Vi siete mai chiesti perché alcune strutture in acciaio resistono alla prova del tempo mentre altre vacillano? Questo articolo esplora il mondo delle connessioni bullonate e saldate nelle strutture in acciaio, evidenziandone i vantaggi e gli svantaggi. Alla fine, capirete come queste connessioni influiscono sulla durata e sull'efficienza dei costi delle costruzioni in acciaio.
Le connessioni bullonate e saldate rappresentano i due metodi di assemblaggio predominanti nelle moderne strutture in acciaio e nei sistemi meccanici. Il presente documento offre un confronto completo di queste tecniche di connessione, analizzando i rispettivi vantaggi, limiti e applicazioni ottimali nel contesto della fabbricazione e della costruzione dell'acciaio.
L'integrità e le prestazioni delle strutture in acciaio si basano fondamentalmente sull'efficacia dell'unione di componenti discreti, come piastre e profili, in un insieme coeso. La scelta e l'esecuzione dei metodi di connessione in questi punti critici hanno un impatto significativo non solo sulla qualità strutturale, ma anche sull'efficienza dei costi e sulla realizzabilità del progetto. Di conseguenza, la progettazione dei collegamenti svolge un ruolo fondamentale nel determinare il successo delle strutture in acciaio in diversi settori.
Storicamente, le strutture in acciaio hanno utilizzato una vasta gamma di tecniche di giunzione, tra cui coppiglie, bulloni, rivetti e saldature. Tuttavia, l'evoluzione della scienza dei materiali, delle pratiche ingegneristiche e delle metodologie costruttive ha portato all'obsolescenza di alcuni metodi. In particolare, le connessioni con coppiglie e rivetti sono state progressivamente abbandonate nelle costruzioni in acciaio contemporanee a causa dei loro limiti di resistenza, efficienza e adattabilità. Per questo motivo, la presente analisi si concentrerà esclusivamente sui due tipi di connessioni dominanti nella moderna produzione di acciaio: i giunti bullonati e quelli saldati.
Esaminando in dettaglio questi metodi di connessione, il presente documento si propone di fornire a ingegneri, costruttori e responsabili di progetto preziose indicazioni per informare i processi decisionali nella progettazione e nell'assemblaggio di strutture in acciaio. Il confronto comprenderà fattori quali le prestazioni strutturali, la facilità di installazione, il controllo della qualità, le considerazioni sui costi e l'idoneità a diverse condizioni ambientali e di carico.
Le connessioni saldate si formano attraverso la fusione di un filo di saldatura e dei componenti da unire, utilizzando il calore generato da un arco elettrico. Quando il materiale fuso si raffredda e si solidifica, forma un cordone di saldatura che integra le parti separate in una struttura unificata.
Nelle moderne costruzioni in acciaio, le connessioni saldate sono il metodo di giunzione predominante. La saldatura ad arco manuale e la saldatura ad arco sommerso automatizzata (o semi-automatizzata) sono le tecniche più utilizzate nel settore.
Vantaggi
Le strutture saldate offrono diversi vantaggi rispetto alle connessioni bullonate:
(1) Eliminazione dell'indebolimento della sezione trasversale: I giunti saldati non richiedono la foratura, preservando l'integrità strutturale dei componenti. L'assenza di elementi di collegamento aggiuntivi semplifica la costruzione, con conseguente risparmio di manodopera e materiali. Questa economicità è uno dei vantaggi più significativi delle connessioni saldate.
(2) Migliori proprietà strutturali: Le strutture saldate offrono una tenuta superiore, un'elevata rigidità e un'eccellente integrità generale. Le geometrie complesse, come le connessioni a Y e a T tra tubi di acciaio, sono più facilmente realizzabili con la saldatura che con le connessioni bullonate o con metodi di giunzione alternativi.
Svantaggi
Nonostante i vantaggi, i giunti saldati presentano alcune sfide:
(1) Effetti termici: Le alte temperature coinvolte nel processo di saldatura possono alterare le proprietà del materiale nella zona termicamente alterata (ZTA).
(2) Problemi di qualità della saldatura: I cordoni di saldatura possono contenere vari difetti e il metallo di base adiacente alla saldatura può subire un infragilimento localizzato. Questi problemi possono portare a concentrazioni di tensioni e alla potenziale propagazione di cricche all'interno della struttura.
(3) Implicazioni sulla rigidità strutturale: L'elevata rigidità delle strutture saldate può facilitare la propagazione delle cricche nell'intero gruppo. Questa caratteristica, unita alla potenziale fragilità a bassa temperatura, richiede un'attenta considerazione nella progettazione e nella scelta dei materiali.
(4) Tensioni residue: Un raffreddamento e un ritiro non uniformi durante il processo di saldatura possono indurre tensioni residue all'interno della struttura. Queste sollecitazioni interne possono causare uno snervamento prematuro e localizzato sotto carico e ridurre la sollecitazione critica di instabilità negli elementi in compressione.
(5) Distorsione geometrica: L'espansione e la contrazione termica differenziale durante la saldatura possono provocare deformazioni residue, come la deformazione delle lamiere piane in acciaio.
Per mitigare queste sfide, è fondamentale implementare misure preventive durante le fasi di progettazione, fabbricazione e installazione. L'adesione allo standard nazionale "Quality Acceptance Specification for Steel Structure Engineering" è essenziale per l'ispezione e l'accettazione dei cordoni di saldatura.
Per garantire connessioni saldate di alta qualità è necessario un approccio completo, che comprende:
Affrontando questi fattori, è possibile ridurre in modo significativo il rischio di rotture di saldature fragili, ottenendo strutture in acciaio saldate più sicure e affidabili.
Le connessioni bullonate uniscono i componenti attraverso l'utilizzo di bulloni, un tipo di fissaggio. Esistono due tipi di connessioni bullonate: quelle standard e quelle ad alta resistenza.
I bulloni utilizzati nelle connessioni strutturali in acciaio sono classificati in due categorie principali: bulloni standard e bulloni ad alta resistenza. I bulloni standard hanno tipicamente teste esagonali e sono classificati come A, B e C, ciascuno con caratteristiche e applicazioni distinte.
I bulloni di grado C sono comunemente prodotti in acciaio Q235, utilizzando acciaio tondo laminato a caldo. Questi bulloni grossolani hanno requisiti relativamente blandi per la realizzazione dei fori, il che li rende ampiamente adottati nelle connessioni con bulloni standard in cui la precisione è meno critica.
I bulloni standard di grado A e B, invece, sono progettati con precisione e richiedono tolleranze di produzione più rigide sia per il bullone che per il foro corrispondente. Nonostante la qualità superiore, i bulloni standard vengono generalmente installati con chiavi manuali senza requisiti specifici di pretensione.
I bulloni ad alta resistenza nelle strutture in acciaio hanno un significato particolare. La loro installazione richiede chiavi appositamente progettate che assicurano una prescritta pre-tensione del bullone, che si traduce in una specifica pre-pressione sulla superficie di contatto delle piastre collegate. Questa pre-tensione è fondamentale per l'integrità strutturale e la capacità di carico della connessione.
Per ottenere i valori di pretensione richiesti, i bulloni ad alta resistenza sono fabbricati con acciai ad alta resistenza. È importante notare che i bulloni standard di grado A e B possono essere realizzati anche con acciai ad alta resistenza, ma sono comunque classificati come bulloni standard a causa del loro metodo di installazione e della mancanza di requisiti di pretensione.
I bulloni ad alta resistenza sono classificati in gradi di prestazione, con 8.8 e 10.9 che sono i più comuni nelle applicazioni strutturali. Questi bulloni sono tipicamente prodotti con acciaio a medio tenore di carbonio o acciaio legato, sottoposti a processi di trattamento termico (tempra e rinvenimento) per migliorarne le proprietà meccaniche.
I bulloni ad alta resistenza di grado 8.8 vantano una resistenza minima alla trazione (fub) di 800 N/mm², con un rapporto di resistenza allo snervamento di 0,8. I bulloni di grado superiore 10.9 offrono una resistenza ancora maggiore, con una resistenza alla trazione minima di 1000 N/mm² e un rapporto di resistenza allo snervamento di 0,9. Queste proprietà meccaniche superiori rendono i bulloni ad alta resistenza ideali per le connessioni strutturali critiche in cui sono essenziali un'elevata capacità di carico e la resistenza alla fatica.
Quando si scelgono i tipi di bulloni per le strutture in acciaio, gli ingegneri devono considerare fattori quali i requisiti di carico, il tipo di connessione, il metodo di installazione e le condizioni ambientali per garantire prestazioni ottimali e sicurezza dell'assemblaggio strutturale.
Le connessioni bullonate sono preferite nelle strutture in acciaio per la loro efficienza, semplicità e minore abilità rispetto alla saldatura. La loro frequenza di utilizzo è seconda solo a quella delle connessioni saldate. Le connessioni bullonate sono classificate in connessioni bullonate standard e ad alta resistenza, ciascuna ulteriormente classificata in base alle condizioni di sollecitazione: connessioni resistenti al taglio, resistenti alla tensione e connessioni combinate resistenti al taglio e alla tensione.
Le connessioni bullonate standard utilizzano in genere bulloni a filettatura grossa (grado C). La loro resistenza al taglio è determinata dalla resistenza al taglio dell'asta del bullone e dalla resistenza alla compressione della parete del foro, mentre la resistenza alla trazione dipende dalla capacità di trazione assiale del bullone. Queste connessioni sono utilizzate principalmente in componenti secondari non direttamente soggetti a carichi dinamici, come supporti, strisce di sfregamento, travi a parete, piccole capriate e strutture rimovibili. Per le connessioni in loco in cui i bulloni sono sottoposti a tensione, vengono comunemente utilizzati bulloni a filettatura grossa, grazie alla loro superiore resistenza alla trazione.
I bulloni a filettatura fine (grado A e B) sono utilizzati nelle connessioni convenzionali che richiedono un'elevata resistenza al taglio. Tuttavia, a causa della loro complessa fabbricazione, dei severi requisiti di installazione (spazio minimo tra bullone e foro) e del costo più elevato, sono spesso sostituiti da connessioni a frizione con bulloni ad alta resistenza.
I collegamenti a bullone ad alta resistenza condividono i requisiti di materiale, precarico e installazione con i collegamenti a frizione. La differenza fondamentale sta nel meccanismo di capacità portante finale. Dopo aver superato l'attrito, le piastre collegate scivolano l'una rispetto all'altra, provocando la rottura del bullone per taglio e compressione della parete del foro. Ciò comporta una maggiore capacità portante rispetto alle connessioni ad attrito, consentendo un risparmio di materiale. Tuttavia, la deformazione da slittamento dopo l'attrito limita la loro applicazione a strutture che sopportano carichi statici o indirettamente soggette a carichi dinamici. I requisiti di preparazione della superficie sono meno severi rispetto alle connessioni a frizione, in quanto richiedono solo la rimozione dell'olio e della ruggine incoerente.
Sebbene le connessioni di tipo cuscinetto abbiano prestazioni simili a quelle dei bulloni standard, il precarico sull'albero del bullone e l'uso di acciaio ad alta resistenza ne migliorano le prestazioni rispetto alle connessioni bullonate standard. Questo li rende un'opzione valida in applicazioni strutturali specifiche in cui è richiesta una maggiore capacità di carico senza la complessità delle connessioni di tipo a frizione.
Vantaggi delle connessioni bullonate:
Svantaggi delle connessioni bullonate:
Suscettibilità alla corrosione: L'interfaccia tra i componenti imbullonati può intrappolare umidità e detriti, accelerando potenzialmente la corrosione se non è adeguatamente sigillata o protetta.
Aumento della complessità di produzione: Richiedono la realizzazione di fori precisi nelle piastre, che devono essere allineati con precisione durante l'assemblaggio. Ciò aumenta i tempi di produzione, i costi e il potenziale di errore.
Requisiti di precisione più elevati: Le tolleranze strette sono essenziali per un corretto adattamento e per la distribuzione del carico, richiedendo misure di controllo della qualità più rigorose durante la fabbricazione e l'assemblaggio.
Riduzione della sezione trasversale: I fori dei bulloni indeboliscono la sezione trasversale effettiva dei componenti, compromettendo potenzialmente la loro capacità di carico e richiedendo una compensazione attraverso un aumento dello spessore del materiale o un rinforzo supplementare.
Complessità strutturale: Le parti collegate spesso richiedono la sovrapposizione o l'aggiunta di elementi di collegamento (ad esempio, piastre di rinforzo, angolari in acciaio), aumentando la complessità complessiva della struttura e il consumo di materiale.
Considerazioni sulla manutenzione: Le connessioni bullonate possono richiedere un'ispezione periodica e un nuovo serraggio a causa del potenziale allentamento sotto carichi dinamici o cicli termici, rendendo necessari protocolli di manutenzione continua.
Concentrazione delle sollecitazioni: I fori dei bulloni possono creare punti di concentrazione delle sollecitazioni, con potenziali problemi di fatica nelle strutture soggette a carichi ciclici.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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