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Raffaele Landolfo » 5.Introduzione alle costruzioni in acciaio


Introduzione alle costruzioni in acciaio

Il materiale:

  • dalla ghisa all’acciaio;
  • classificazione degli acciai da carpenteria;
  • indagini sperimentali:
    • prova a trazione;
    • prova di resilienza;
    • analisi chimica;
  • resistenze di progetto e modelli meccanici;
  • durabilità e sistemi di protezione;
  • la resistenza a fuoco.

Dalla ghisa all’acciaio

Classificazione
In base al principale elemento metallico contenuto nella lega possiamo differenziare le leghe metalliche in ferrose e non ferrose.

La classificazione delle leghe ferrose e non ferrose

La classificazione delle leghe ferrose e non ferrose


Dalla ghisa all’acciaio (segue)

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.

L’evoluzione delle leghe ferrose

L'evoluzione delle leghe ferrose


Dalla ghisa all’acciaio (segue)

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 ghisa

La ghisa

L’acciaio ed il ferro

L'acciaio ed il ferro


Classificazione degli acciai da carpenteria

Classificazione delle leghe ferrose in base alla composizione chimica

Classificazione delle leghe ferrose in base alla composizione chimica


Classificazione degli acciai da carpenteria (segue)

Classificazione delle leghe ferrose in base al processo di produzione

Classificazione delle leghe ferrose in base al processo di produzione


Classificazione degli acciai da carpenteria (segue)

La nomenclatura dell’acciaio secondo la normativa europea EN10025 e secondo la normativa italiana UNI7070

La nomenclatura dell'acciaio secondo la normativa europea EN10025 e secondo la normativa italiana UNI7070


Indagini sperimentali

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:

  • prove di trazione: consentono di determinare le caratteristiche meccaniche del materiale, la resistenza e la deformabilità;
  • prove di resilienza: consentono di misurare la tenacità dell’acciaio;
  • analisi chimiche: costituiscono un controllo sulla composizione chimica dell’acciaio, il cui scopo è quello di assicurare che la presenza percentuale di elementi non previsti nella lega non superi il valore percentuale fissato dalla normativa.
Finalità e tipologie delle prove sperimentali

Finalità e tipologie delle prove sperimentali

Diagramma di distribuzione gaussiana della probabilità

Diagramma di distribuzione gaussiana della probabilità


Indagini sperimentali: la prova a trazione

Preparazione dei provini per la prova a trazione

Preparazione dei provini per la prova a trazione


Indagini sperimentali: la prova a trazione (segue)

La prova a trazione

La prova a trazione


Indagini sperimentali: la prova a trazione (segue)

Meccanismo di collasso per trazione del provino in acciaio

Meccanismo di collasso per trazione del provino in acciaio


Indagini sperimentali: la prova a trazione (segue)

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.

Interpretazione della prova a trazione

Interpretazione della prova a trazione

Diagramma reale e diagramma nominale del legame σ-ε

Diagramma reale e diagramma nominale del legame σ-ε


Indagini sperimentali: la prova a trazione (segue)

Legame costitutivo a trazione

Legame costitutivo a trazione


Indagini sperimentali: la prova a trazione (segue)

Caratteristiche meccaniche

Caratteristiche meccaniche


Indagini sperimentali: la prova di resilienza


Indagini sperimentali: la prova di resilienza (segue)

Limiti di resilienza

Limiti di resilienza


Indagini sperimentali: l’analisi chimica

Descrizione dell’analisi chimica

Descrizione dell'analisi chimica


Resistenze di progetto e modelli meccanici

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.

Resistenze di progetto e modelli meccanici (segue)

Legami costitutivi e resistenze di progetto: MTA

Legami costitutivi e resistenze di progetto: MTA


Resistenze di progetto e modelli meccanici (segue)

Legami costitutivi e resistenze di progetto: MSSL

Legami costitutivi e resistenze di progetto: MSSL


Resistenze di progetto e modelli meccanici (segue)

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:
yy/√3)

Legami costitutivi dell’acciaio

Legami costitutivi dell'acciaio

Criterio di resistenza di von-Mises

Criterio di resistenza di von-Mises


Durabilità e sistemi di protezione

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.

Durabilità e sistemi di protezione (segue)

Classificazione dei fenomeni di corrosione

Classificazione dei fenomeni di corrosione


Durabilità e sistemi di protezione (segue)

Durabilità e prescrizioni normative

Durabilità e prescrizioni normative


Durabilità e sistemi di protezione (segue)

Sistemi di protezione dell’acciaio: la zincatura

Sistemi di protezione dell'acciaio: la zincatura


Durabilità e sistemi di protezione (segue)

Sistemi di protezione dell’acciaio: la verniciatura. Fonte: Seiesse Srl; Properties of Matter; Seiesse Srl; Fondazione Promozione Acciaio

Sistemi di protezione dell'acciaio: la verniciatura. Fonte: Seiesse Srl; Properties of Matter; Seiesse Srl; Fondazione Promozione Acciaio


La resistenza a fuoco

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.

La resistenza a fuoco (segue)

Variazione delle caratteristiche meccaniche dell’acciaio in relazione all’aumento della temperatura

Variazione delle caratteristiche meccaniche dell'acciaio in relazione all'aumento della temperatura


La resistenza a fuoco (segue)

Metodologie di protezione dell’acciaio contro il fuoco. Fonte: n.4 School of Architecture at Waterloo; n.5 Fondazione Promozione Acciaio

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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