POLITECNICO DI METODO DEL CALCOLO A ROTTURA: γ applicato alle azioni u amm s Q Q = γ...

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POLITECNICO DI TORINO

Corso 07CPBCD - Tecnica delle Costruzioni

COSTRUZIONI DI ACCIAIO

Introduzione al corso 2

A. CONSIDERAZIONI GENERALI Lo scopo della progettazione strutturale riguarda i seguenti aspetti: Resistenza (con adeguati margini di sicurezza ):

METODO DELLE TENSIONI AMMISSIBILI: applicato alle resistenze R

es ammm

=

METODO DEL CALCOLO A ROTTURA: applicato alle azioni u

amms

QQ =

METODO AGLI STATI LIMITE ULTIMI: S applicato alle azioni e m applicato ai materiali

dd RS ( ).etc,Q,GfS kQkGd = m

kd

RR

=

INCENDIO E FATICA

Efficienza funzionale

ACCIAIO: limitazione di deformazioni e spostamenti limitazione di vibrazioni ed oscillazioni (fastidiose e dannose per le finiture)

C.A.: limitazione delle tensioni limite nei materiali deformazioni, frecce fessurazione limitazione delle vibrazioni

Durabilit

ACCIAIO: misure protettive (pittura etc.), dettagli costruttivi C.A. Bassa porosit del calcestruzzo, adeguati ricoprimenti delle armature, dosaggio cemento.

Modalit operative Il DM 9.1.96 prevede la possibilit di seguire diverse modalit di verifica: - TENSIONI AMMISSIBILI secondo il DM 14.2.92 - STATI LIMITE allitaliana secondo il DM 9.1.96 - STATI LIMITE secondo gli EuroCodici (EC2 per il cls ed EC3 per lacciaio) purch vengano considerate le prescrizioni integrative e sostitutive presenti sul DAN (Documento di Applicazione Nazionale) riportato sul DM 9.1.96 E possibile anche seguire altri metodi di dimensionamento e verifica purch fondati su ipotesi teoriche e risultati sperimentali comprovati e che portino ad un livello di sicurezza non inferiore a quello prescritto dal DM.

Introduzione al corso 3

Per quanto riguarda le norme sui materiali occorre fare riferimento al DM 9.1.96 o alle norme UNI ed EN quando esplicitamente richiamate sul DM stesso.

Azioni di calcolo agli Stati Limite Le azioni sono definite nel DM del 16.1.96. Le verifiche vanno fatte agli stati limite ultimi e di esercizio. Le azioni vanno sommate in modo da ottenere la condizione di carico pi sfavorevole. Per gli stati limite ultimi

n

d G K P K Q 1K 0i Q iKi 2

F G P Q Q=

= + + + G = 1.4 (1.0 se a favore di sicurezza) P = 0.9 (1.2 se a sfavore di sicurezza) Q =1.5 (0.0 se a favore di sicurezza) 0i il coefficiente di combinazione Per deformazioni impresse con azioni significative I =1.2 (0.0 se a favore di sicurezza) Per gli stati limite di esercizio si devono considerare tre combinazioni di carico: - Combinazione di carico rara

n

d K K 1K 0i iKi 2

F G P Q Q=

= + + + - Combinazione frequente

n

d K K 11 1K 2i iKi 2

F G P Q Q=

= + + + - Combinazione quasi permanente

n

d K K 2i iKi 2

F G P Q=

= + +

Di seguito si riporta il prospetto del DM 9.1.96

Prove sul materiale e caratteristiche 4

B. COSTRUZIONI IN ACCIAIO

1. INTRODUZIONE La struttura in acciaio nasce dallassemblaggio di pezzi monodimensionali (profilati) o bidimensionali (lamiere) prodotti per lo pi in luogo diverso da quello di fabbricazione delle strutture.

Semplificazioni delle giunzioni rispetto al cemento armato

Fig. 1 La tendenza a semplificare le giunzioni pu portare a labilit del complesso.

Fig. 2 Altra caratteristica tipica delle strutture in acciaio la snellezza, che pu portare ad instabilit locali e di insieme. La maggior parte delle costruzioni metalliche sono state costruite con acciai laminati a caldo di forme e dimensioni standardizzate. Le lamiere vengono unite tra loro mediante bullonatura o saldatura (la chiodatura caduta in disuso).

Acciaieria Carpenteria (officina) Cantiere

Montaggio in opera

Costruzione di elementi strutturali

Produzione di profilati e lamiere

Vincolo mutuo tendenzialmente debole

cerniera (soluz. economica)

incastro (soluz. costosa)

Struttura labile Struttura controventata

Prove sul materiale e caratteristiche 5

La costruzione avviene in buona parte in officina (indipendenza dal clima), i montaggi e le solidarizzazioni alla struttura avvengono poi in opera. - Vantaggi: rapidit, elementi ripetitivi, uso ridotto di centine e leggerezza delle strutture - Svantaggi: costo di manutenzione elevato (vernici a base di silicone), vulnerabilit al fuoco

(necessit di materiali isolanti), elevata deformabilit, instabilit degli elementi strutturali (effetti locali e globali), aste imperfette, stati di coazione.

2. I MATERIALI Gli acciai da carpenteria sono leghe di ferro-carbonio con contenuto di carbonio compreso tra 0.17% e 0.22%, raffreddati lentamente, a temperatura ordinaria risultano costituiti da ferrite e da perlite. La composizione chimica comprende inoltre Mn = 0.6-1% ; Pmax = 0.035% ; Smax = 0.04% ; Si = 0.15-0.35% ; Ni = 0.7-1% ; Cr = 0.4-0.65% ; Mo =0.4-0.6% ; V = 0.03-0.08% ; Cu = 0.15-0.5% La determinazione delle propriet meccaniche degli acciai viene effettuata sperimentalmente su provette di forma e dimensioni unificate e su elementi strutturali (per la valutazione di stati di coazione ed imperfezioni).

2.1 Laminati a caldo Le lamiere si dividono in : - Lamierini: s < 1 mm - Lamiere sottili: 1 mm < s < 4mm - Lamiere medie: 4 mm < s 50 mm I profilati (dimensioni normalizzate) invece si dividono in: - IPN sezione ad I con ali rastremate - IPE, HEA, HEB, HEM sezioni ad I ed H con ali parallele (Euronorm) altezza max 620 mm - [, T, Z, L con lati uguali e disuguali - Tubi o profili cavi a perimetro tondo, quadro o rettangolare

Fig. 3 I profilati saldati hanno forma a doppio T (I) costituiti da lamiere con spessore tra i 16 ed i 26 mm ed altezze tra 300 e 1700 mm (denominazioni ISE, HSE, HSD, HSL, HSA, HSH, HSU) con caratteristiche geometriche fornite in appositi sagomari

Prove sul materiale e caratteristiche 6

Fig. 4 Infine le travi ibride che sono composte da acciai con caratteristiche diverse saldati insieme.

2.2 Laminati a freddo Si ottengono i cosiddetti profili sottili mediante piegatrici di lamiere e nastri di acciaio di spessore 3-4 mm

Fig. 5 Si ottengono lamiere grecate, ondulate, scatolate, che per danno problemi di corrosione ed instabilit locale. 2.3 Prove di trazione Dal materiale si preleva un saggio dal quale mediante lavorazione meccanica si ricava la provetta, in cui si nota una zona calibrata pi stretta e due zone esterne pi grosse, dette zone di afferraggio.

baSo =

4dS

2

o =

Lc

Lt

S

d

a

b

Lo

Fig. 6 Provetta di trazione

Prove sul materiale e caratteristiche 7

Lo = lunghezza tra i riferimenti Lc = lunghezza della parte calibrata Lt = lunghezza totale La provetta proporzionale ha lunghezza:

o

o o

L 5d per sezione circolare

L 5.65 S per altre sezioni

=

=

La lunghezza delle provette lunghe pari al doppio della lunghezza proporzionale. La lunghezza della parte calibrata risulta:

o c oL d 2 L L 2d+ < < + Nel caso di sezione rettangolare d il diametro del cerchio circoscritto. La velocit di applicazione del carico deve essere inferiore a 10 N/mm2/s. Dalla prova si ricavano informazioni sulle tensioni limite e sugli allungamenti: - fy: tensione di snervamento - f0,2 qualora gli acciai non presentino snervamento si determina la tensione di scostamento

dalla proporzionalit allo 0,2 % - ft: resistenza a trazione - A: allungamento a rottura:

u 0

0

L LA

L

=

ove Lu la lunghezza dopo rottura della base iniziale di lunghezza L0. Lu si ottiene accostando i due spezzoni.

Diagrammi tensione - deformazione - - Acciai normali

Fig. 7 Diagramma tensione deformazione acciai normali - Acciai extraduri o trattati termicamente Per questo tipo di acciai, che non presentano lo snervamento, si considera la tensione di scostamento dalla proporzionalit allo 0.2%

= N /A

= L /L oL u-L o

L oA =

= N /A rid

= N /A in iz

Prove sul materiale e caratteristiche 8

f t

L u-L oL o

f 0 .2

0 .2 %

A = = L /L o

= N /A in iz

Fig. 8 Diagramma tensione -deformazione Lallungamento a rottura A rappresenta la deformazione media riferita alla base Lo accostando i provini dopo rottura. Fino al raggiungimento del carico massimo la deformazione uniforme lungo tutto il provino. Raggiunto il carico massimo la deformazione aumenta notevolmente in una zona limitata dando luogo ad un restringimento della sezione evidente anche a occhio nudo, detta zona di strizione, . Nel grafico di fig. 9 , rappresentata in ordinata la deformazione locale lungo il provino prima della rottura.

max

media

Lu

Fig. 9. Deformazione nel provino prima della rottura Pertanto se la rottura avviene al centro della base di misura, lallungamento A dipende da L0, per valori crescenti di L0 lallungamento A diminuisce. Pertanto lallungamento A5 su una base di 5 diametri maggiore di A10 su una base di 10 diametri.

Prove sul materiale e caratteristiche 9

2.4 Prova di piegamento

E una prova di flessio