Acciaio strutturale
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Con acciaio strutturale si indica il tipo di acciaio (lega metallica fra ferro e carbonio) utilizzato come materiale da costruzione nel campo dell'ingegneria civile e adoperato per la realizzazione di:
- costruzioni metalliche: travi reticolari, tralicci, utilizzato come elemento strutturale portante;
- opere in calcestruzzo armato ordinario: acciaio da carpenteria;
- opere in calcestruzzo armato precompresso: acciaio da carpenteria per la cosiddetta "armatura lenta" ed acciaio da precompressione per cavi, barre, trefoli (pre-tesi e post-tesi).
In particolare la resistenza meccanica, la duttilità, la fragilità, la resistenza fisico-chimica e la durabilità dell'acciaio influenzano pesantemente lo specifico settore di impiego ideale.
Barre e profilati sono prodotti mediante laminazione.
Gli acciai da carpenteria hanno un contenuto di carbonio limitato, rispetto agli acciai speciali. Questo ne limita il valore del carico di rottura, ma in compenso ne aumenta la resilienza permettendo loro di essere resistenti agli urti, problema che però è presente negli acciai per cemento armato precompresso. Il basso contenuto di carbonio incrementa inoltra la saldabilità, intesa come la capacità di ottenere giunti saldati con caratteristiche analoghe a quelle del materiale base ed esenti da fragilità.
L'acciaio da carpenteria, utilizzato per le strutture in cemento armato viene montato, sottoforma di barre di vario diametro, all'interno di un cassero, legato con fil di ferro ed affogato nel successivo getto di calcestruzzo. Ha seguito la progressiva maturazione del conglomerato, di durata convenzionale pari a 28 giorni, in seguito alla quale la struttura è ufficialmente pronta ad assolvere pienamente le sue funzioni portanti.
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[modifica] Profilati commerciali
Per la realizzazione di strutture ed elementi portanti in acciaio si utilizzano una serie di profilati commerciali. Le fonderie infatti producono acciai da carpenteria seguendo precisi standard internazionali riguardo alla forma della sezione della barra; le più comuni sono:
[modifica] Sezioni a doppio T
Sono sezioni ottimizzate, ovvero quasi tutto il materiale esplica la sua resistenza sotto sollecitazione. Le prime applicazioni di profilati ottimizzati, una volta compreso che la semplice sezione rettangolare "sprecava" inutilmente materiale al centro, sono stati i binari.
- IPE (UNI_5398-64), acronimo di European Profile (I richiama la forma): sezioni aventi l'altezza dell'anima circa doppia la larghezza delle alette. Sono indicate dalla dicitura IPE e sono seguite da un numero che indica l'altezza in millimetri. Lavorano bene a flessione poiché gli sforzi maggiori sono concentrati nelle alette dove c'è la maggior parte del materiale. Sono utilizzate spesso come architravi (schema di "trave appoggiata"), rappresentano l'elemento portante in molti tipi di balconi (funzionamento a "mensola incastrata") e a volte hanno anche la funzione di pilastri. Un tempo, a causa dell'elevato costo del materiale e con disponibilità di manodopera, si lavorava in cantiere un IPE grande, tagliandola in diagonale e risaldandola creando una trave di lunghezza doppia a sezione variabile (con il massimo a metà). Oggi la situazione è esattamente opposta e quindi si tendono a ridurre le operazioni in cantiere prelevando le putrelle già pronte realizzate in officina.
- HE (UNI_5397-64), (European, H richiama la forma): sezioni con base circa uguale all'altezza. Sono indicate dalla dicitura HE, seguita da una lettera (A, B o M a seconda dello spessore - crescente - dell'ala che è comunque maggiore di quello dell'anima) e da un numero che indica l'altezza in millimetri. Sono molto usate come pilastri (raggio giratore d'inerzia maggiore rispetto all'equivalente IPE e quindi minor rischio di fenomeni di instabilità) e anche come travi, soprattutto in particolari tipi di solai.
[modifica] Angolari
- L (a lati uguali e diseguali): utilizzati - accoppiati con altri angolari tramite imbottiture e calastrelli - come elementi strutturali in travi reticolari ma sono usati anche come fazzoletti per bullonature nonché come piccoli sostegni e ancoraggi di telai o di elementi in legno.
[modifica] Altri
Esistono poi profilati scatolari, cruciformi, tubolari, a T e semplici tiranti e piatti in acciaio. Per ovviare a problemi strutturali si mettono in opera anche aste composte.
[modifica] Resistenza dell'acciaio
| Classe | Tensione di snervamento caratteristica |
| Fe 360/S235 | 235 MPa |
| Fe 430/S275 | 275 MPa |
| Fe 510/S355 | 355 MPa |
Nel dimensionamento del telaio oltre alla scelta del tipo di profilato e della sua sezione va determinata anche la classe di resistenza. Per questi profilati commerciali esistono tre categorie di acciai caratterizzati da altrettante sigle (il numero a destra di Fe indica il valore di resistenza a rottura).
La resistenza di calcolo da utilizzare nei dimensionamenti è ottenuta dividendo la resistenza caratteristica per opportuni coefficienti di sicurezza del materiale e di modello.
[modifica] Unioni
Le unioni dei profilati in acciaio sono elementi importanti per il progetto, poiché spesso rappresentano i punti deboli della struttura. Le più utilizzate sono unioni bullonate e saldate (esistono anche unioni chiodate).
[modifica] Bullonate
I bulloni utilizzati in carpenteria sono tabellati per classi secondo UNI EN 20898, specificate da due numeri con il primo indicante la resistenza massima a rottura diviso 100, e il secondo dato dal rapporto tensione di snervamento/tensione di rottura:
| Classe | Resistenza a taglio (fk,V) | Resistenza a trazione/compressione (fk,N) | Resistenza a snervamento (fy) | Resistenza ultima (ft) | Allungamento % (A%) |
| 4.6 | 170 MPa | 240 MPa | 240 MPa | 400 MPa | 22 |
| 5.6 | 212 MPa | 300 MPa | 300 MPa | 500 MPa | 20 |
| 6.8 | 255 MPa | 360 MPa | 480 MPa | 600 MPa | 16 |
| 8.8 | 396 MPa | 560 MPa | 640 MPa | 800 MPa | 12 |
| 10.9 | 495 MPa | 700 MPa | 900 MPa | 1000 MPa | 9 |
| 12.9 | 594 MPa | 840 MPa | 1080 MPa | 1200 MPa | 8 |
Questi valori caratteristici andranno divisi per un coefficiente di modello e uno di sicurezza del materiale per i calcoli di progetto.
Le classi 8.8, 10.9 e 12.9 sono dette ad alta resistenza e per esse viene effettuata solamente la verifica ad attrito tra le superfici di contatto della lamiera e del bullone, ovvero si verifica che la forza di serraggio dei bulloni renda efficace l'unione. Per tutte le altre classi si considera il tranciamento del bullone, lo strappo e il rifollamento della lamiera.
I diametri dei bulloni in genere variano dai 12 ai 30 mm (a due a due fino a 24 mm, poi 27 e 30); nel dimensionamento, a causa della loro filettatura, si considera un'area equivalente e non quella effettiva ricavabile dal diametro.
[modifica] Tipologie
Le unioni bullonate si dividono in due categorie:
- a flangia, usate tipicamente nei casi in cui il bullone è sottoposto prevalentemente a trazione.
- a coprigiunto, usate tipicamente nei casi in cui il bullone è sottoposto a taglio.
[modifica] Verifiche
Per la corretta messa in opera delle unioni bullonate occorre fare 4 tipi di verifica:
- verifica di resistenza a taglio o a tranciamento;
- verifica della pressione del foro o a rifollamento;
- verifica a rottura per trazione della piastra o a strappamento;
- verifica a rottura per trazione dei fori o a strappamento.
[modifica] Saldate
Un altro metodo per unire elementi in acciaio sono le saldature.
[modifica] Tipologie
Esistono due tipi di unione saldate:
- a completa penetrazione
- a cordoni d'angolo
[modifica] Verifiche
- Completa penetrazione: detto S la forza di trazione, b e t le dimensioni degli elementi, per la verifica si deve avere
- Cordoni d'angolo
