In diverse situazioni strutturali, gli ingegneri potrebbero dover valutare la resistenza di giunzioni realizzate mediante saldature e elementi di fissaggio meccanici. Oggi, gli elementi di fissaggio meccanici sono generalmente bulloni, ma i modelli più vecchi potevano prevedere rivetti.
Questo può accadere durante aggiornamenti, ristrutturazioni o miglioramenti a un progetto. Un nuovo progetto potrebbe richiedere l'utilizzo di bulloni e saldature per realizzare un giunto in cui il materiale da unire viene prima imbullonato e poi saldato per garantire la massima resistenza al giunto.
Tuttavia, determinare la capacità di carico totale di un giunto non è semplice come sommare i carichi dei singoli componenti (saldature, bulloni e rivetti). Un'ipotesi del genere potrebbe portare a 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 fissaggio a serraggio controllato, precaricato o con chiavetta scorrevole.
Serrare saldamente i collegamenti con una chiave a percussione o con una chiave a doppia estremità convenzionale, come indicato da un fabbro, per garantire un contatto ottimale tra gli strati. In un collegamento precompresso, i bulloni sono installati in modo da essere soggetti a carichi di trazione significativi, mentre le piastre sono soggette a carichi di compressione.
1. Ruotare il dado. Il metodo per ruotare il dado consiste nel serrare il bullone e poi ruotare ulteriormente il dado di una quantità 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 a torsione hanno dei piccoli perni all'estremità opposta alla testa. Quando si raggiunge la coppia di serraggio desiderata, il perno viene svitato.
4. Indice di tensione diretta. Gli indicatori di tensione diretta sono rondelle speciali con linguette. La quantità di compressione sulla linguetta indica il livello di tensione applicato al bullone.
In parole semplici, i bulloni agiscono come perni in giunzioni strette e precaricate, proprio come uno spillo di ottone che tiene insieme una pila di fogli perforati. Le giunzioni scorrevoli critiche funzionano per attrito: il precarico crea una forza verso il basso e l'attrito tra le superfici di contatto agisce in sinergia per resistere allo slittamento della giunzione. È come un raccoglitore che tiene insieme una pila di fogli, non perché vi siano fori nella carta, ma perché il raccoglitore preme i fogli l'uno contro l'altro e l'attrito mantiene unita la pila.
I bulloni ASTM A325 hanno una resistenza alla trazione minima da 150 a 120 kg per pollice quadrato (KSI), a seconda del diametro del bullone, mentre i bulloni A490 devono avere una resistenza alla trazione da 150 a 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 sottoposto a forze di taglio (quando un elemento tende a scorrere su un altro a causa di una forza applicata), possono verificarsi due situazioni. Bulloni o rivetti possono trovarsi ai lati dei fori, causando la loro rottura simultanea. La seconda possibilità è che l'attrito generato dalla forza di serraggio dei dispositivi di fissaggio precaricati sia in grado di resistere ai carichi di taglio. In questo caso non è previsto alcuno slittamento, ma è comunque possibile.
Un collegamento stretto è accettabile per molte applicazioni, poiché un leggero slittamento non può compromettere le caratteristiche del collegamento. 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, perché tutti i carichi successivi saranno della stessa natura.
L'inversione del carico viene utilizzata in alcune applicazioni, ad esempio quando gli elementi rotanti sono soggetti a carichi alternati di trazione e compressione. Un altro esempio è un elemento flessibile soggetto a carichi completamente invertiti. Quando si verifica un cambiamento significativo nella direzione del carico, può essere necessario un collegamento precaricato per eliminare lo scorrimento ciclico. Questo scorrimento, infatti, porta a sua volta a un maggiore scorrimento nei fori allungati.
Alcuni giunti sono soggetti a numerosi cicli di carico che possono causare fatica. Tra questi rientrano presse, supporti per gru e collegamenti nei ponti. I giunti a scorrimento critico sono necessari quando il collegamento è soggetto a carichi di fatica in direzione inversa. In queste condizioni, è fondamentale che il giunto non slitti, pertanto sono necessari giunti a scorrimento critico.
I collegamenti bullonati esistenti possono essere progettati e realizzati secondo uno qualsiasi di questi standard. I collegamenti a rivetto sono considerati a tenuta stagna.
Le giunzioni saldate sono rigide. Le giunzioni a brasatura sono più delicate. A differenza delle giunzioni bullonate, che possono slittare sotto carico, le saldature non devono allungarsi e distribuire il carico applicato in modo significativo. Nella maggior parte dei casi, i dispositivi di fissaggio meccanici saldati e quelli a cuscinetto non si deformano allo stesso modo.
Quando si utilizzano saldature con elementi di fissaggio meccanici, il carico viene trasferito attraverso la parte più dura, in modo che la saldatura possa sopportare quasi tutto il carico, con una minima condivisione con il bullone. Per questo motivo è necessario prestare attenzione durante le operazioni di saldatura, bullonatura e rivettatura. La norma AWS D1 risolve il problema della combinazione di elementi di fissaggio meccanici e saldature. La norma 1:2000 per la saldatura strutturale dell'acciaio, al paragrafo 2.6.3, stabilisce che per rivetti o bulloni utilizzati in giunzioni di tipo portante (ovvero dove il bullone o il rivetto funge da perno), gli elementi di fissaggio meccanici non devono essere considerati come elementi che condividono il carico con la saldatura. Se si utilizza la saldatura, questa deve essere progettata per sopportare l'intero carico nella giunzione. Tuttavia, sono ammessi collegamenti saldati a un elemento e rivettati o imbullonati a un altro elemento.
Quando si utilizzano elementi di fissaggio meccanici di tipo cuscinetto e si aggiungono saldature, la capacità portante del bullone viene in gran parte trascurata. Secondo questa disposizione, la saldatura deve essere progettata per trasferire tutti i carichi.
Questo è essenzialmente lo stesso di AISC LRFD-1999, clausola J1.9. Tuttavia, lo standard canadese CAN/CSA-S16.1-M94 consente anche l'uso autonomo quando la forza del fissaggio meccanico o del bullone è superiore a quella della saldatura.
In questo caso, tre criteri risultano coerenti: le possibilità di fissaggio meccanico del tipo a cuscinetto e le possibilità di saldatura non si sommano.
La sezione 2.6.3 della norma AWS D1.1 tratta anche le situazioni in cui bulloni e saldature possono essere combinati in un giunto a due parti, come mostrato in Figura 1. Saldature a sinistra, bulloni a destra. In questo caso è possibile tenere conto della forza totale esercitata da saldature e bulloni. Ciascuna parte dell'intero collegamento opera in modo indipendente. Pertanto, questa norma rappresenta 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, ad esso deve essere assegnato solo il carico statico esistente.
Le stesse regole prevedono che, se un rivetto o un bullone è sovraccaricato solo da carichi statici o soggetto a carichi ciclici (di fatica), è necessario aggiungere una quantità sufficiente di metallo 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 scorrimento tra gli elementi collegati. Tuttavia, sugli elementi di fissaggio meccanici possono essere applicati solo carichi statici. I carichi dinamici che possono causare uno scorrimento maggiore devono essere protetti mediante saldature in grado di sopportare l'intero carico.
Le saldature devono essere in grado di resistere a tutti i carichi applicati o dinamici. Quando i dispositivi di fissaggio meccanici sono già sovraccarichi, la ripartizione del carico non è consentita. In presenza di carichi ciclici, la ripartizione del carico non è consentita, poiché il carico può provocare slittamenti permanenti e sovraccarico della saldatura.
Illustrazione. Si consideri un giunto a sovrapposizione originariamente imbullonato saldamente (vedere Figura 2). La struttura aggiunge ulteriore resistenza e occorre aggiungere connessioni e connettori per raddoppiarla. La Figura 3 mostra lo schema di base per il rinforzo degli elementi. Come dovrebbe essere realizzato il collegamento?
Poiché il nuovo acciaio doveva essere unito a quello vecchio mediante saldature d'angolo, l'ingegnere ha deciso di aggiungere alcune saldature d'angolo in corrispondenza della giunzione. Dato che i bulloni erano ancora in posizione, l'idea originale era di aggiungere solo le saldature necessarie per 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 al momento non siano applicati carichi statici alla connessione. In questo caso, si applica il paragrafo 2.6.3 della norma AWS D1.1.
In questo tipo di giunto a cuscinetto, la saldatura e il bullone non possono essere considerati come elementi che si dividono il carico, pertanto la dimensione della saldatura specificata deve essere sufficientemente grande da sopportare tutto il carico statico e dinamico. In questo esempio, la capacità portante dei bulloni non può essere presa in considerazione, perché in assenza di carico statico, il collegamento si troverà in uno stato di gioco. La saldatura (progettata per sopportare metà del carico) si rompe inizialmente quando viene applicato il carico completo. Successivamente, il bullone, anch'esso progettato per trasferire metà del carico, tenta di trasferire il carico e si rompe.
Si supponga inoltre che venga applicato un carico statico. Si presume anche che il collegamento 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 resistere solo a carichi statici e carichi variabili generali maggiori. I carichi permanenti esistenti possono essere assegnati ai dispositivi di fissaggio meccanici esistenti.
Sotto carico costante, il collegamento non si flette. Al contrario, i bulloni sopportano già il loro carico. Si è verificato un certo slittamento nel collegamento. Pertanto, è possibile utilizzare le saldature, che sono in grado di trasmettere i 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 specifiche condizioni del secondo scenario, la risposta è sì.
Il solo fatto che venga applicato un carico statico non è sempre sufficiente per trarre una conclusione. Il livello dei carichi statici, l'adeguatezza dei collegamenti meccanici 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 Centro Tecnologico di Saldatura, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. Lincoln Electric produce apparecchiature e materiali di consumo per la saldatura in tutto il mondo. Gli ingegneri e i tecnici del Centro Tecnologico di Saldatura 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.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, telefono 610-832-9585, fax 610-832-9555, sito web www.astm.org.
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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