In diverse situazioni strutturali, gli ingegneri potrebbero dover valutare la resistenza dei giunti realizzati tramite saldature e elementi di fissaggio meccanici. Oggi, gli elementi di fissaggio meccanici sono solitamente bulloni, ma i modelli più vecchi possono prevedere rivetti.
Questo può accadere durante ammodernamenti, ristrutturazioni o miglioramenti di un progetto. Un nuovo progetto potrebbe richiedere l'unione di bulloni e saldature in un giunto in cui il materiale da unire viene prima imbullonato e poi saldato per garantire la massima resistenza del giunto.
Tuttavia, determinare la capacità di carico totale di un giunto non è così semplice come sommare la somma dei singoli componenti (saldature, bulloni e rivetti). Un'ipotesi del genere potrebbe avere conseguenze disastrose.
I collegamenti bullonati sono descritti nella specifica per giunti strutturali dell'American Institute of Steel Structures (AISC), che utilizza bulloni ASTM A325 o A490 come montaggio stretto, precarico o chiave scorrevole.
Serrare i collegamenti a tenuta con una chiave a percussione o con un fabbro, utilizzando una chiave a doppia lama convenzionale, per garantire che gli strati siano a stretto contatto. In un collegamento precompresso, i bulloni vengono installati in modo da essere sottoposti a carichi di trazione significativi e le piastre a carichi di compressione.
1. Ruotare il dado. Il metodo di rotazione del dado prevede il serraggio del bullone e la successiva ulteriore rotazione del dado, che dipende dal diametro e dalla lunghezza del bullone.
2. Calibrare la chiave. Il metodo della chiave calibrata misura la coppia associata alla tensione del bullone.
3. Bullone di regolazione della tensione a torsione. I bulloni di tensione twist-off presentano piccoli perni all'estremità opposta alla testa. Una volta raggiunta la coppia richiesta, il perno viene svitato.
4. Indicatore di tensione diretta. Gli indicatori di tensione diretta sono rondelle speciali con linguette. La quantità di compressione sul perno indica il livello di tensione applicato al bullone.
In parole povere, i bulloni agiscono come perni in giunti stretti e pretensionati, proprio come un perno di ottone che tiene insieme una pila di fogli di carta perforata. I giunti scorrevoli critici funzionano per attrito: il precarico crea deportanza e l'attrito tra le superfici di contatto contribuisce a impedire lo slittamento del giunto. È come un raccoglitore che tiene insieme una pila di fogli, non perché i fori siano perforati nella carta, ma perché il raccoglitore preme i fogli insieme e l'attrito mantiene insieme la pila.
I bulloni ASTM A325 hanno una resistenza minima alla trazione compresa tra 150 e 120 kg per pollice quadrato (KSI), a seconda del diametro del bullone, mentre i bulloni A490 devono avere una resistenza alla trazione compresa tra 150 e 170 KSI. I giunti rivettati si comportano più come giunti a tenuta stagna, ma in questo caso i perni sono rivetti che in genere hanno una resistenza pari a circa la metà di quella di un bullone A325.
Quando un giunto fissato meccanicamente è soggetto a forze di taglio (quando un elemento tende a scivolare su un altro a causa di una forza applicata), si possono verificare due situazioni. Bulloni o rivetti possono trovarsi ai lati dei fori, causandone contemporaneamente il taglio. La seconda possibilità è che l'attrito causato dalla forza di serraggio degli elementi di fissaggio pretensionati possa resistere ai carichi di taglio. Non è previsto alcuno slittamento per questa connessione, ma è possibile.
Una connessione a tenuta stagna è accettabile per molte applicazioni, poiché un leggero slittamento non può influire negativamente sulle caratteristiche della connessione. Ad esempio, si consideri un silo progettato per lo stoccaggio di materiale granulare. Potrebbe verificarsi un leggero slittamento durante il primo carico. Una volta che si verifica, lo slittamento non si ripeterà, poiché tutti i carichi successivi saranno della stessa natura.
L'inversione del carico viene utilizzata in alcune applicazioni, ad esempio quando elementi rotanti sono sottoposti a carichi alternati di trazione e compressione. Un altro esempio è un elemento flettente soggetto a carichi completamente inversi. In caso di un cambiamento significativo nella direzione del carico, potrebbe essere necessaria una connessione precaricata per eliminare lo scorrimento ciclico. Questo scorrimento porta infine a un ulteriore scorrimento nei fori allungati.
Alcuni giunti sono sottoposti a numerosi cicli di carico che possono portare a fatica. Tra questi, presse, supporti per gru e collegamenti nei ponti. I giunti critici a scorrimento sono necessari quando il collegamento è sottoposto a carichi di fatica in direzione opposta. In queste condizioni, è fondamentale che il giunto non scivoli, quindi sono necessari giunti critici a scorrimento.
I collegamenti bullonati esistenti possono essere progettati e realizzati secondo uno qualsiasi di questi standard. I collegamenti rivettati sono considerati a tenuta stagna.
I giunti saldati sono rigidi. I giunti saldati sono insidiosi. A differenza dei giunti bullonati stretti, che possono scivolare sotto carico, le saldature non devono allungarsi e distribuire il carico applicato in modo significativo. Nella maggior parte dei casi, gli elementi di fissaggio meccanici saldati e a cuscinetto non si deformano allo stesso modo.
Quando le saldature vengono utilizzate con elementi di fissaggio meccanici, il carico viene trasferito attraverso la parte più dura, quindi la saldatura può sopportare quasi tutto il carico, con una condivisione minima con il bullone. Per questo motivo, è necessario prestare attenzione durante la saldatura, l'imbullonatura e la rivettatura. Specifiche. AWS D1 risolve il problema di combinare elementi di fissaggio meccanici e saldature. Specifica 1:2000 per la saldatura strutturale - acciaio. Il paragrafo 2.6.3 stabilisce che per rivetti o bulloni utilizzati in giunti di tipo cuscinetto (ovvero dove il bullone o il rivetto funge da perno), gli elementi di fissaggio meccanici non devono essere considerati come se condividessero il carico con la saldatura. Se si utilizza la saldatura, questi devono essere in grado di sopportare l'intero carico nel giunto. Tuttavia, sono consentiti collegamenti saldati a un elemento e rivettati o imbullonati a un altro elemento.
Quando si utilizzano elementi di fissaggio meccanici a cuscinetto e si aggiungono saldature, la capacità portante del bullone viene ampiamente trascurata. In base a questa disposizione, la saldatura deve essere progettata per trasferire tutti i carichi.
Questa norma è essenzialmente identica a quella dell'AISC LRFD-1999, clausola J1.9. Tuttavia, anche la norma canadese CAN/CSA-S16.1-M94 consente l'uso indipendente quando la potenza del dispositivo di fissaggio meccanico o del bullone è superiore a quella della saldatura.
In questo caso sono tre i criteri concordanti: le possibilità di fissaggi meccanici di tipo cuscinetto e le possibilità di saldature non coincidono.
La Sezione 2.6.3 di AWS D1.1 illustra anche le situazioni in cui bulloni e saldature possono essere combinati in un giunto in due parti, come mostrato in Figura 1. Saldature a sinistra, bullonate a destra. In questo caso, è possibile tenere conto della potenza totale di saldature e bulloni. Ogni parte dell'intera connessione opera in modo indipendente. Pertanto, questo codice costituisce un'eccezione al principio contenuto nella prima parte della Sezione 2.6.3.
Le regole appena discusse si applicano ai nuovi edifici. Per le strutture esistenti, la clausola 8.3.7 D1.1 stabilisce che, quando i calcoli strutturali indicano che un rivetto o un bullone saranno sovraccaricati da un nuovo carico totale, gli deve essere assegnato solo il carico statico esistente.
Le stesse regole richiedono che se un rivetto o un bullone è sovraccaricato solo con carichi statici o sottoposto a carichi ciclici (di fatica), devono essere aggiunti sufficienti metalli di base e saldature per supportare il carico totale.
La distribuzione del carico tra elementi di fissaggio meccanici e saldature è accettabile se la struttura è precaricata, ovvero se si è verificato uno slittamento tra gli elementi collegati. Tuttavia, sugli elementi di fissaggio meccanici possono essere applicati solo carichi statici. I carichi dinamici che possono causare uno slittamento maggiore devono essere protetti mediante l'utilizzo di saldature in grado di sopportare l'intero carico.
Le saldature devono essere utilizzate per resistere a tutti i carichi applicati o dinamici. Quando i dispositivi di fissaggio meccanici sono già sovraccarichi, la condivisione del carico non è consentita. In caso di carico ciclico, la condivisione del carico non è consentita, poiché il carico può causare slittamenti permanenti e sovraccarico della saldatura.
Illustrazione. Si consideri un giunto a sovrapposizione originariamente imbullonato (vedi Figura 2). La struttura aggiunge ulteriore potenza e devono essere aggiunti collegamenti e connettori per raddoppiare la resistenza. La Figura 3 mostra il piano di base per il rinforzo degli elementi. Come dovrebbe essere realizzata la connessione?
Poiché il nuovo acciaio doveva essere unito a quello vecchio tramite saldature a cordone d'angolo, l'ingegnere decise di aggiungerne alcune al giunto. Dato che i bulloni erano ancora al loro posto, l'idea iniziale era di aggiungere solo le saldature necessarie a trasferire la potenza extra al nuovo acciaio, prevedendo che il 50% del carico passasse attraverso i bulloni e il 50% attraverso le nuove saldature. È accettabile?
Supponiamo innanzitutto che alla connessione non siano applicati carichi statici. In questo caso, si applica il paragrafo 2.6.3 di AWS D1.1.
In questo tipo di giunto a cuscinetto, non si può considerare che la saldatura e il bullone condividano il carico, quindi la dimensione specificata per la saldatura deve essere sufficientemente grande da supportare tutto il carico statico e dinamico. La capacità portante dei bulloni in questo esempio non può essere presa in considerazione, poiché in assenza di carico statico, la connessione sarà in uno stato di lasco. La saldatura (progettata per sopportare metà del carico) inizialmente si rompe quando viene applicato il carico completo. Successivamente, il bullone, anch'esso progettato per trasferire metà del carico, cerca di trasferire il carico e si rompe.
Si supponga inoltre che venga applicato un carico statico. Inoltre, si presume che la connessione esistente sia sufficiente a sopportare il carico permanente esistente. In questo caso, si applica il paragrafo 8.3.7 D1.1. Le nuove saldature devono solo sopportare carichi statici e carichi variabili generali aumentati. I carichi permanenti esistenti possono essere assegnati ai dispositivi di fissaggio meccanici esistenti.
Sotto carico costante, la connessione non cede. Anzi, i bulloni sopportano già il carico. Si è verificato un certo slittamento nella connessione. Pertanto, è possibile utilizzare saldature che possono trasmettere carichi dinamici.
La risposta alla domanda "È accettabile?" dipende dalle condizioni di carico. Nel primo caso, in assenza di carico statico, la risposta sarà negativa. Nelle condizioni specifiche del secondo scenario, la risposta è sì.
Il semplice fatto che venga applicato un carico statico non sempre consente di trarre una conclusione. Il livello dei carichi statici, l'adeguatezza delle connessioni meccaniche esistenti e la natura dei carichi terminali, siano essi statici o ciclici, possono modificare la risposta.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, Responsabile del Welding Technology Center, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. Lincoln Electric produce attrezzature e materiali di consumo per saldatura in tutto il mondo. Gli ingegneri e i tecnici del Welding Technology Center aiutano i clienti a risolvere i problemi di saldatura.
American Welding Society, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, telefono 305-443-9353, fax 305-443-7559, sito web www.aws.org.
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American Steel Structures Association, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, telefono 312-670-2400, fax 312-670-5403, sito web www.aisc.org.
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