supporti saldati contro la sporgenza della lamiera verticale e l’instabilità laterale delle cinghie, inoltre la flessione durante la saldatura deve essere mantenuta a un livello basso. Le sollecitazioni da ritiro sugli irrigidimenti verticali sono state studiate da O. Grafico-a. Durante la sequenza di lavoro esaminata (prima sono stati saldati gli irrigidimenti, poi le giunture principali), si sono verificate notevoli sollecitazioni da ritiro negli irrigidimenti e nelle vicine strisce di lamiera verticale. Se i rinforzi sono già sulle cinture prima che le cuciture principali vengano rimosse, si evita il restringimento delle lamelle delle cinture. Nelle lamelle della cintura apparivano pieghe ondulate nella direzione longitudinale2mm, in direzione trasversale ca0,25mm(Fico.7). Pertanto, devono esserci state notevoli sollecitazioni di flessione in entrambe le direzioni nelle lamelle del nastro. La capacità portante era limitata dal verificarsi di grandi deformazioni, non dalla resistenza alla rottura della cinghia inferiore. Secondo i risultati della prova di fatica, è necessario che i ponti installino piastre ben adattate tra gli irrigidimenti e la cintura, che sono fissate agli irrigidimenti mediante una saldatura di testa. Gli irrigidimenti e i collegamenti vengono tagliati in modo tale che la cucitura principale rimanga libera (fig.8). In edilizia, nella maggior parte dei casi, non vi è dubbio che gli irrigidimenti siano saldati direttamente alle travi. È meglio evitare di tagliare le cuciture e di ammassarle troppo.

Immagine7— deformazione delle cinghie durante la saldatura.

Immagine8— irrigidimento con piastrelle ben aderenti.

Ritiro, deformazioni e fatica: i risultati dei test storici non possono essere trasferiti ad un altro dettaglio senza calcolo. Gli irrigidimenti, le terminazioni delle saldature, gli incroci delle giunzioni, le tolleranze e la sequenza di lavoro influiscono sulle sollecitazioni residue, sull’instabilità e sulla resistenza alla fatica; crepe e deformazioni inaccettabili non vengono risolte mediante saldature aggiuntive senza una procedura di riparazione approvata.

Parentesi complete e cornici

Supporti per arco plantare e archi sottili

I supporti ad arco offrono qualcosa di speciale rispetto ai veri supporti completi. Tuttavia, i collegamenti degli archi a sbalzo a doppia parete con le travi di irrigidimento a parete singola, come eseguiti sui due più grandi ponti autostradali saldati, sono tra le costruzioni più interessanti che sono state saldate. Sul ponte autostradale sul Lech vicino a Duisburg, nel nodo terminale è stato utilizzato un massiccio pezzo di acciaio forgiato per facilitare i lavori di saldatura. Questo (fig. 9) prende le forze dall’arco e le trasferisce alla trave di irrigidimento. Viene fornito con una robusta bocca di scarico 50 mm, che passa attraverso un’unica asola alla cinghia superiore della trave di irrigidimento ed è saldata alla piastra verticale, rinforzata allo spessore di 50 mm.

Immagine 9 — nodo terminale del ponte ad arco.

Costruzioni a telaio

Agli angoli della cornice si notano meglio i vantaggi della tecnica della saldatura, che permette di realizzare forme complicate senza particolari difficoltà. Un angolo del telaio con carico pesante è mostrato in fig. 10. La costruzione ha estensioni dell’officina saldate. Le prolunghe di montaggio vengono fissate con viti autofilettanti. Quando si saldano gli irrigidimenti tra le gambe dei supporti uniti, si verificano elevate sollecitazioni da ritiro, che talvolta portano alla formazione di crepe. Le sollecitazioni da ritiro vengono notevolmente ridotte quando, invece delle nervature complete (fig. 11a), vengono saldate solo le lamiere alari (fig. 11b).

Immagine 10 — angolo del supporto del telaio.

Figura 11 - confronto dettagliato dell’irrigidimento della connessione saldata.

Immagine 12 — Nodo di ponte belga con travi a telaio.

Connessioni dei supporti longitudinali rigidi a flessione

Nella griglia della pavimentazione dei ponti, una grande semplificazione può essere ottenuta applicando connessioni saldate. La resistenza alla fatica delle connessioni dei supporti longitudinali, ecc. sotto carico di flessione, è illuminata dalle prove O. Graf-a (fig. 13). Pertanto, la connessione con una cucitura di testa sul lato teso ha una resistenza alla fatica maggiore alla sollecitazione di flessione uniforme σUb rispetto alla connessione in cui la gamba tesa è collegata tramite cuciture angolari.

Immagine 13 — varianti storiche delle connessioni di supporto longitudinale.

Supporti griglia

Costruzioni con tralicci saldati

Le forme e i collegamenti dei grigliati più antichi erano copie di costruzioni rivettate (fig. 14). Ciò non è opportuno, nella scelta delle sezioni trasversali occorre tenere conto delle particolarità dei collegamenti saldati. Importante è anche la maggiore rigidezza di tutte le connessioni rispetto ai nodi rivettati. I collegamenti delle aste diagonali nei nodi della griglia con forze maggiori, soprattutto in cantiere, sono difficili da eseguire. Poiché qui sono in discussione i collegamenti con le giunzioni angolari, la resistenza alla fatica è relativamente bassa. Completamente saldato, ad es. e nei nodi della griglia saldata, quindi solo in alcune zone particolari delle costruzioni in acciaio. Ad esempio, con tiranti del tetto, con gru con carico non altamente dinamico, ecc.

Immagine 14 — nodo saldato di un supporto reticolare.

In primo luogo, per la formazione della sezione trasversale vengono presi in considerazione gli acciai piatti e la lamiera. Nel caso delle costruzioni saldate, senza particolari difficoltà vengono realizzati profilati cavi, che presentano il vantaggio delle barre stampate per la loro rigidità torsionale. Un discorso a parte merita il caso particolare del tubo tondo. Le costruzioni tubolari saldate hanno trovato ampia applicazione, ad es. nella costruzione di gru o costruzioni leggere nel settore edile. Nel caso di continuazione e collegamento di profilati cavi occorre infatti tenere conto di alcune difficoltà costruttive e di costi aggiuntivi. Le sezioni saldate vengono spesso raccolte alle estremità in modo che la connessione possa essere rivettata più facilmente (fig. 15). I particolari accorgimenti richiesti in officina e in cantiere per le strutture tralicciate saldate ne rendono difficoltosa l’applicazione, a meno che non si tratti di supporti con carico leggero o prevalentemente statico. Per le griglie caricate dinamicamente e per quelle con forze elevate, la regola era che solo i singoli elementi fossero saldati, ma il loro collegamento reciproco avvenisse mediante viti. Innanzitutto sono state rimosse le difficoltà di installazione; e le griglie costituite da elementi saldati possono essere montate secondo le stesse procedure di quelle costituite da barre rivettate.

Figura 15 — sagomatura dell’estremità della sezione cava per la connessione.

Le lamiere nodali, che ricevono contemporaneamente le diagonali, vengono rivettate nel modo consueto alle nervature delle cinghie o saldate di testa con esse (fig. 16a). Quest’ultimo presenta lo svantaggio delle “cuciture angolari iniziali”, che sono dannose per la resistenza a fatica della trave. Un passo decisivo verso la corretta realizzazione dei ponti reticolari mediante saldatura è stato fatto presso il ponte ferroviario sul Reno vicino a Magonza (ponte Kaiser). Lì, su 50 mm, i fogli nodali rinforzati con cuciture di testa vengono inseriti in fogli verticali di nastri spessi 30 mm. Le transizioni sono graduali, la sagomatura può essere vista dalla fig. 16b. Le estensioni delle aste della cintura si trovano accanto ai nodi.

Figura 16 — fogli nodali del giunto eolico e del ponte ferroviario sul Reno vicino a Magonza (ponte Kaiser, 1954).

Rinforzo tramite saldatura

Il rinforzo delle strutture in acciaio è uno dei lavori più difficili, soprattutto quando deve essere eseguito su una struttura caricata. Con le connessioni rivettate, l’inserimento di rinforzi, la foratura e il collegamento a parti esistenti sono operazioni lunghe e costose. Poiché la saldatura è possibile senza preparazioni preliminari a lungo termine e senza rompere i mezzi di collegamento esistenti, era vicino a provare a saldare l’armatura delle sezioni trasversali e i collegamenti delle griglie. L’azione congiunta di rivetti e saldature nel ricevere le forze nelle barre è stata esaminata in dettaglio teoricamente ed sperimentalmente. Tuttavia, nella realizzazione pratica, si sono verificate crepe e rotture per fatica, in parte solo dopo un uso prolungato. Le cause di queste difficoltà erano gli effetti degli intagli di saldatura e dei cambi repentini di sezione, ed alcune delle fessurazioni che si presentavano erano causate da elevate tensioni da ritiro.

Rafforzamento della struttura esistente: la saldatura di acciaio sollecitato o invecchiato può introdurre crepe, fratture fragili, perdita locale di stabilità e nuovo percorso di forza. Prima del lavoro è necessario determinare il materiale, i danni e la fatica esistenti, il carico effettivo, la saldabilità, la sequenza di riduzione del carico e l’assicurazione temporanea. Il rinforzo viene eseguito solo secondo il progetto e la procedura approvati, con supervisione e controllo.

Combinazione di saldatura, rivettatura e avvitamento

Era vietato applicare saldature e rivettature contemporaneamente. Particolare attenzione è stata prestata alle “costruzioni completamente saldate” in cui sono stati completamente evitati rivetti e viti. Oggi la saldatura e la rivettatura vengono nuovamente applicate in parallelo sullo stesso oggetto. In molti casi è opportuno saldare solo gli ampliamenti dell’officina e, al contrario, rivettare quelli prefabbricati. L’applicazione di entrambi i tipi di connessione nella stessa continuazione dovrebbe essere evitata, poiché non è possibile ottenere una chiara distribuzione delle forze a causa del ritiro dovuto alla saldatura e allo scorrimento di rivetti/bulloni.

Nota finale: l’azione congiunta di saldature, rivetti e viti non deve essere assunta senza un modello di calcolo, una sequenza di esecuzione definita, tolleranze e controllo dello scorrimento. Per ogni dettaglio portante è necessario conoscere il percorso della forza, la categoria di fatica, l’accessibilità alla saldatura e all’ispezione, i difetti accettabili e un piano di manutenzione per tutta la vita della struttura.