Il materiale:
Classificazione
In base al principale elemento metallico contenuto nella lega possiamo differenziare le leghe metalliche in ferrose e non ferrose.
L’evoluzione
Il processo evolutivo delle leghe ferrose è stato strettamente connesso alla possibilità di estrarre il metallo a temperature via via crescenti e di affinarne la composizione chimica controllando il tenore di carbonio.
La ghisa
La ghisa è ottenuta attraverso l’isolamento del materiale ferroso dai minerali di ferro, tramite processi di riduzione ad alte temperature in altoforno.
Vantaggi: buona resistenza alla corrosione; facile colatura in stampi.
Svantaggi: maggiore fragilità rispetto al ferro; scarsa resistenza a trazione.
Il ferro fucinato
Il ferro è ottenuto riducendo il tenore di carbonio attraverso insufflazione d’aria in forni a fucina (a basso fuoco) o in forni a riverbero con ossidi di ferro (pudellato).
Vantaggi: discreta resistenza alla corrosione; isoresistenza.
Svantaggi: duttilità limitata sopratutto alle basse temperature; qualità variabile.
L’acciaio
L’acciaio è ottenuto riducendo e controllando il tenore di carbonio attraverso l’affinazione della ghisa. Inoltre può essere ottenuto da rottami selezionati e portati a fusione in forni elettrici ad arco o ad induzione.
Vantaggi: alta resistenza; duttilità; qualità controllata.
Svantaggi: bassa resistenza a corrosione.
La nomenclatura dell'acciaio secondo la normativa europea EN10025 e secondo la normativa italiana UNI7070
Le indagini sperimentali
Le caratteristiche chimiche, fisiche e meccaniche dell’acciaio vengono determinate attraverso prove di laboratorio dette prove di qualificazione del materiale.
Le Prove di qualificazione consistono essenzialmente in:
Il legame costitutivo che si determina dalle prove a trazione è caratterizzato da:
Tratto elastico lineare: il comportamento del materiale è perfettamente elastico; al crescere della forza applicata aumenta proporzionalmente la deformazione;
Tensione di proporzionalità (fpk): limita il comportamento perfettamente elastico del materiale; superato tale valore il legame è ancora elastico, ma non più lineare. Tale tensione di proporzionalità è molto prossima a quella di snervamento e si considera in genere coincidente con quest’ultima;
Tensione di snervamento (fyk): caratterizza l’inizio dello snervamento, ossia un processo deformativo del materiale a carico pressoché costante; a partire da questo punto il materiale entra in campo plastico;
Incrudimento: fase in cui a piccoli incrementi di forza corrispondono grandi incrementi di deformazione.
Tensione di rottura a trazione (ftk): è la tensione massima che si raggiunge alla fine della fase di incrudimento. Superato tale valore il diagramma nominale presenta un andamento decrescente, per effetto del fenomeno della strizione della sezione del provino. Nella realtà, le tensioni medie sulla sezione continuano a crescere, per cui il diagramma tensione-deformazione reale risulta essere sempre crescente fino alla rottura.
Determinazione delle resistenze di progetto e dei modelli meccanici.
Il calcolo e la verifica di una struttura in acciaio vengono effettuati con riferimento alla resistenza di progetto del materiale. Tale resistenza si ottiene riducendo il valore caratteristico della resistenza allo snervamento del materiale mediante un coefficiente di sicurezza, o fattore di riduzione, il cui valore dipende dal metodo di calcolo utilizzato.
Nel Metodo delle Tensioni Ammissibili, il valore della resistenza di progetto, detta in questo caso “tensione ammissibile”, è ottenuto riducendo il valore caratteristico della tensione di snervamento del materiale mediante un coefficiente di sicurezza pari a 1,5. Il legame costitutivo del materiale è quindi di tipo elastico lineare e risulta limitato superiormente da tale tensione. Conseguentemente, il calcolo e la verifica della struttura si effettuano in campo elastico.
Nel Metodo Semiprobabilistico agli Stati Limite, la resistenza di progetto allo Stato Limite Ultimo (SLU) si ottiene riducendo il valore caratteristico della tensione di snervamento mediante un coefficiente di sicurezza variabile tra 1,05 e 1,1. Il legame costitutivo è, in questo caso, del tipo elastico-perfettamente plastico a duttilità illimitata ed il calcolo e la verifica della struttura avvengono in fase plastica. Di contro, in condizioni di esercizio (SLE), per la definizione della resistenza di progetto si adotta un coefficiente di sicurezza unitario ed il legame costitutivo risulta essere di tipo elastico lineare.
Altri legami costitutivi
In alternativa al classico legame elastico-perfettamente plastico a duttilità illimitata (legame di Pradtl) possono adottarsi all’occorrenza altri tipi di legami, quale ad esempio il legame elasto-plastico a duttillità limitata oppure quello di tipo elasto-palstico incrudente. Naturalmente in questi casi andranno opportunamente specificati i valori degli ulteriori parametri necessari alla definizione univoca del legame costitutivo (deformazione ultima, rapporto di incrudimento, etc.)
Criteri di resistenza
In presenza di tensioni tangenziali e, più in generale, di stati tensionali pluriassiali, si adotta generalmente il criterio di Von Mises per esprimere la condizione di crisi puntuale del materiale acciaio.
Tale criterio, in una condizione di taglio puro, fornisce un valore limite della tensione tangenziale pari a:
(τy=σy/√3)
Il problema della durabilità nelle strutture metalliche
Nell’ottica di perseguire politiche di sviluppo sostenibile nella gestione del patrimonio costruito, le tematiche riguardanti la durabilità delle costruzioni e l’ottimizzazione delle prestazioni durante l’intero ciclo di vita, sono, ad oggi, elementi fondamentali della progettazione strutturale. La durabilità è fortemente influenzata dal deterioramento indotto dalla corrosione atmosferica ed il suo controllo è un aspetto chiave per il progetto e la manutenzione delle costruzioni in acciaio. Infatti, nel caso specifico di un elemento fortemente corroso, per garantire che i requisiti di sicurezza e di affidabilità siano ancora soddisfatti, si rendono necessarie estensive e costose operazioni di manutenzione ed anche nel caso in cui la sicurezza non risulti compromessa, a causa del deterioramento nell’aspetto, si ha una notevole svalutazione del valore estetico ed economico del bene. Da un punto di vista strutturale, la corrosione di un elemento implica la perdita di una quantità di materiale; ciò si traduce generalmente in una riduzione di spessore degli elementi costituenti la sezione trasversale che comporta una diminuzione dell’area resistente e quindi delle prestazioni strutturali, sia in termini di resistenza che di rigidezza e duttilità. Una delle principali tecniche volte a proteggere il materiale dall’aggressione degli agenti atmosferici consiste nell’adozione di particolari rivestimenti o nell’applicazione di specifiche pitture. Nell’ambito dei rivestimenti metallici, lo zinco è il materiale che trova più facile e largo impiego. Naturalmente, la resistenza di un rivestimento a base di zinco è funzione delle condizioni ambientali e la sua durata è proporzionale allo spessore dell’elemento da proteggere. La verniciatura protettiva è un trattamento che consiste nell’applicazione di un film protettivo in uno o più strati sulla superficie metallica. In commercio ne esistono varie tipologie tra le quali ricordiamo, senza pretesa di completezza, quelle antiruggine contenenti pigmenti passivanti (minio di piombo) e quelle antivegetative usate su supporti a diretto contatto con l’acqua per difenderli dall’attacco della vegetazione.
Sistemi di protezione dell'acciaio: la verniciatura. Fonte: Seiesse Srl; Properties of Matter; Seiesse Srl; Fondazione Promozione Acciaio
L’acciaio è un materiale incombustibile e, se sottoposto a un carico da fuoco, non rilascia fumi o gas tossici. Tuttavia, il suo comportamento meccanico si modifica sostanzialmente con l’aumentare della temperatura. In particolare, la sua resistenza a rottura, la tensione di snervamento ed il suo modulo di elasticità degradano fortemente a partire da un valore di temperatura compreso tra i 350°C ed i 600°C.
I sistemi di protezione dell’acciaio contro il fuoco consistono principalmente nell’applicazione sulle membrature di vernici protettive o di rivestimenti, quali pannelli di cartongesso o intonaci specifici. In alternativa è possibile ricorrere a speciali sistemi come quello che prevede l’uso di profili strutturali cavi in acciaio all’interno dei quali circola dell’acqua con funzione di raffreddamento. Questo particolare sistema è presente, ad esempio, nell’edificio BushLane Office a Londra.
Metodologie di protezione dell'acciaio contro il fuoco. Fonte: n.4 School of Architecture at Waterloo; n.5 Fondazione Promozione Acciaio
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9. Le membrature inflesse e pressoinflesse: verifiche SLU e SLE
10. I collegamenti e le unioni elementari
11. Introduzione alle costruzioni in cemento armato
13. Stato limite ultimo per tensioni normali
14. SLU per tensioni normali: la flessione semplice
15. SLU per tensioni normali: pressoflessione
16. Stato limite ultimo per tensioni tangenziali
17. Stati limite di esercizio: fessurazione e controllo tensionale
19. La classificazione dei sistemi strutturali