Nota professionale importante: Questo è un testo didattico d’archivio, non una specifica di progettazione attuale, un calcolo statico, una prova della capacità di carico o istruzioni di produzione e assemblaggio. La progettazione delle strutture in acciaio deve includere azioni effettive, connessioni, stabilità, fatica, fuoco, corrosione e tutte le altre condizioni rilevanti secondo le normative e gli standard vigenti, con la responsabilità del progettista autorizzato.

La progettazione e la costruzione delle strutture in acciaio non fanno parte dell’attuale offerta pubblica di Savo Kusić. Il focus della produzione odierna è costituito da finestre in legno, finestre in legno-alluminio e porte su misura.

Le strutture in acciaio hanno una caratteristica comune in quanto sono per lo più realizzate in acciaio laminato a caldo. L’unione avviene mediante rivetti, viti o saldatura. Ciò include strutture in acciaio per ponti, edifici, industria e miniere, ingegneria idraulica, pilastri, torri, serbatoi, in senso lato e per gru, costruzioni navali, caldaie, ecc. Il focus delle seguenti presentazioni è il trattamento dei concetti di base.

Materiali

Il principale materiale da costruzione delle costruzioni in acciaio sono i profili laminati in acciaio di qualità da costruzione S235, S275, S355, S420, S450. A seconda della norma esistono diversi tipi di acciaio da costruzione, dove il numero nella classificazione indica solitamente la resistenza alla trazione dell’acciaio. Esistono diversi simboli di lettere, dove in questo caso la S sta per acciaio strutturale. Le forme più comuni utilizzate sono S, B (acciai per calcestruzzo, rinforzo) e Y (acciaio per precompressione).

Supporti laminati in acciaio

Esiste una vasta gamma di supporti profilati in acciaio e ognuno ha il proprio scopo, vantaggi e svantaggi.

  • Profili a U
  • Profili a I con gambe strette (IPE, IPN)
  • Profili a I con gambe larghe (HEA, HEB, HEM, HD)
  • Profili/scatole cave (tondi, quadrati, rettangolari)
  • Fogli
  • Prodotti formati a freddo (ottenuti mediante laminazione a freddo di un nastro piatto e torsione di un nastro piatto)

Ciascuno di questi profili differisce per forma, dimensioni, scopo, ecc. Ad esempio, esistono oltre 20 diversi profili IPN, che differiscono per dimensioni; i profili più grandi possono resistere meglio alle deformazioni (flessionali e laterali-torsionali), alle deflessioni, ecc.

Esistono quattro classi di acciai a seconda se raggiungono il limite di snervamento quando lo sforzo viene aumentato, se l’analisi è plastica o elastica, qual è la capacità di carico della sezione trasversale, ecc. dove la prima classe è la migliore e la quarta è la peggiore. Maggiori informazioni sulla struttura e sulla resistenza dell’acciaio possono essere lette qui.

Equalizzazione della tensione e capacità di carico a carico costante

Capacità portante. Le dimensioni delle strutture in acciaio sono determinate in modo da escludere deformazioni permanenti significative. La capacità portante, d’altro canto, in molti casi non si esaurisce in alcun modo quando la massima sollecitazione comparativa raggiunge il punto di snervamento - allora le deformazioni crescono molto più velocemente delle sollecitazioni. Per l’acciaio strutturale, la stessa dipendenza dello snervamento può essere assunta come limite della legge di Hooke per stati tensionali generali. Nel caso di stati tensionali omogenei, uguali in ogni punto, non si verificano cambiamenti quando viene superato il limite di proporzionalità, tranne che le deformazioni totali crescono più velocemente della tensione.

Equalizzazione delle tensioni durante la flessione. Nel caso di flessione di una trave, si applica la distribuzione rettilinea delle tensioni secondo l’ipotesi di Navier, finché la tensione del bordo σ=M/W non supera il limite di proporzionalità. Espansioni longitudinali ε = ε(σ). Questo è vero almeno per le piccole curve. Le sollecitazioni superiori allo stress proporzionale possono crescere solo più lentamente delle espansioni ε. Nella fig. 1 mostra la distribuzione delle sollecitazioni di flessione per il diagramma operativo indicato e per vari valori di dilatazione dei bordi. L’area di proporzionalità (contrassegnata con un cerchio su tutte le linee di tensione) diventa quindi sempre più piccola con l’aumentare della dilatazione dei bordi. La tensione sul fronte viene prima limitata da σF. Solo dopo deformazioni molto significative la tensione massima sale al di sopra di σF, così che l’influenza del rinforzo strutturale in acciaio diventa visibile (caso 5).

Distribuzione delle sollecitazioni di flessione a diverse espansioni dei bordi

Fig. 1 - Equalizzazione della tensione di bending

Equalizzazione dei picchi di sollecitazione. La distribuzione delle sollecitazioni longitudinali attraverso la sezione attraverso il centro del foro in un’asta forata in tensione corrisponde approssimativamente alla linea 2 in fig. 2. Il picco di tensione σmax dipende dal rapporto d/b. Si aggira principalmente intorno a σmax = 2-3 σm, dove σm = S/FM denota il valore medio della tensione di trazione nella sezione indebolita dal foro in FM. Sl. 2 è valido finché lo stato della tensione non supera il limite P. A carichi più elevati, per ottenere una certa dilatazione, sono necessarie tensioni inferiori a quelle della legge rettilinea solo in prossimità del foro. Nei punti più sollecitati le tensioni non aumenteranno più proporzionalmente a S, ma piuttosto più lentamente. Al confine, si otterrà una distribuzione approssimativamente uniforme delle tensioni longitudinali σm = σf su tutta la sezione 2-2. Sono state trascurate le sollecitazioni di taglio e trasversali. Il verificarsi di equalizzazione delle sollecitazioni durante il lento aumento della forza S nell’asta dimostra che è giustificato il metodo consueto per le strutture in acciaio sotto l’effetto di un carico statico, ignorando i picchi di sollecitazione durante il dimensionamento e confrontando solo la sollecitazione media σm=S/Fm nella sezione indebolita Fm con il valore ammissibile.

Distribuzione delle sollecitazioni attorno a un foro in un’asta d’acciaio tesa

Fig. 2

Procedura di dimensionamento in base alla capacità di carico

All’aumentare del carico si verifica un’equalizzazione della tensione nella sezione. In tal modo, le tensioni vengono raggruppate dalle parti più sollecitate della sezione a quelle meno sollecitate. Finché le deformazioni non sono così grandi da dover essere prese in considerazione quando si impostano le condizioni di equilibrio, questo processo non può cambiare nulla sull’entità dell’influenza di S, M, ecc. per strutture determinate staticamente.

Appoggi continui e vincolanti: sotto l’ipotesi della legge di Hooke, la linea del momento mostrata sotto a è ottenuta per un appoggio continuo di sezione costante (fig. 3). Le sollecitazioni flettenti sono proporzionali ai momenti flettenti M. Se entrambi i carichi aumentano allo stesso modo, il limite P verrà superato prima nel supporto centrale B. Il limite portante viene raggiunto quando viene raggiunto il momento limite MDF anche sul campo. Nel caso di una trave bloccata su entrambi i lati di una sezione simmetrica costante con una forza concentrata (fig. 4), l’equalizzazione dei momenti esiste fin dall’inizio. Quando il limite P viene superato, non vi è alcun cambiamento nella distribuzione del momento. Al contrario, nel caso di un carico equamente distribuito (fig. 5) l’equalizzazione dei momenti porta ad una riduzione del momento di pizzicamento da -2/3 Mo a -1/2 Mo.

Schema di trave a doppio bloccaggio con forza concentrata

Fig. 4

Linee del momento prima e dopo la ridistribuzione del momento

Fig. 3 e simili. 5, rispettivamente: momenti flettenti: a) prima, b) stato limite dopo il raggruppamento delle forze; a) prima, b) dopo la compensazione del momento

Costruzioni reticolari: nelle capriate internamente staticamente indeterminate esistono dipendenze simili a quelle delle costruzioni a telaio. Le tensioni secondarie, che sono legate ai nodi rigidi a flessione, possono essere trascurate in prima approssimazione quando si valuta la capacità di carico. Le sezioni plastificate agiscono in modo simile ai giunti, in modo che l’azione statica della trave sotto il carico ultimo che può ancora sopportare è più vicina a quella di una travatura reticolare ideale con giunti nei nodi. Nel caso di costruzioni con carichi frequentemente ripetuti, in cui si dovrebbero tenere in considerazione i fenomeni di resistenza a fatica, ci sono quindi notevoli dubbi nel tenere conto dell’equalizzazione delle forze in fase di dimensionamento. Al contrario, è di importanza pratica trarre conclusioni sull’influenza dello spostamento dei supporti. Poiché la resistenza operativa dei singoli elementi strutturali dipende solo dai limiti di sollecitazione e non dall’entità delle deformazioni totali, gli spostamenti dei supporti non hanno alcun effetto sulla capacità portante.

Carico alternato: l’ipotesi di un caso di carico costante è raramente realizzata. Con le travi dei ponti, ci sono stati di carico variabili. Le ipotesi semplificative sulle forze e sulla distribuzione delle sollecitazioni nei singoli elementi strutturali sono comuni nel lavoro pratico con le strutture in acciaio, secondo quella precedente sono giustificate in circostanze ordinarie. Ciò è particolarmente vero se si trascurano i picchi di tensione locali. Non è consigliabile applicare il metodo di dimensionamento in base alla capacità di carico in caso di carico di fatica (dinamico). Pertanto il dimensionamento in base alla capacità di carico è limitato al caso di carichi prevalentemente statici, in particolare alle costruzioni nel settore edile. Negli altri casi, in cui occorre prestare attenzione alla comparsa di fatica, si dovranno escludere deformazioni significative e prendere come base la teoria dell’elasticità. In questo caso si dovrebbe cercare di mantenere una distanza sufficientemente ampia dal punto di snervamento. La tenacità dell’acciaio da costruzione fornisce quindi una sicurezza aggiuntiva.

Stress alternato

Stilatura e invecchiamento a freddo: In fig. 6 è stata applicata la linea sforzo-dilatazione di un’asta tonda, che è stata esposta a sollecitazioni alternate di trazione e compressione. I singoli processi di caricamento sono contrassegnati da numeri in base al loro ordine. Le dilatazioni elastiche che ritornano allo scarico si verificano anche dopo ampi allungamenti proporzionali alle sollecitazioni. Cambiando il segno della tensione il limite P scompare quasi completamente. Pertanto le proprietà elastiche dell’acciaio da costruzione trafilato a freddo non concordano con i valori originali. A seconda dell’elaborazione precedente si possono evidenziare differenze piuttosto significative.

Linea di tensione-dilatazione sotto carico alternato della barra di acciaio

Fig. 6

Insieme a ciò arrivano altri segni di invecchiamento. Questo termine comprende tutti i cambiamenti nelle proprietà che si verificano nel tempo senza influenze esterne. L’invecchiamento per stiramento può essere osservato dopo la deformazione permanente mediante stiramento a freddo. Se i provini allungati in modo permanente vengono lasciati per un certo periodo senza carico a temperatura ambiente, la resistenza alla trazione e, in misura minore, la resistenza alla lacerazione aumentano al di sopra del valore originale, mentre l’allungamento a rottura diminuisce (Fig. 7). Il processo di invecchiamento dura giorni, ma si riduce a poche ore o pochi minuti, se l’acciaio strutturale viene riscaldato a circa 300 oC. Va inoltre ricordato che l’invecchiamento da stiramento avviene contemporaneamente allo stiramento, se questo avviene a temp. 200 – 400 oC, cioè nell’area del bagliore blu.

Confronto tra la dilatazione dell’asta ricaricata e quella allungata a freddo

Fig. 7 - a) linea di espansione di un’asta a doppio carico; b) linea di dilatazione di un’asta stirata a freddo

Azione successiva e isteresi: In un materiale completamente elastico esiste un’inequivocabile dipendenza reciproca tra lo stato tensionale e quello deformativo, per cui a determinate sollecitazioni corrispondono sempre le stesse deformazioni e viceversa. Data una data legge di elasticità, le deformazioni non dipendono dal tempo trascorso dall’applicazione del carico, e nemmeno dal modo in cui il carico viene applicato. Le deviazioni dal comportamento puramente elastico possono essere descritte in due gradi di approssimazione: nella regione elastica si hanno piccole deviazioni; possono essere ignorati in prima approssimazione. Possono essere determinati mediante misurazioni accurate, soprattutto confrontando lo stress più vicino al limite elastico. In altre parole, la dilatazione non è solo una funzione della tensione, ma con un ciclo di carico chiuso e la stessa tensione è sempre leggermente inferiore durante lo scarico che durante il caricamento. Deviazione dalla completa elasticità, es. la differenza tra le dilatazioni corrispondenti alle stesse sollecitazioni è detta isteresi elastica. Se il ciclo di carico viene ripetuto più spesso, ciò si ottiene a tensioni non troppo elevate: un anello chiuso di isteresi o smorzamento. Sl. 8 mostra i circuiti di smorzamento per vari valori di carico CA. La larghezza delle spire aumenta fortemente con l’altezza della tensione. L’area dell’anello è proporzionale al lavoro di deformazione, che viene perso ad ogni ciclo e convertito in calore. Inoltre le deformazioni sono variabili non solo con l’altezza della tensione ma anche con il tempo, dipendono dalla velocità e dal metodo di caricamento. La parte della deformazione che dipende dal tempo è chiamata effetto collaterale. L’isteresi e l’effetto collaterale si verificano simultaneamente. Di norma non hanno alcuna importanza pratica per quei tipi di acciaio da costruzione che si trovano nelle strutture in acciaio a temperatura ambiente.

Cicli di isteresi a diversi livelli di carico alternato

Sl. 8

Nota applicativa: Le designazioni, le ipotesi, i diagrammi e le procedure dei materiali storici contenuti nel testo non devono essere utilizzati in sostituzione degli standard attuali, delle caratteristiche specifiche del prodotto, del modello di calcolo e della verifica da parte di esperti della costruzione complessiva.