UNIVERSITA’ DELLA CALABRIA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN INGEGNERIA EDILE - ARCHITETTURA CORSO DI TECNICA DELLE COSTRUZIONI
COSTRUZIONI IN ACCIAIO
Prof. G. SPADEA A.A. 2013/2014 I Semestre
Tecnica delle Costruzioni - UNICAL - Dipartimento di Ingegneria Civile - Corso di Laurea in Ingegneria Edile - Architettura – AA 2013-14
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Acciaio è il nome dato ad una lega composta principalmente da ferro e carbonio, quest'ultimo in percentuale non superiore al 2,06%: oltre tale limite, le proprietà del materiale cambiano e la lega assume la denominazione di ghisa.
Il comportamento meccanico delle strutture metalliche è fortemente condizionato dalle proprietà del materiale acciaio, che presenta buona resistenza tanto a trazione quanto a compressione, oltre ad elevata tenacità ed adattabilità plastica.
La struttura in acciaio nasce dall’assemblaggio di pezzi monodimensionali (profilati) o bidimensionali (lamiere) prodotti per lo più in luogo diverso da quello di fabbricazione delle strutture.
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VANTAGGI Semplicità e maggior affidabilità di modellazione: in fase di calcolo strutturale, il comportamento statico delle membrature in acciaio non risente delle incertezze di comportamento dei materiali, esecuzione e modellazione, come avviene nelle costruzioni in c.a, quindi più bassi sono i valori dei coefficienti di sicurezza. Rapidità di esecuzione: realizzazione degli elementi strutturali in officina e montaggio in cantiere degli stessi. Re-impiego: possibilità di trasformazione delle strutture. Ottima risposta alle azioni dinamiche Elevato grado di efficienza
SVANTAGGI Instabilità Elevata deformabilità Degrado per corrosione Vulnerabilità maggiore nei confronti del fuoco
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Semplificazioni delle giunzioni rispetto al c.a.
Eccessive semplificazioni possono portare a strutture labili.
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PROVA DI TRAZIONE
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FORME E TIPI DEI PRODOTTI DA CARPENTERIA
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TIPI DI ACCIAIO
Per t minore o uguale a 40 mm le resistenze (snervamento) sono maggiori in quanto il processo di laminazione elimina eventuali difetti.
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S.L.U.
S.L.E.
(Cap. 4 NTC2008)
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CLASSIFICAZIONE DELLE SEZIONI
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CLASSIFICAZIONE DELLE SEZIONI
Le sezioni più comunemente usate in carpenteria metallica cioè IPE ed HE sono di classe 1
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CAPACITA’ RESISTENTE DELLE SEZIONI
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METODI DI ANALISI GLOBALE E RELATIVI METODI DI CALCOLO DELLE SEZIONI
(E) Elastico
(P) Plastico (EP) Elasto-plastico
(Cap. 4 NTC2008)
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RESISTENZA DI CALCOLO DEGLI ACCIAI DA CARPENTERIA
Per le verifiche di resistenza delle sezioni delle membrature, si adottano i fattori parziali
deve essere impiegato qualora si eseguano verifiche di elementi tesi nelle zone di unione delle membrature indebolite dai fori.
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VERIFICA DEL MATERIALE ACCIAIO IN CAMPO ELASTICO
Stato tensionale piano
CRITERIO DI
VON MISES
VALE SOLO IN CAMPO ELASTICO! La verifica in campo plastico richiede che si determini una distribuzione di tensioni interne “staticamente ammissibile”, cioè in equilibrio con le sollecitazioni applicate (N, M, T, ecc.) e rispettosa della condizione di plasticità.
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CRITERI DI RESISTENZA
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CRITERI DI RESISTENZA
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CRITERI DI RESISTENZA
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CRITERI DI RESISTENZA
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CRITERI DI RESISTENZA
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CRITERI DI RESISTENZA
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CRITERI DI RESISTENZA
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CRITERI DI RESISTENZA
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CRITERI DI RESISTENZA
Si determinano le tre tensioni principali:
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CRITERI DI RESISTENZA
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MEMBRATURE TESE
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TRAZIONE (S.L.U.)
Tensione costante
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Arco a tre cerniere
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FLESSIONE (S.L.U.)
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Per una sezione simmetrica, supponendo un materiale dotato di deformabilità illimitata
Sezione simmetrica Sezione non simmetrica
Rispetto a G si ha stessa area e stesso momento statico delle due parti di sezione
Rispetto a G si ha stesso momento statico. Rispetto ad H si ha stessa area delle due parti di sezione
Asse neutro elastico
Asse neutro plastico
Momento statico uguale a 0 rispetto all’asse baricentrico
Divide la sezione in due parti di area uguale
FLESSIONE (S.L.U.)
conservazione sezioni piane
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Supponiamo di considerare un materiale rigido plastico.
)()()( zsegnfsegnf yy
1
0
1
)(segn
per ε > 0
per ε = 0
per ε < 0
Il momento risultante delle tensioni plastiche risulta:
plyyyy
AA
y
A
y
A
pl WfSSfzdazdafzdazsegnfzdazM
)()(
z
yypl SSW Modulo di resistenza plastico della sezione Per sezioni simmetriche yy SS ypl SW 2
Il momento al limite elastico che produce lo snervamento della fibra più sollecitata è pari a:
Ey
y
yyl Wfz
IfM
maxWE è detto modulo di resistenza a flessione della sezione
FLESSIONE (S.L.U.)
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Applicazione: sezione rettangolare.
G 6
2bhWE
b
h
842
2bhhhbSy
La sezione è simmetrica e quindi l’asse neutro plastico passa per G
42
2bhSW ypl
y
5.16
4 2
2
bh
bh
W
W
Wf
Wf
M
M
E
pl
Ey
ply
yl
pl
In una sezione rettangolare il momento di completa plasticizzazione è il 50% maggiore del momento di
primo snervamento.
Per poter sviluppare l’intero momento plastico le sezioni devono raggiungere elevate curvature che
corrispondono ad elevate deformazioni. La notevole duttilità degli acciai impiegati nelle costruzioni garantisce
che il materiale sia in grado di sopportare le deformazioni richieste; tuttavia per deformazioni di compressione
non sempre questo è possibile a causa dell’insorgere di fenomeni di instabilità.
Instabilità Perdita di resistenza prima che il materiale abbia raggiunto la completa plasticizzazione
FLESSIONE (S.L.U.)
z
Per le sezioni a doppio T, tale rapporto dipende dagli spessori tw e tf e dal rapporto b/h. In generale tale
rapporto è circa 1,10.
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MEMBRATURE INFLESSE
CONFRONTO DELLA RESISTENZA A FLESSIONE AL VARIARE DELLA SEZIONE
Si vuole confrontare l’effetto del momento flettente considerando tre sezioni che hanno la stessa area ma diversa morfologia.
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Rispetto al valore del momento d’inerzia della sezione rettangolare si ha:
Questo implica che:
(30*403)/12
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e
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VERIFICHE DI RESISTENZA (S.L.E.)
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VERIFICHE DI RESISTENZA (S.L.E.)
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Con riferimento al diagramma approssimato delle tensioni tangenziali
VERIFICHE DI RESISTENZA (S.L.E.)
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VERIFICHE DI DEFORMABILITA’ (S.L.E.)
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VERIFICHE DI DEFORMABILITA’ (S.L.E.)
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VERIFICHE DI DEFORMABILITA’ (S.L.E.)
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Applicazione: verifica (S.L.U e S.L.E.) di una trave appoggiata
Pre-dimensionamento:
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Applicazione: verifica (S.L.U e S.L.E.) di una trave appoggiata
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MEMBRATURE COMPRESSE
Trave reticolare
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MEMBRATURE COMPRESSE
In generale una normale verifica di resistenza non si effettua praticamente mai, poiché il
comportamento di un’asta compressa è essenzialmente condizionato dal fenomeno dell’instabilità.
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MEMBRATURE COMPRESSE
Nelle verifiche classiche di resistenza abbiamo a che fare con condizioni di equilibrio stabile.
Questo non accade nel caso delle aste compresse snelle.
Per le colonne destinate a sopportare sforzi di compressione si adottano generalmente i profili
indicati di seguito.
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MEMBRATURE COMPRESSE
Problema dell’instabilità
x è la direzione di massima debolezza
Inflessione attorno all’asse y
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MEMBRATURE COMPRESSE
Problema dell’instabilità
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MEMBRATURE COMPRESSE
Problema dell’instabilità
E’ opportuno limitare la
snellezza al valore di 200 per le
membrature principali ed a 250
per le membrature secondarie
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MEMBRATURE COMPRESSE
Problema dell’instabilità
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MEMBRATURE COMPRESSE
Problema dell’instabilità
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MEMBRATURE COMPRESSE
Problema dell’instabilità
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MEMBRATURE COMPRESSE
Problema dell’instabilità
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Applicazione: verifica di una colonna compressa MEMBRATURE COMPRESSE
La curva di instabilità (considerando l’instabilità rispetto all’asse y-y) da considerare è la c con α=0,49
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Applicazione: verifica di una colonna compressa MEMBRATURE COMPRESSE
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Applicazione: verifica di una colonna compressa MEMBRATURE COMPRESSE
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TAGLIO
Consideriamo solo l’anima
Von Mises
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TAGLIO
bI
ST
x
xEdEd
*
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TORSIONE
Nel caso di presenza contemporanea di diverse azioni (S.L.U.) si rimanda al paragrafo 4.2.4.1.2 del D.M. 2008
TEd TEd
0
0
3 M
yk
Rd
fJT
bh /45.0
60.23
032
M
yk
Rd
fsT
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FATICA
Se N è basso la rottura
avviene per resistenza
Se N è alto la rottura
avviene per una tensione più
bassa di quella di
snervamento (rottura).
Variazione di tensioni nel tempo.
Analiticamente il problema viene risolto utilizzando le Curve di Whöler
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COLLEGAMENTI
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COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE
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COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE
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COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE
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COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE
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Nella prima fase, sotto l’azione della forza F, non si registrano spostamenti apprezzabili all’aumentare della
forza.
In corrispondenza di un certo valore Ft della forza, il comportamento cambia in maniera brusca e cioè lo
spostamento aumenta in maniera consistente, senza che la forza esterna aumenti.
A questo punto è stata superata la resistenza per attrito originata dalla forza di serraggio. L’incremento di
spostamento a forza costante si ferma quando la superficie del bullone viene a contatto con la parete interna
del foro nel quale è inserito.
Appena il bullone viene a contatto con la parete del foro, lo stesso inizia ad opporsi allo spostamento
relativo, non più per effetto dell’attrito ma per effetto del taglio, lavorando sostanzialmente come un perno.
Per ulteriori spostamenti relativi la forza applicata deve aumentare, fino ad arrivare ad un valore Fu oltre il
quale si ha la crisi definitiva dell’unione bullonata.
Quindi in sintesi si distinguono due fasi: nella prima fase il bullone lavora per attrito; nella seconda l’unione
bullonata lavora a taglio.
COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE
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COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE
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Verifiche delle unioni bullonate
COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE
(Unioni precaricate)
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Verifiche delle unioni bullonate
Una volta vinta la resistenza per attrito, in una unione bullonata possono
verificarsi i seguenti meccanismi di crisi:
1. rottura della lamiera per trazione;
2. rottura del bullone per taglio;
3. rottura per rifollamento;
4. rottura della lamiera per taglio.
COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE
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Verifiche delle unioni bullonate
COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE
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Verifiche delle unioni bullonate
COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE
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Verifiche delle unioni bullonate
COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE
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Verifiche delle unioni bullonate
COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE
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Verifiche delle unioni bullonate
COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE
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Verifiche delle unioni bullonate
COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE
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Verifiche delle unioni bullonate
I simboli in tabella fanno riferimento alla figura riportata nella slide successiva.
COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE
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Verifiche delle unioni bullonate
COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE
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Applicazione: dimensionamento e verifica di una unione bullonata
COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE
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Applicazione: dimensionamento e verifica di una unione bullonata
COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE
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Applicazione: dimensionamento e verifica di una unione bullonata
COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE
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Applicazione: dimensionamento e verifica di una unione bullonata
COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE
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COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE
Applicazione: dimensionamento e verifica di una unione bullonata
prec.)
prec.)
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COLLEGAMENTI: UNIONI BULLONATE Applicazione: dimensionamento e verifica di una unione bullonata
20 kN
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COLLEGAMENTI: UNIONI SALDATE
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COLLEGAMENTI: UNIONI SALDATE
Classificazione
(a) I collegamenti testa a testa, a T e a croce a piena penetrazione sono generalmente realizzati con
materiali d’apporto aventi resistenza uguale o maggiore a quella degli elementi collegati. Pertanto la
resistenza di calcolo dei collegamenti a piena penetrazione si assume eguale alla resistenza di progetto
del più debole tra gli elementi connessi. Una saldatura a piena penetrazione è caratterizzata dalla piena
fusione del metallo di base attraverso tutto lo spessore dell’elemento da unire con il materiale di
apporto.
(b) I collegamenti testa a testa, a T e a croce a parziale penetrazione vengono verificati con gli stessi
criteri dei cordoni d’angolo.
(c) Nelle giunzioni a cordoni d’angolo, il collegamento avviene mediante la realizzazione di cordoni di
saldatura attraverso i quali debbono passare le forze che le due parti, non direttamente collegate, si
scambiano.
Se il materiale di apporto ha caratteristiche meccaniche non inferiori a quelle dei pezzi collegati, le unioni
a completa penetrazione si trattano come se l’oggetto saldato fosse costituito da un unico elemento.
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COLLEGAMENTI: UNIONI SALDATE
Verifiche per le unioni a cordone d’angolo e a parziale penetrazione
Sezione di gola Sezione di gola
ribaltata
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COLLEGAMENTI: UNIONI SALDATE
Verifiche per le unioni a cordone d’angolo e a parziale penetrazione
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COLLEGAMENTI: UNIONI SALDATE
Verifiche per le unioni a cordone d’angolo e a parziale penetrazione
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COLLEGAMENTI: UNIONI SALDATE
Calcolo delle tensioni
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COLLEGAMENTI: UNIONI SALDATE
n
t
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COLLEGAMENTI: UNIONI SALDATE
n t
t n
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COLLEGAMENTI: UNIONI SALDATE
n t
n
n
t
t
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COLLEGAMENTI: UNIONI SALDATE
Sollecitazioni di torsione
Tecnica delle Costruzioni - UNICAL - Dipartimento di Ingegneria Civile - Corso di Laurea in Ingegneria Edile - Architettura – AA 2013-14
COLLEGAMENTI: UNIONI SALDATE
Sollecitazioni di torsione
t t La superficie resistente è una poiché su un lato
si ha trazione mentre sull’altro compressione,
che per il collegamento diventano azioni
tangenziali
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COLLEGAMENTI: UNIONI SALDATE
Sollecitazioni di torsione
M=Fxe
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COLLEGAMENTI: UNIONI SALDATE
Sollecitazioni di torsione
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COLLEGAMENTI: UNIONI SALDATE
Sollecitazioni di torsione