Tecnica delle costruzioni - esercitazione 8 - unioni parte 1

STRUTTURE IN ACCIAIO:
SISTEMI DI COLLEGAMENTO E UNIONI – PARTE 1
GENERALITÀ
UNIONI BULLONATE
UNIONI SALDATE
http://www.slideshare.net/franco_bontempi_org_didattica/http://www.slideshare.net/franco_bontempi_org_didattica/
Prof. Franco Bontempi, Ing. Stefania Arangio
franco.bontempi@uniroma1.it, stefania.arangio@uniroma1.it
Sapienza Università di Roma
Corso di Tecnica delle Costruzioni – Ingegneria Civile
A.A. 2015 – 16
ESERCITAZIONE 7 (II PARTE) & ESERCITAZIONE 8
20 Novembre 2015
26 Maggio 2016

2/47UnionibullonateUnionisaGeneralità
Corso di Tecnica delle Costruzioni – Ingegneria
Civile
ESERCITAZIONE 7 (II parte) & 8
A.A. 2015 - 2016
I sistemi di collegamento: generalità
Unioni bullonate
Unioni saldate
Outline

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A.A. 2015 - 2016
Unioni bullonate
Unioni saldate
Outline

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SCOMPOSIZIONE STRUTTURALE
Struttura
Sottostruttura
Componenti
Elementi

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SISTEMI DI COLLEGAMENTO
L’acciaio è fornito dall’industria siderurgica in elementi di forme tipiche
(profilati, lamiere, tubi) e di dimensioni unificate
A partire da questi elementi resistenti semplici è possibili costruire una
qualsiasi struttura
In questo senso assumono un ruolo fondamentale i collegamenti.
Devono essere realizzati in modo che ciascun elemento semplice contribuisca
alla capacità portante dell’insieme.
Sistemi di collegamento: dispositivi costruttivi che hanno lo scopo specifico
di connettere due o più elementi strutturali inizialmente indipendenti
Sistemi di collegamento nelle NTC 2008:
•bulloni normali (§ 11.3.4.6.1)
•bulloni ad attrito (AR) (§ 11.3.4.6.2)
•saldature (§ 13.3.4.5)
•chiodi (§ 11.3.4.6.3)

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Generalità UNIONI TRA COMPONENTI STRUTTURALI
Unioni correnti: servono per creare profili composti a partire da ferri piatti e
cantonali (profili che non esistono sui sagomari, come travi alte e
profili a cassone)
Unioni di forza: uniscono tra lori i vari elementi strutturali per formare l’intera
(collegamenti) costruzione
Immagine da http://dankuchma.com/stm
I giunti tra gli elementi sono realizzati nelle zone di
diffusione (D regions):
- Sono sede di concentrazioni di sforzi
- Non vale la teoria della trave di Bernoulli (non sono
verificate le ipotesi alla base della teoria di De Saint
Venant)
- Le indicazioni progettuali sono basate su basate su
teorie e modellazioni semplificate supportate da
analisi sperimentali o numeriche
Lo studio accurato delle unioni è fondamentale perché
i collegamenti possono costituire il punto debole della
struttura

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CRITERI DI CLASSIFICAZIONE DELLE UNIONI (1)
Sistema di collegamento
Tipo di sollecitazione che
trasmettono
(o vincolo che schematizzano)
Deformabilità
Statica
• bullonate
• saldate
• chiodate
• Taglio (T)
• Sforzo normale (N)
• Sforzo normale e taglio (N+T)
• Sforzo normale, taglio, momento
(N+T+M)
• flessibili
• semirigide
• rigide
• articolazioni
• unioni a parziale ripristino
• unioni a completo ripristino
cerniera
incastro,
vincolo continuità
Generalità

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CRITERI DI CLASSIFICAZIONE DELLE UNIONI (2)
Tipologia di componenti che
vengono collegati
1. trave principale – trave secondaria (giunto di estremità)
2. trave – trave continua
3. trave – colonna
4. colonna - colonna
5. colonna – fondazione
6. elementi di controventamento
7. …1
2
3
6
4
5
Generalità

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QUADRO RIASSUNTIVO DELLE TIPOLOGIE DI COLLEGAMENTI
COMPONENTI VINCOLO SOLLECITAZIONE TIPO UNIONE
1) Trave principale - trave
secondaria
cerniera T bullonata
2) Trave - trave continua continuità
T
T + M
bullonata
bullonata con
coprigiunto
3) 4) 5) Trave - colonna (a 2, 3,
4 vie)
RITTI: cerniera T bullonata
TELAIO:
nodo rigido
T + M
bullonata + saldata
(giunto flangiato)
6) Controvento cerniera N +( N*e) bullonata
7) Colonna - colonna biella N bullonata
8) Colonna - plinto di fondazione
cerniera N Bullonata
incastro N + M
Bullonata +
irrigidimenti
Generalità

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TIPOLOGIE DI COLLEGAMENTI (ritti pendolari)Generalità

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TIPOLOGIE DI COLLEGAMENTI (controventi)Generalità

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TIPOLOGIE DI COLLEGAMENTI (telaio a nodi rigidi)Generalità

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Unioni bullonate
Unioni saldate
Outline

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GENERALITA’Unionibullonate
VANTAGGI
• Facilità e velocità di montaggio e smontaggio – per questo motivo nel tempo
la bullonatura ha rimpiazzato la chiodatura
• Flessibilità della struttura nel caso debba essere modificata per rispondere a
nuove esigenze distributive
• Riutilizzo delle parti strutturali
SVANTAGGI
• Gli elementi strutturali sono indeboliti dalla presenza dei fori (è necessario
effettuare opportune verifiche)
• La presenza dei fori comporta una
distribuzione delle tensioni caratterizzata
da punte locali
smax
smin
sm
Ø
s
Ø

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MORFOLOGIA DEI BULLONIUnionibullonate
Vite con testa esagonale Rondella Dado
Area dei bulloni (CNR 10011 prosp. 4 IV)
d [mm]
Anom, area nominale
[mm2
]
Ares, area resistente
[mm2
]
12 113 84
14 154 115
16 201 157
18 254 192
20 314 245
22 380 303
24 452 353
27 572 459
30 707 561
Area nominale
Area resistente
Diametro del foro = d bullone + 1 mm (fino d= 20 mm)
Diametro del foro = d bullone + 1,5 mm (fino d > 20 mm)

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CLASSI DEI BULLONIUnionibullonate
CLASSE
VITE
fyb
N/mm2
snervamento
ftb
N/mm2
rottura
fdN
N/mm2
fdN = 0,9ftb/γM2
fdV
N/mm2
fdV = 0,6ftb/γM2
N
4.6 240 400 288 192
5.6 300 500 360 240
6.8 480 600 432 288
AR
8.8 649 800 576
fdV = 0,6ftb/γM2
320
fdV = 0,5ftb/γM2
384
10.9 900 1000 720 400 480
10*9= 90 Kg/mm2
= 900 N/mm2 Aresistente Anominale

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INTERASSE E DISTANZE TRA I FORIUnionibullonate
(NTC 2008, § 4.2.8.1.1)
t = spessore minimo tra quelli degli elementi collegati
d = diametro bullone
d0 = diametro foro

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INTERASSE E DISTANZE TRA I FORIUnionibullonate
(NTC 2008, § 4.2.8.1.1)
t = spessore minimo tra quelli
degli elementi collegati
d = diametro bullone
d0 = diametro foro
E’ necessario rispettare i limiti della normativa per rimanere nel
campo di validità dei controlli sperimentali

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STATI DI SOLLECITAZIONEUnionibullonate
Si distinguono le unioni in:
• unioni in cui il bullone è sollecitato a taglio
• unioni in cui il bullone è sollecitato a trazione
• unioni in cui il bullone è sollecitato a trazione e taglio
Per il calcolo dello stato di sollecitazione non si possono usare le formule della
teoria della trave. La sezione di calcolo coincide con la sezione di applicazione
delle forze e non è applicabile il principio di De Saint Venant
IPOTESI utilizzate per lo studio delle unioni:
• lamiera “inifinitamente” rigida – si trascura la sua deformazione
• si trascura l’inflessione dei bulloni
• si trascurano le concentrazioni di tensioni in corrispondenza dei bordi dei fori
• pressioni uniformemente distribuite sui fori e sul gambo dei bulloni

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UNIONI A TAGLIOUnionibullonate
Forza che agisce nel piano di contatto tra gli elementi
Si considera un collegamento
elementare
Il bullone è soggetto a
notevoli sforzi taglianti

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UNIONI A TAGLIO: MODALITÁ DI COLLASSOUnionibullonate
1) Rottura per strappo della lamiera
2) Rottura per recisione del gambo del bullone
3) Rifollamento della lamiera
4) Rottura per trazione della lamiera

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UNIONI A TAGLIO: MODALITA’ DI COLLASSO (1/4)Unionibullonate
1) Rottura per strappo della lamiera
sm
F
⋅⋅
⋅=
2
1
1τ
s = spessore
m = proiezione orizzontale del segmento DD’
Lo sforzo di taglio si divide su due sezioni di A = ms

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2) Rottura per recisione del gambo del bullone
Il gambo lavora su due facce
Sulla sezione di A = π d2
/4 agisce la forza F/2
22
4
2 d
F
⋅
⋅=
π
τ

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3) Rifollamento della lamiera
Campo
elastico
Campo
plastico
Valore
medio
s = spessore
d = diametro del bullone
sd
F
⋅
=1σ

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4) Rottura per trazione della lamiera
( ) sda
F
⋅−
=2σ
a = altezza della lamiera
s = spessore
Andamento delle tensioni intorno al foro Valore convenzionale medio
della tensione
Conoscendo le tensioni di collasso dei vari meccanismi è possibile risalire ai vari
carichi di collasso. Il più piccolo dei 4 rappresenta l’effettivo carico ultimo del
collegamento
a

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UNIONI A TAGLIO: VERIFICHEUnionibullonate
Una volta calcolate le tensioni agenti è necessario valutare la sicurezza nei
confronti dei vari meccanismi di collasso.
4 meccanismi 4 verifiche (NTC 2008, § 4.2.8.1.1)
1) Verifica a strappo della lamiera
La verifica a strappo è soddisfatta se il predimensionamento di distanze e
interassi è stato effettuato seguendo le indicazioni della normativa
2) Verifica a recisione del gambo del bullone
Con l’ipotesi che la tensione tangenziale si distribuisca uniformemente:
VRd
b
f
A
R
≤=τ
2
6,0
M
tb
VRd
f
f
γ
=
2
5,0
M
tb
VRd
f
f
γ
=
R = risultante sul singolo bullone
Ab = area della sezione interessata
(Ab = A se il bullone lavora su una faccia
Ab = 2A se il bullone lavora su due facce)
Bulloni 6.8 e 10.9 con filettatura a contatto
Ab = 2A Ab = A

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UNIONI A TAGLIO: VERIFICHEUnionibullonate
3) Verifica a rifollamento
4) Verifica di resistenza della lamiera
2M
tk
rif
fk
ds
R
γ
α
σ
⋅⋅
≤
⋅
=
R = risultante sul singolo bullone
s = spessore
ftk = resistenza a rottura del
materiale della piastra
γM2 = 1,25
ydf≤σ
ridA
N
=σ
ridW
M
=σ
ridA
V
=τ 22
3τσσσ +== id





 ⋅
=
02
;
9,0
min
M
yk
M
tk
yd
ff
f
γγ
o
Se è presente anche sforzo
tangenziale

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UNIONI A TRAZIONEUnionibullonate
Forza che agisce in direzione perpendicolare al piano di contatto tra gli elementi
Si considera un collegamento
elementare
2
9,0
M
tb
res
N
f
A
N
γ
γσ
⋅
≤⋅=
γN = 1,25 per tenere conto dell’effetto leva
e di eventuali flessioni parassite
Ares = A resistente del bullone
ftb = resistenza a rottura del bullone
γM2 = 1,25
effetto leva

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UNIONI A TAGLIO E TRAZIONEUnionibullonate
1
4,1
≤
⋅
+
tRd
tEd
vRd
vEd
F
F
F
F
2
6,0
M
restb
vRd
Af
F
γ
⋅
=
2
9,0
M
restb
tRd
Af
F
γ
⋅⋅
Nel caso di presenza combinata di taglio e trazione si può adottare la formula di
interazione lineare:
FtEd sollecitazione di trazione di progetto
FvEd sollecitazione di taglio di progetto

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EFFETTI DELLE CARATTERISTICHE DI SOLLECITAZIONEUnionibullonate
Le unioni reali sono costituite da più bulloni.
E’ necessario utilizzare metodi di calcolo che permettono di ripartire gli effetti delle azioni
esterne tra gli n bulloni
Ipotesi semplificative
• lamiera “infinitamente” rigida
• bulloni perfettamente elastici
•T e N si ripartiscono in modo uguale tra i bulloni
• lo spostamento di ogni bullone è costante e proporzionale alla distanza dal baricentro
Se lo sforzo di taglio non è applicato
sull’asse baricentrico nasce un momento
torcente
Se lo sforzo normale non passa per il
baricentro della bullonatura bisogna
considerare anche gli effetti di un momento
flettente

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EFFETTI DELLE CARATTERISTICHE DI SOLLECITAZIONE: TAGLIO
(E TORSIONE)
Unionibullonate
Si trasporta la
forza al baricentro
della bullonatura
Si genera un momento
torcente MT
Lo sforzo di taglio
si ripartisce tra gli n
bulloni
nn
T
V
s
=
ns = numero
sezioni resistenti
i
i
T
T y
yn
M
V ⋅
⋅
=
∑ 2
Anche MT si
ripartisce tra i bulloni
yi = distanza dal baricentro
della bullonatura
Su ogni bullone
agisce la risultante di
V e VT

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EFFETTI DELLE CARATTERISTICHE DI SOLLECITAZIONE: TRAZIONE
(E FLESSIONE)
Unionibullonate
n
N
FN =
Lo sforzo normale si
ripartisce tra i bulloni
i
i
i y
y
M
F ⋅=
∑ 2
M è proporzionale alla distanza
dei bulloni dall’asse neutro
n
N
y
y
M
F
i
+⋅
⋅
=
∑
max2max
2
Lo sforzo totale massimo nel
bullone più sollecitato sarà:

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Unioni bullonate
Unioni saldate
OutlineUnionisa

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Unionisa TECNOLOGIA DELLE UNIONI PER SALDATURA
UNI 1307
Per saldatura si intende il processo mediante il quale si effettua l’unione dei
pezzi metallici sotto l’azione del calore, con o senza l’apporto di un materiale
metallico, in modo da realizzare nei tratti di collegamento la continuità fra i pezzi
stessi.
VANTAGGI
SVANTAGGI
• collegamenti più rigidi
• si evita l’indebolimento dovuto ai fori dei bulloni
• le saldature occupano meno spazio. I giunti sono più snelli
•gli elementi da unire non devono subire un trattamento iniziale (per le
bullonature bisogna realizzare i fori
• La buona riuscita dipende principalmente dall’operaio (si cerca infatti di farle
il più possibile da manodopera specializzata in officina dove c’è più
controllo)
• Maggiori oneri di lavorazione che portano a costi maggiori

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Unionisa PROCEDURE DI SALDATURA
Saldature a pressione
• Sono utilizzate per realizzare le strutture composte
acciaio – cls
• I connettori sono saldati alla trave e la collegano
alla soletta in cls
• Non si usa materiale d’apporto
Saldature a fusione
•Si crea continuità tra gli elementi
• Il materiale proviene da un corpo esterno. E’
necessario farlo sciogliere e una volta sciolto
proteggere il bagno di fusione per evitare un
raffreddamento troppo rapido
• Esistono oltre 40 tipi di diversi di procedure

Civile
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Unionisa PROCEDURE DI SALDATURA (1/2)
Saldatura manuale ad arco con elettrodi rivestiti
E’ la più usata perché è la più semplice (si può
fare anche in opera) ed è molto versatile.
Il generatore trasmette corrente che crea un arco
elettrico tra l’elettrodo e il materiale base a causa
della d.d.p.
Si crea una sorgente di calore localizzata che fa
fondere entrambi e dal raffreddamento si ottiene il
cordone di saldatura.
L’elettrodo è una bacchetta di materiale siliceo-
vetroso (è più leggero dell’ acciaio fuso quindi
galleggia sul materiale base e forma una pellicola
protettiva contro l’idrogeno dell’atmosfera che
fragilizza l’acciaio)

Civile
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Unionisa PROCEDURE DI SALDATURA (2/2)
Saldatura automatica ad arco sommerso
Di suo industriale. E’ caratterizzata da bagli di fusione di elevate dimensioni
La sorgente termica è costituita da un filo avvolto in matassa che un opportuno
dispositivo meccanico provvede a far avanzare man mano che si fonde
La parte da saldare è ricoperta da sabbia che protegge l’acciaio fuso (“sommerso”
perché coperto dalla sabbia)
Saldatura automatiche o semiautomatiche sotto gas di protezione
Saldature a filo continuo in cui la protezione del bagno di fusione è affidata a un
gas inerte o a un gas chimicamente attivo.
Hanno un costo elevato e sono utilizzate per saldare acciai particolari
Saldature con elettrodo infusibile
L’arco elettrico scocca tra un elemento di tugsteno e il materiale base.
L’elettrodo di tugsteno serve solo per far scoccare l’arco. Il materiale di apporto
proviene da una bacchetta dello stesso materiale da saldare.

Civile
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Unionisa POSSIBILI DIFETTI
• Mancanza di penetrazione: il cordone non collega l’intera sezione da saldare
(errore dell’operatore o lembi preparati male)
• Inclusioni solide: scorie nel bagno di fusione
• Soffiature: cavità formate dai gas che si liberano durante la saldatura
• Cricche a freddo: microfessure nel materiale base ai margini del cordone di
saldatura. Dovute in genere a raffreddamento troppo rapido
• Cricche a caldo: fessure nella zona fusa causate da un elevato tenore di
impurezze nel bagno di fusione. E’ il difetto peggiore.
• Deformazione

Civile
A.A. 2015 - 2016
Esistono due classi (NTC 2008 - § 4.2.8.2, CNR 10011/97 - § 2.5.3)
1)Giunti a completa penetrazione
•Viene ripristinata la continuità tra i pezzi uniti
•Diventano monolitici (e vanno verificati come tali)
La resistenza di calcolo dei collegamenti si assume uguale alla resistenza di
progetto del più debole tra gli elementi connessi
Unionisa CLASSIFICAZIONE
testa a testa a T a croce
2) Giunti a cordone d’angolo
• Gli elementi da unire non vengono preventivamente modellati
• Sono solo accostati. Si hanno discontinuità nel flusso delle tensioni

Civile
A.A. 2015 - 2016
Unionisa GIUNTI A CORDONE D’ANGOLO: CALCOLO E VERIFICHE
Il problema di verificare la resistenza di un cordone d’angolo è stato oggetto di numerosi
studi.
Tutti i metodi proposti si basano su una ipotesi semplificativa: le tensioni si vengono
considerate uniformemente distribuite sulla sezione di gola (a*L)
Reale distribuzione degli sforzi.
Mano a mano che il materiale si
plasticizza si ha una
ridistribuzione degli sforzi e le
disuniformità si attenuano
Altezza di gola a
Sezione di gola nella reale posizione Sezione di gola ribaltata

Civile
A.A. 2015 - 2016
• Van den Eb traccia un dominio a peroide a partire da
risultati sperimentali
Si cerca un dominio con una forma traducibile in
equazione
• ellissoide ISO
• sfera inglese (BS, 1966): raggio pari a 0,58·fu
;
• sfera americana (AISC, 1969): raggio pari a 0,61·fu
;
• sfera tedesca (DIN, 1968): raggio pari a 0,70·fu
.
Unionisa VERIFICHE SULLA SEZIONE DI GOLA RIBALTATA: CENNI STORICI
( ) ( )
1
70,058,0
2
2
//
2
2
2
2
=
⋅
+
⋅
+ ⊥⊥
uuu fff
ττσ
Lo scopo era quello di tracciare il dominio spaziale
delle resistenze

Civile
A.A. 2015 - 2016
Unionisa VERIFICHE SULLA SEZIONE DI GOLA RIBALTATA (NTC E CNR)
7,02
//
22
ydftnt ⋅⋅≤++ ⊥⊥ β
ydfnt ⋅⋅⋅≤+ ⊥⊥ β258,0
In Italia:
• si vuole mantenere l’interpretazione delle DIN ma
rendendola più cautelativa
• Si vuole evitare una formulazione analitica di tipo
quadratico
SFERA MOZZA
Sfera tagliata da due
coppie di piani passanti
per 0,58fu su entrambi
gli assi
Verifiche

stato tensionale limitazioni Fe 360 Fe 430/ 510
0,85 fyd 0,70 fyd
fyd 0,85 fyd
fyd 0,85 fyd
0,85 fyd 0,70 fyd
0,85 fyd 0,70 fyd
0,85 fyd 0,70 fyd
0,85 fyd 0,70 fyd
0,85 fyd 0,70 fyd
0,85 fyd 0,70 fyd
⊥
⊥ ⊥
a
n σ⊥
t τ
2
//
22
≤++ ⊥⊥ ττσ
⊥
⊥
σ
τ
⊥
⊥
σ τ
τ
⊥
τ
τ
⊥ τσ
τ⊥
σ⊥
τ
≤+ ⊥⊥ στ
≤⊥τ
≤⊥σ
2
//
2
≤+⊥ ττ
2
//
2
≤+⊥ τσ
≤//τ
≤+ ⊥⊥ στ
≤⊥σ
≤⊥τ
≤⊥σ

Civile
A.A. 2015 - 2016
Unionisa EFFETTI DELLE CARATTERISTICHE DI SOLLECITAZIONE: TRAZIONE
yd
ii
f
aL
F
⋅≤
⋅
=
∑
85,0//τ
∑ ⋅⋅=⋅ aLaL ii 4
ydf
aL
F
⋅≤
⋅⋅
=⊥ 85,0
2
σ
Cordoni laterali Cordone frontale

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(o )
Unionisa EFFETTI DELLE CARATTERISTICHE DI SOLLECITAZIONE: TAGLIO
L’area resistente è pari a A = 2·a·h
con modulo di resistenza
6
2
2
ha
W
⋅
⋅=
La massima tensione derivante dal momento
flettente è pari a:
2max
3
ha
lF
W
M
⋅
⋅⋅==⊥σ
ha
F
⋅⋅
=
2
//τ
ydf⋅≤+⊥ 85,02
//
2
max τσ
hab
LF
W
M
⋅⋅
⋅
==⊥σ
ab
F
⋅⋅
=⊥
2
τ
ydf
ba
F
hab
FL
≤
⋅⋅
+
⋅⋅
=+ ⊥⊥
2
τσ ydf⋅85,0
ydf⋅≤⊥ 85,0σ ydf⋅70,0
ydf⋅≤⊥ 85,0τ ydf⋅70,0
Cordoni frontali longitudinali Cordoni frontali trasversali
habW ⋅⋅=
(o )
(o )

Civile
A.A. 2015 - 2016
Unionisa EFFETTI DELLE CARATTERISTICHE DI SOLLECITAZIONE: TAGLIO
ydA f⋅≤⊥ 85,0maxσ
ydBB f⋅≤+⊥ 85,02
//
2
τσ (o 0,70 fyd
)
Verifica nel punto A
Verifica nel punto B

Civile
A.A. 2015 - 2016
Unionisa EFFETTI DELLE CARATTERISTICHE DI SOLLECITAZIONE: TORSIONE
( )ah
M
H T
+
=
La
H
⋅
=//τ
z
M
V T
=
aLz
M
aL
V T
⋅⋅
=
⋅
=//τ
ydf⋅≤ 85,0//τ (o 0,70 fyd
)
Cordoni laterali Cordoni frontali

PROSSIME ESERCITAZIONI
STRUTTURE IN ACCIAIO:
SISTEMI DI COLLEGAMENTO E UNIONI – PARTE 2
ESEMPI: GIUNTI DI ESTREMITÀ (TRAVE PRINCIPALE – SECONDARIA)
GIUNTI TRAVE – COLONNA
UNIONE CONTINUA TRAVE – TRAVE
UNIONE COLONNA – COLONNA
UNIONE COLONNA FONDAZIONE
UNIONE TRA GLI ELEMENTI DI CONTROVENTAMENTO
Website: http://www.francobontempi.orgWebsite: http://www.francobontempi.org
Prof. Franco Bontempi, Ing. Stefania Arangio
Sapienza Università di Roma
Corso di Tecnica delle Costruzioni – Ingegneria Civile
A.A. 2015 – 2016

Tecnica delle costruzioni - esercitazione 8 - unioni parte 1

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