Contenuti archivistici di esperti: l’articolo conserva designazioni storiche, tabelle e affermazioni sulla composizione e le proprietà meccaniche dell’acciaio, ma non costituisce uno standard valido, una specifica dei materiali, un certificato, un calcolo di costruzione o un trattamento termico e un’istruzione di prova. I valori di progettazione dipendono dal tipo e dal lotto di acciaio accuratamente identificati, dalle condizioni di produzione, dallo spessore, dalla temperatura, dalla saldabilità, dalla tenacità, dalla fatica e dallo standard applicabile. Il materiale del cuscinetto deve avere una documentazione tracciabile ed essere selezionato e controllato da un esperto responsabile.
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 la produzione di armature, progettazione o collaudo di strutture in acciaio.
Composizione e segni storici dell’acciaio da costruzione
Fondendo minerali di ferro mescolati con combustibili e con l’aggiunta di impurità - solitamente calcare - nonché introducendo aria riscaldata sotto pressione in un altoforno, si ottiene la ghisa. La ghisa contiene più di 1,7% carbonio; non può essere forgiato, laminato, cesellato o pressato, quindi non può essere modellato in vari modi. Il ferro battuto viene prodotto dalla ghisa soffiando aria in un convertitore di base, oppure da rottami di ferro e ghisa in un forno (forno Siemens-Martin). Da esso si possono creare varie forme mediante laminazione, pressatura e forgiatura. Tutto il ferro battuto si chiama acciaio.
Tabelle storiche: I vecchi gradi di acciaio, gli standard, i valori consentiti e le procedure di piegatura presenti nelle tabelle mostrate non devono essere utilizzati per reperire, identificare o dimensionare il materiale odierno. Sono valide solo l’etichetta e la documentazione del lotto consegnato, con controllo di equivalenza secondo lo standard concordato e applicabile.
Composizione chimica dell’acciaio da costruzione
Il ferro tecnico non è ferro puro, ma una lega degli elementi base ferro e carbonio, molto spesso con l’aggiunta di manganese, silicio, fosforo, sumbor e rame, e meno spesso con alluminio, cromo, nichel, molibdeno, ecc. La miscela più importante è il carbonio. Il carico di snervamento e la resistenza alla trazione dell’acciaio fuso aumentano con l’aumentare del contenuto di carbonio fino a raggiungere circa 0,9% carbonio; l’allungamento a rottura diminuisce all’aumentare del contenuto di carbonio. L’acciaio con un alto contenuto di carbonio deve essere maneggiato con maggiore attenzione durante il raddrizzamento, la piegatura, la deformazione, ecc.
Gli acciai da costruzione St 37.12 di regola contengono 0,08-0,15% carbonio, quindi circa 0,5% manganese, fino a 0,3% silicio. Il contenuto di fosforo e zolfo deve essere basso; ammonta rispettivamente a 0,09% e 0,05%. Di norma, c’è rame sopra 0,2%.
Nella valutazione dei risultati delle analisi chimiche bisogna fare attenzione se si tratta di analisi su fusioni o analisi su prodotti laminati; per quest’ultimo è importante se i dati del campione si riferiscono a campioni provenienti dall’intera sezione, oppure a campioni prelevati da un luogo specifico (dal nucleo, dal bordo, da un’estremità).
Struttura in acciaio, tempra, rinvenimento e ricottura
L’osservazione della struttura viene effettuata su superfici piane, accuratamente lavorate, rettificate e lucidate che, di regola, sono corrose dagli acidi. In alcuni casi (ad esempio su acciaio surriscaldato), i grani di acciaio possono essere riconosciuti ad occhio nudo su campioni preparati.
L’immagine 1 mostra la struttura di un acciaio raffreddato lentamente con un contenuto di carbonio di circa 0,1%, e l’immagine 2 mostra la struttura di un acciaio raffreddato lentamente con un contenuto di carbonio di circa 0,3%. I grani leggeri sono privi di carbonio e sono costituiti principalmente da ferro puro (da cui il nome ferrite); sotto elevato ingrandimento, le aree scure appaiono striate (perlite). Al microscopio si può riconoscere che le macchie scure sono costituite da strati più duri e da strati più morbidi; gli strati più duri sono carburo di ferro (Fe3C), chiamato cementite, che è incorporato nella ferrite più morbida. Locali: i cristalli formati ad alta temperatura si disintegrano con il raffreddamento graduale. Il raffreddamento improvviso dell’acciaio caldo impedisce la disintegrazione dei cristalli. Se invece si effettua un brusco raffreddamento prima che inizi la trasformazione della soluzione solida, allora la soluzione - che altrimenti può esistere solo ad alte temperature - continuerà ad essere mantenuta a temperatura ambiente. In questo caso non otteniamo un materiale il cui carbonio è distribuito sotto forma di macchie, ma un materiale con il carbonio distribuito uniformemente. L’acciaio in tali condizioni mostra un carico di snervamento molto più elevato e una resistenza alla trazione più elevata rispetto all’acciaio a raffreddamento lento della stessa composizione chimica, ma mostra anche una minore lavorabilità; tale acciaio è chiamato acciaio temprato.
È naturale che l’effetto di raffreddamento sia più pronunciato sulle superfici, mentre si indebolisce verso l’interno, il che è di grande importanza per l’utilizzo dell’acciaio. L’acciaio temprato contiene elevate sollecitazioni interne.
Procedure termiche e di laboratorio: l’attacco con acido metallografico, il riscaldamento, il rinvenimento e la ricottura richiedono un laboratorio o un’officina controllata, materiale identificato, attrezzature e protezione adeguate. Un trattamento termico improprio può causare fessurazioni, deformazioni, perdita di tenacità ed elevate tensioni residue.
Comportamento dell’acciaio durante le prove di trazione
1. Acciai strutturali ordinari allo stato laminato
Dalla prova di trazione si può determinare in primo luogo il modulo elastico E sia per gli allungamenti totali che elastici. Il modulo di elasticità dell’acciaio è 200 GPa.
Allungamenti permanenti si verificano a basse tensioni, ma non hanno particolare importanza nella costruzione. L’acciaio ordinario inizia a “fluire” sotto carichi che per l’acciaio da costruzione commerciale St 37 e l’acciaio per calcestruzzo I superano per lo più 0,24 GPa, e in grandi sezioni questo valore può scendere a 0,18 GPa. Come risultato del flusso si verificano grandi deformazioni permanenti e “linee di rendimento”. La linea del diagramma di allungamento dell’acciaio (immagine sotto) mostra che il limite di snervamento è stato superato (nel carico di trazione, questo limite è anche chiamato punto di snervamento).
Quando, nel caso di travi in cemento armato, il limite di allungamento dell’armatura viene superato nella zona tesa, si verificano allungamenti significativi dell’acciaio, per cui si creano crepe e piegature nella zona tesa della trave, il che compromette la capacità portante della trave. Sugli acciai ad alto contenuto di carbonio, sugli acciai temprati e in generale sui metalli non ferrosi non compare il limite di snervamento caratteristico riportato nella figura sopra; gli allungamenti permanenti generalmente aumentano e non esiste un punto di snervamento distinto. In tali casi, di norma, si assume che il carico di snervamento sia uguale al carico al quale si verifica un allungamento permanente di 0,2%.
I valori non sono dati di progettazione: modulo di elasticità, carico di snervamento, resistenza e allungamento nel testo sono trasferiti da una fonte storica. Per il calcolo vengono presi i valori caratteristici e di progetto dell’esatta classe moderna, spessore e stato di consegna, insieme ai relativi fattori parziali, tolleranze e requisiti di tenacità, saldabilità e fatica.
2. Acciai trafilati a freddo
In ogni barra d’acciaio che viene raddrizzata o piegata, si verifica localmente acciaio trafilato a freddo. In tal modo, l’acciaio viene sollecitato localmente oltre il limite di snervamento; sulla parte disegnata, il limite di disegno viene aumentato. Se una barra piana di acciaio viene caricata in tensione fino al superamento del limite di snervamento, alla ricarica si osserva che il valore del limite di snervamento è aumentato. Più lungo sarà l’intervallo di tempo di “pausa” tra due carichi, più aumenterà il carico di snervamento.
Inoltre, poiché durante lo stiramento a freddo il diametro diminuisce anche in proporzione all’allungamento della barra, quindi l’acciaio che è stato esposto a uno stiramento significativo prima della prova mostrerà un carico di snervamento e un carico di rottura significativamente più elevati rispetto all’acciaio che non è stato stirato; allo stesso tempo mostrerà una minore resistenza agli urti.
La trafilatura a freddo viene utilizzata nella produzione di acciai per calcestruzzo IIb, IIIb e IVb (tor-steel, rete per costruzioni in acciaio), nonché nella produzione di fili per armature precompresse e funi di ponti sospesi.
Lavori a freddo e rinforzo: I gradi e le descrizioni storici trafilati a freddo non sono indicativi del prodotto moderno. Piegare, raddrizzare, piegare nuovamente, saldare o riscaldare il rinforzo può modificare le proprietà ed è consentito solo se consentito dalla documentazione del prodotto, dal design e dallo standard applicabile.
Comportamento dell’acciaio durante la prova di pressione
Quanto detto sull’elasticità e sul limite di trazione dell’acciaio fuso vale in senso corrispondente per il carico di pressione. I valori del carico di snervamento dell’acciaio strutturale (nel caso della pressione si parla di carico di snervamento) ottenuti durante la prova di compressione e la prova di trazione non differiscono molto. Tuttavia, sotto pressione, un aumento del carico oltre il limite di schiacciamento è possibile solo con elementi molto corti.
Le leggi dell’instabilità si applicano alle aste sottili. Allo stesso tempo, in primo luogo, dovrebbero essere prese in considerazione le opportune ipotesi, sia che si riferiscano al modo di sostenere e pizzicare le estremità dell’asta, sia a deviazioni dell’asse dell’asta dalla posizione stabilita.
Elementi stampati: la resistenza del materiale da sola non determina la capacità portante dello stelo. Snellezza, curvatura iniziale, tensioni residue, instabilità locale e globale, appoggi, giunti e imperfezioni devono essere inclusi nel calcolo dell’elemento in calcestruzzo.
Comportamento dell’acciaio nella prova di flessione
Per quanto riguarda il limite di snervamento (osservato dall’esterno dalle grandi deflessioni dei supporti o dalle linee di snervamento), è importante che esso avvenga durante la prova di flessione a sollecitazioni leggermente inferiori ma superiori a quelle ottenute durante la prova di resistenza a trazione dell’asta di prova. Dopo aver superato il carico di snervamento dell’acciaio nelle zone tese dei supporti, i carichi possono essere aumentati se i supporti sono sufficientemente assicurati contro deformazioni o torsioni.
Prova di flessione: la foto mostra la procedura di laboratorio, non i criteri di accettazione del prodotto. La geometria del provino, i supporti, la velocità, la temperatura, la direzione di laminazione e i criteri di classificazione devono corrispondere allo standard applicato e all’esatto tipo di acciaio.
Resistenza alla fatica dell’acciaio
Le proprietà di resistenza determinate durante le normali prove di trazione, compressione o flessione forniscono informazioni dettagliate sul comportamento dell’acciaio sotto carico statico. Allo stesso tempo, si dovrebbe tenere conto del fatto che la resistenza allo snervamento durante il carico statico a lungo termine sarà leggermente inferiore al limite ottenuto mediante prove ordinarie fino alla rottura. Se i carichi statici sono seguiti da carichi frequenti (ad esempio ponti, binari di gru, veicoli), o se agiscono solo carichi frequenti, allora i dati sul materiale possono essere ottenuti solo in base al suo comportamento in condizioni che più si avvicinano a quelle pratiche. Pertanto, gli acciai per elementi costruttivi, che saranno esposti principalmente a carichi in movimento, vengono testati mediante carichi frequenti.
Molto spesso, i carichi stazionari e quelli in movimento si verificano contemporaneamente. Gli esempi seguenti delineano l’essenza del problema. Canne mostrate in figura1sono fatti dello stesso materiale e fusi dalla stessa canna. L’asta inferiore viene piegata lentamente mediante caricamento graduale; pertanto potrebbe essere piegato. L’asta superiore viene ripetutamente sottoposta a carichi ripetuti, con sollecitazioni di gran lunga inferiori a quelle prevalenti nella prima asta. Dopo qualche tempo, l’asta superiore si è rotta senza mostrare alcuna deformazione permanente intorno alla frattura. In base a ciò, il comportamento del materiale a rottura dipende in modo significativo dal modo in cui viene applicato il carico. L’esempio precedente, che si riferisce al carico di flessione, è tipico anche per altri tipi di carichi. Nelle immagini2E3vengono mostrati esempi di prove di trazione; immagine2si riferisce ad un semplice esempio di test di strappo e la Fig3alle prove di tensione variabile unidirezionale.
Relativamente all’applicazione di questi fatti, è importante che - oltre al comportamento mostrato durante la prova ordinaria di lacerazione - venga valutato soprattutto il valore di un elemento costruttivo che è stato forato o la cui sezione ha subito altre modifiche. La resistenza di un’asta forata a carichi frequenti è molto inferiore alla resistenza di un’asta non forata, poiché ai bordi del foro compaiono delle soglie di tensione. La sollecitazione al bordo foro, se causata da carichi frequenti, sarà sempre sensibilmente superiore alla sollecitazione media. La conseguenza è che gli elementi costruttivi forati sottoposti a carichi frequenti mostrano una resistenza molto inferiore rispetto agli elementi non forati.
Una nota finale sulla fatica: le fessurazioni da fatica possono verificarsi a sollecitazioni inferiori a quelle che causano una deformazione plastica visibile. Fori, particolari saldati, cambi repentini di sezione, corrosione e danneggiamenti cambiano la categoria dei particolari e della vita. Le strutture sottoposte a carichi ripetuti richiedono un calcolo speciale della fatica, un piano di ispezione e una valutazione esperta di ciascuna fessura rilevata.