Acciaio - Riassunto Tecnica delle costruzioni PDF

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Riassunti di tutte le lezioni del Prof Enrico Spagone ...

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ACCIAIO -Introduzione Le prime costruzioni a struttura metallica furono realizzate in Inghilterra a partire dal 1775, ponte in ghisa sul Severn a cinque archi affiancanti con profilo pressoché semicircolare e luce di 30 m; nei primi dell’Ottocento le costruzioni metalliche furono maggiormente impiegate nella realizzazione di ponti stradali e ferroviari, negli edifici civili o industriali con coperture di grande luce sostenute da colonne in ferro o ghisa. Dal 1850 l’uso strutturale della ghisa ebbe una notevole contrazione a vantaggio del ferro in grado di sostenere sforzi di flessione con maggior sicurezza. La realizzazione di opere sempre più complesse fu reso possibile sia dall’impiego di prodotti laminati sia dallo sviluppo di adeguati procedimenti di calcolo (La Tour Eiffel ne è il principale simbolo). A partire dal 1855 si ebbero le più importanti applicazioni agli edifici per merito della scuola di Chicago applicando sistematicamente la struttura intelaiata con travi e pilastri in profilati laminati, contribuendo alla nascita della moderna architettura degli edifici. L’Home Insurance Building e il Leiter Building sono i primi esempi significativi di edifici senza muri portanti. L’Acciaio è un materiale isotropo, omogeneo (proprietà meccaniche e tecnologiche costanti), duttile (elevata capacità deformativa) con un comportamento meccanico di tipo elastico-lineare ed un elevato rendimento meccanico. Vantaggi dell’acciaio: 1. Schemi di Calcolo: si avvicina meglio agli schemi di calcolo semplificati, ciò permette una più corretta schematizzazione del materiale, dei vincoli e del comportamento delle membrature. 2. Architettura: si presta maggiormente alla risoluzione di problemi statici complessi non limitando l’espressione architettonica. 3. Fondazioni: il suo limitato peso strutturale riduce il trasferimento degli sforzi alle fondazioni. 4. Trasformazione della struttura: si presta a trasformazioni sostanziali, eliminando o aggiungendo travi colonne e piani, con limitato impatto sulle parti rimanenti. 5. Comportamento Sismico: hanno una eccellente risposta alle azioni sismiche dovuta alla elevata duttilità, flessibilità e leggerezza. -Metodi Di Verifica Basi di calcolo:  I livello: analisi Elastico-Lineare  II livello: analisi Elasto-Plastica Basi Di Verifica:  I livello: Tensioni Ammissibili  II livello: SLE (stato limite elastico)  III livello: SLP (stato limite plastico)

-Caratteristiche Meccaniche L’Acciaio è una lega ferro-carbonio, quelli impiegati nella carpenteria metallica hanno un ridotto contenuto di carbonio 0.17% - 0.22% risultando così estremamente duttili (al crescere della percentuale di carbonio diminuisce la duttilità). Gli acciai comunemente usati per impieghi civili sono S235, S275 e S355 (fy,k 235 – 355 N/mm2 e Ɛt 20 – 30%) Definiamo inoltre:  Acciai ad elevato limite elastico: Valori di snervamento che raggiungono i 900 N/mm2 (Ex-Ten, Nicuage, T1).  Acciai Autopassivanti: Non richiedono protezioni contro la corrosione in quanto a contato con l’ambiente creano una patina che li preserva (Cor-Ten, It-Acor). In ambito strutturale la progettazione è svolta utilizzando i seguenti valori per i coefficienti che caratterizzano l’acciaio:  Densità g=7850 kg/m3  

Coefficiente di Poisson v=0.3 Modulo di Elasticità E=210000 N/mm2



Modulo di Elasticità Trasversale



Coefficiente di espansione termica lineare



G= ()

α=12x10-6per °C Caratteristiche meccaniche degli acciai impiegati per i prodotti laminati a caldo

Valori nominali della resistenza allo snervamento fyb e della resistenza a rottura per trazione fub per bulloni a) Relazione tensione-deformazione per materiali da carpenteria b) Schematizzazione del legame costitutivo per l’acciaio -Prove di Qualificazione dell’Acciaio 1. Prova di Trazione: (secondo UNI556) Dalla prova ricaviamo le seguenti informazioni:  La Tensione al Limite Elastico (Snervamento) fy e la corrispondente Deformazione Ɛy.  La deformazione di inizio Incrudimento Ɛh.  La Tensione di Rottura a Trazione fu e la relativa Deformazione Ɛu.  La Deformazione a Rottura Ɛt.  Fornisce i valori della forza di trazione e della variazione di distanza tra due punti di riferimento.  La tensione è valutata dividendo la forza di trazione per l’area del provino A0.  La deformazione è valutata dividendo la variazione di distanza per la distanza iniziale L0. 2. Prova di Resilienza: Ci fornisce la resistenza alla rottura fragile, Resilienza. La prova viene effettuata con il Pendolo di Charpy su dei provini predisposti con degli intagli standard. Il pendolo è lasciato cadere da un’altezza h0, rompe il provino e risale dal lato opposto ad un’altezza h. La quantità h0-h è proporzionale all’energia di rottura. La Resilienza è pari all’energia di rottura rapportata all’area di rottura. La relazione resilienza-temperatura permette di individuare la temperatura di transizione al di sotto della quale si ha un brusco decadimento della resilienza. 3.Prova di Durezza: Si determina la resistenza superficiale alla penetrazione, ed è possibile correlare tale durezza alla resistenza del materiale. Esistono diverse tipologie di prova che si differenziano per l’utilizzo di diversi penetratori; le prove più comuni sono 3:  BRINEL: si utilizza un penetratore di acciaio temperato di forma sferica con diametro di 5mm a cui si applica una forza progressivamente permanente al massimo valore per 10 -15 secondi.  VICKERS: si utilizza un penetratore a forma piramidale regolare a base quadrata la cui punta è in diamante sintetico.  ROCKWELL: si utilizza un penetratore a forma di sfera con diametro di 2mm o a forma di cono con punta in diamante, applichiamo prima una forza di piccola entità poi un forza stabilita per 5-10 secondi.

4.Prova di Piegamento: Si sottopone il provino a una deformazione plastica per flessione, piegandolo ad un angolo di 90° o più frequentemente ad un angolo di 180°. Tale prova ci consente di accertare l’attitudine del materiale a sopportare grandi deformazioni a freddo senza rompersi, ci fornisce indicazioni sulla duttilità del materiale. 5.Prova di Compressione Globale: Si effettua su tronchi di profilato sufficientemente corti cosi che non si verificano fenomeni di instabilità locale, si valuta il comportamento globale del materiale. 6.Analisi Chimica: Nell’acciaio sono presenti tracce di manganese (0.2-1%), silicio (0.1-0.5%) e fosforo e zolfo il cui contenuto non deve superare lo 0.034-0.05% per non rendere il materiale particolarmente fragile. L’ analisi chimica, effettuata con un quantometro che analizza lo spettro di emissione ottica emessa dal materiale stimolata tramite scintilla, determina qualitativamente e quantitativamente la composizione chimica, classifica con precisione l’acciaio e valuta il contenuto di ciascun legante. 7.Prova a Fatica: Determina le condizioni di rottura del materiale sottoposto a cicli ripetuti di carico. La fatica è legata a fenomeni di micro-deformazioni plastiche locali derivanti da cicli di sollecitazioni, per via di microintagli e/o discontinuità lo sforzo può superare localmente la resistenza allo snervamento anche se il carico esterno rimane globalmente al di sotto di esso. La prova è eseguita facendo ruotare il provino attorno al proprio asse con carico verticale appeso alla sua estremità, il carico varia con velocità medio alta ed andamento oscillante tra un max e un min. I provini usati hanno una forma a clessidra con raccordo molto ampio pre-criccati il cui diametro minimo non deve superare i 10mm. Per ogni livello di carico determiniamo il numero di cicli di carico e scarico che porterà a rottura il provino. -Criterio di Resistenza Hencky-Huber-Von Mises Ci fornisce le combinazioni delle tensioni effettivamente agenti dette Tensioni Equivalenti che possiamo confrontare con le Tensioni di Snervamento e/o Rottura del Materiale. Si avrà il cedimento della struttura quando le tensioni equivalenti raggiungo il limite di snervamento o di rottura seq ≥ fy.

-Processi Produttivi dell’Acciaio Laminazione a Caldo: L’acciaio viene riscaldato a 1200° e lavorato in laminati costituiti da cilindri lisci o scanalati. Sagomatura a Freddo: L’acciaio è sagomato tramite l’utilizzo di piegatrici costituite da cilindri sagomati con spessore di 3-4 mm. -Prodotti ottenuti dal Processo di Laminazione a Caldo Si dividono in Lamiere (Lamierini sp.≤ 1 mm, Lamiere Spesse sp. Oltre 50 mm), Tubi o Profili Cavi (sezione chiusa a perimetro tondo, quadrato o rettangolare) e Profilati (sezioni aperte a doppio T, angolari ad L, etc) Profilati Profilati a doppio T: Utilizzati come travi e colonne in strutture a telaio, si distinguono in due tipologie:  Profilati HE: sono divisi in 3 serie; Serie Normale HEB dove la larghezza dell’ala e pari all’altezza dell’anima, Serie Leggera HEA, larghezza ala diversa dall’altezza del anima(ala 300mm anima>300mm), e Serie Pesante HEM, larghezza ala diversa dall’altezza dell’anima, che si differenziano per spessori maggiori e altezze diverse. Il momento di inerzia in entrambe le direzioni hanno quasi lo stesso valore, il che rende i profili HE più adatti ad essere utilizzati come colonne (le colonne sono sottoposte a sforzo normale e momento flettente agente in entrambe le direzioni).  Profilati IPE: hanno la larghezza dell’ala pari alla meta dell’altezza dell’anima. Il momento d’inerzia ed il modulo di resistenza sono maggiori rispetto agli HE, il che li rende più convenienti in caso di aste soggette a flessione semplice. Il momento d’inerzia molto basso li rende inadatti a sopportare il momento flettente in due diversi piani e sono sensibili all’instabilità in un piano. Profilati a C e Angolari ad L: sono usati come aste di travature reticolari o aste di controventatura. Sono spesso accoppiati a due a due per conferire simmetria alla sezione e per comodità di realizzazione dei collegamenti. -Prodotti ottenuti da processo di Sagomatura a Freddo Con questo processo, mediante delle piegatrici, possiamo ottenere svariate forme di lamiere e nastri di acciaio con spessori di 3,4 mm, questi profilati sono anche detti profili sottili. I profili sottili così ottenuti consentono di sfruttare al massimo il materiale, ma la loro estrema sottigliezza richiama l’attenzione verso i fenomeni di corrosione e instabilità locale. -Profili Composti Chiodati, Bullonati, Saldati Profilati saldati a doppio T realizzati a partire da semplici lamiere sagomate a caldo con spessori ed altezze variabili e saldando due piatti direttamente all’anima. (hanno sostituito le analoghe travi chiodate).

-Tipologie Strutturali Edifici Multipiano: Un edificio multipiano deve resistere agli effetti dei carichi verticali (Gravità) ed orizzontali (Sisma e Vento), ed i sistemi base che lo costituiscono sono: Sistema di Fondazione, Ossatura e Solai di Piano. L’ Ossatura, o Telai Portanti, sono costituiti da elementi verticali detti colonne ed elementi orizzontali detti travi principali. I Sistemi di Fondazione, realizzati in cemento armato, assicurano un vicolo perfetto. I Solai di Piano devono resistere a carichi verticali e trasferiscono gli sforzi ai telai portanti, ciò avviene tramite l’interposizione di travi secondarie. I Telai Portanti si possono distinguere in tre tipologie in relazione al grado di collegamento degli elementi che lo costituiscono: 

Tipologia Strutturale: Telai non controventati Vi è l’assenza del sistema del controvento e la presenza di elementi di collegamento che trasmettono gli sforzi di taglio, quelli dovuti alla flessione e le azioni orizzontali in fondazione (telaio MRF). Telai Controventati Il Controvento è uno specifico sistema che trasmette in fondazione le azioni orizzontali dovuti dal vento, sisma o dalle imperfezioni strutturali. Realizzato in conglomerato cementizio armato detti nuclei scatolari, tipicamente sono il vano scala e/o il vano ascensore, pareti a taglio dette shearwalls o sistemi specifici in acciaio. Il controvento è progettato per resistere a: Azioni Orizzontali applicate direttamente al telaio, Azioni Orizzontali applicate direttamente al controvento, Effetti legati alle imperfezioni laterali (sia del controvento sia del telaio). La progettazione è semplificata in quanto il telaio è dimensionato per i soli carichi verticali mentre il controvento per le sole azioni orizzontali; nello specifico i Solai di Piano resistono ai carichi verticali e trasferiscono gli sforzi ai telai portanti, mentre i Controventi trasferiscono le sollecitazioni delle azioni orizzontali ai telai portanti. I telai con controvento si distinguono in: Telai con controventi concentrici CBF i controventi si incontrano in un punto che può anche non appartenere alla struttura, le forze orizzontali sono assorbite da questi elementi prevalentemente in regime di sforzi assiale. Telai con controventi eccentrici EBF i controventi non si incontrano in un punto e le forze orizzontali sono assorbite sia dal controvento sia dalla struttura per via della presenza di eccentricità con flessione a taglio nelle travi.



Stabilità Trasversale: Telai a Nodi Fissi Spostamenti trasversali sono tanto piccoli da poter risultare influenti sui valori delle azioni interne Telai a Nodi Mobili Spostamenti trasversali sono influenti sulle azioni interne Si parla di rilevanza degli effetti del secondo ordine sulla risposta strutturale in termini di spostamenti; gli effetti di secondo ordine sono non trascurabili quando costituiscono una frazione non inferiore al 10% di quelli conseguenti ad un’analisi del primo ordine. In termini pratici consideriamo una mensola con carico assiale N e trasversale F applicati in sommità; dalla configurazione indeformata risulta che lo spostamento trasversale d , calcolato in  campo elastico, vale 𝛿 = 𝐹ℎ 3𝐸𝐼 , mentre nella configurazione deformata valutiamo il momento  M alla base della colonna, che vale 𝑀 = 𝐹ℎ + 𝑁𝛿 = 𝐹ℎ + 𝑁 ∙ (𝐹ℎ 3𝐸𝐼 ) . Gli effetti del secondo ordine sono rilevanti se in riferimento alla sezione critica, massime  sollecitazioni, si ha 𝑁 ∙ 󰇡𝐹ℎ 3𝐸𝐼󰇢 > 0,1 ∙ (𝐹ℎ)



Grado di Collegamento tra travi e colonne Telai Pendolari Il giunto è schematizzabile come una cerniera quindi sono ammesse rotazioni relative senza trasmissione dell’azione flettente, risulta quindi necessario predisporre un sistema di controventamento (collegamenti resistenti a taglio). Telai Rigidi Il giunto non consente rotazione relativa tra trave e colonna, ma viene trasmessa l’azione flettente (collegamenti resistenti a taglio e flessione). Telai Semirigidi Ogni giunto consente la rotazione relativa ed allo stesso tempo trasmette l’azione flettente (collegamenti resistenti a taglio con parziale grado di vincolo alla flessione) Classificazione per rigidezza: Nodo Cerniera trave libera di ruotare rispetto alla colonna a cui è collegata. Nodo Rigido non c’è alcuna significativa rotazione relativa tra elementi collegati Nodo Semi-Rigido è una situazione intermedia dove il trasferimento del momento della trave alla colonna avviene per effetto di non trascurabili rotazioni relative

Classificazione per resistenza: Nodo Semplice o Cerniera non trasmette significativi momenti flettenti. Nodo a Completo Ripristino di Resistenza la resistenza del collegamento è superiore quindi il suo comportamento non è determinate ai fini della verifica strutturale. Nodo a Parziale Ripristino di Resistenza la resistenza del collegamento è inferiore quindi il suo comportamento deve essere assolutamente considerato nella verifica strutturale. Edifici Monopiano Industriali I sistemi di base si dividono in:  Sistemi Strutturali Trasversali  Arcarecci  Manto di Copertura  Sistemi di Controvento  Fondazioni I sistemi strutturali trasversali possono essere delle capriate che sono costituite da:  Correnti superiori e inferiori  Montanti e Diagonali  Collegamenti Esistono 6 tipi di capriate diverse: a)A Cesoia, b)Fink o Palancelau, c)Inglese, d)Warren, e)Pratt, f)Bowstring

-Membrature Tese Verifiche di Sicurezza Tutte le verifiche di resistenza e stabilità, in accordo con il metodo semi-probabilistico agli stati limite, sono riferite alle azioni interne valutate con le combinazioni di carico agli stati limite ultimi; mentre quelle di deformabilità e controllo delle vibrazioni sono riferite agli stati limite di esercizio. Dalle NTC2018 la Resistenza di progetto delle membrature Rd è uguale a: 𝐑 𝐝 =

𝑹𝒌

𝜸𝑴

Dove Rk è il valore caratteristico della resistenza delle membrature, si determina dai valori caratteristici delle resistenze dei materiali fyk e dalle caratteristiche geometriche degli elementi (dipende dalla classe della sezione) gM è il fattore parziale globale relativo al modello di resistenza adottato. Significato dei Coefficienti Parziali gM0: Resistenza di sezioni di qualunque classe. gM1: Resistenza di membri all’instabilità calcolata attraverso controllo diretto, utilizzato per valutare la stabilità degli elementi strutturali compressi, inflessi e presso-inflessi. gM2: Resistenza alla frattura di membri in tensione, in particolare è impiegato quando si eseguono verifiche di elementi tesi nelle zone di unione delle membrature indebolite dai fori NTC2018 Resistenza di progetto

Membrature Tese 

Dimensionamento delle Membrature: In presenza di uno sforzo assiali di trazione N applicato in corrispondenza del baricentro della sezione tutti i punti della sezione saranno sottoposti alla stessa Deformazione e e Tensione s. Lo sforzo normale N, equilibrio con lo stato tensionale interno, è pari alla risultante del diagramma delle tensioni: 𝐍 = ∫ 𝝈𝒅𝑨 = 𝝈 ∫ 𝒅𝑨 = 𝝈𝑨 Noti N e A possiamo ricavare la tensione 𝛔 =

∫ 𝜺𝒅𝒍 = 𝜺 ∙ 𝒍 = 𝑬𝑨 ∙ 𝒍 𝑵

𝑵 𝑨

la deformazione 𝛆 = 𝑬𝑨 e l’allungamento ∆𝐥 = 𝑵



Comportamento di una membratura ‘perfetta’ soggetta a trazione:



Problemi di Verifica: Noti lo sforzo normale e l’area della sezione, determiniamo la massima tensione (metodo delle tensioni) o lo sforzo normale resistente (SLU):  (massima tensione),   𝑵 = 𝑨 ≤ 𝜎 =  (𝑣 = 1.5)

1. Approccio alle Tensioni 𝛔 = 𝝈𝒎𝒂𝒙 = Verifica alle Tensioni Ammissibili 𝛔

2. Verifica allo stato limite ultimo SLU 𝑵𝑬𝒅 ≤ 𝑵𝑹𝒅 = Secondo le NTC2018

𝑵𝑬𝒅

𝑵𝒕,𝑹𝒅

𝑨∙𝒇𝒚

𝜸𝑴𝟎

(𝜸𝑴𝟎 = 𝟏. 𝟎𝟓)

≤ 𝟏 dove il rapporto tra NEd , azione assiale di progetto, e Nt,Rd ,

Resistenza di progetto a Trazione, deve essere minore o uguale a 1 

Membrature con fori Nel dimensionamento di tale membrature la presenza di fori genera: - Concentrazioni di Tensioni, prematuro attingimento della tensione di snervamento in corrispondenza delle fibre più sollecitate - Decremento di Capacità Portante, per la trasmissione della forza è efficacie solo la sezione d’area netta An definita come 𝑨𝒏 = 𝑨 ∑ 𝒅 ∙ 𝒕 ( d=diametro del foro; t=spessore dell’elemento) L’elevata Duttilità permette di ipotizzare che la distribuzione delle tensioni sia costante sulla sezione netta, trascurando i picchi di tensione sviluppati prima dello snervamento che verranno poi ridistribuiti.

La membratura può collassare per una frattura della sezione forata la cui area resistente è pari all’area netta, tale rottura è una rottura fragile avvenuta per effetto delle tensioni in assenza di

snervamento, intaglio: 𝑵𝒖 = 𝑨𝒏 ∙ 𝒇𝒖 . Per evitare la rottura fragile in corrispondenza della sezione forata compensiamo l’indebolimento dovuto ai fori applicando dei piatti saldati.



Effetto dei Collegamenti Eccentrici L’asse del collegamento deve coincidere con il baricentro della sezione, se ciò non avviene si genera uno stato tensionale aggiuntivo di flessione che può comportare una riduzione della capacità portante della membratura. Generalmente insorgono due distinte eccentricità: 

Eccentricità e1 Nasce un Momento Flettente 𝑴𝟏 = 𝑵 ∙ 𝒆𝟏 che comporta un incremento di flessione, il diagramma delle tensioni non è uniforme ed ha dei picchi di tensione nel lembo maggiormente teso. Per eliminare questa eccentricità disponiamo una coppia di profilati cosicché il baricentro del...