Giunti bullonati

Tratto da appunti di Tecnica delle Costruzioni. Da NTC 2018 Capitolo 4.2.8.1.

NB. Devo finire di correggere le notazioni:

f_u = f_{tk}

Classificazione dei collegamenti

Tipi di collegamenti

1. Collegamento a parziale ripristino di resistenza: in grado di trasmettere le caratteristiche di sollecitazione di progetto.
2. Collegamento a completo ripristino di resistenza: in grado di trasmettere le caratteristiche di sollecitazione ultime del meno resistente tra gli elementi collegati.

Tipi di collegamento

1. Collegamento con bulloni e chiodi
2. Collegamenti saldati

Resistenze da usare: sempre i valori ultimi (non quelli di snervamento):

• Bulloni: fub (ftbk nelle NTC 2018)
• Saldature: si dovrebbe usare fub (resistenza della saldatura); per comodità la si riporta a fu del materiale base

Collegamenti bullonati

I bulloni sono costituiti da:

• a) vite con testa esagonale e gambo filettato in tutta o in parte
• b) dado di forma esagonale
• c) rondella sia del tipo elastico che rigido (o rosetta)
• d) controdado (se necessario) per garantire che il dado non si sviti neanche in presenza di vibrazioni

Caratteristiche geometriche

• diametro (nominale): individuato dalla lettera M più il diametro in mm

• lunghezza: tale da assicurare l’attraversamento degli elementi da collegare; non eccessiva per evitare sprechi e necessità di tagliare i pezzi in eccesso
• lunghezza della parte filettata

Area nominale ed area resistente

La sezione si riduce in corrispondenza della filettatura.

Classe di resistenza

Sigla che individua le caratteristiche dell’acciaio: due numeri separati da un punto

• 1° numero: indica la tensione di rottura in MPa (divisa per 100: 4 → 400 MPa)
• 2° numero: indica il rapporto tra tensione di snervamento e di rottura (moltiplicato per 10: 6 → 0.6)

Bulloni non a serraggio controllato (§11.3.4.6.1). Agli assiemi Vite/Dado/Rondella impiegati nelle giunzioni ‘non precaricate’ si applica quanto specificato al punto A del § 11.1 in conformità alla norma europea armonizzata UNI EN 15048-1.

In alternativa anche gli assiemi ad alta resistenza conformi alla norma europea armonizzata UNI EN 14399-1 sono idonei per l’uso in giunzioni non precaricate.

Bulloni a serraggio controllato (§11.3.4.6.2). Agli assiemi Vite/Dado/Rondella impiegati nelle giunzioni ‘Precaricate’ si applica quanto specificato al punto A del § 11.1 in conformità alla norma europea armonizzata UNI EN 14399-1.

Diametri dei fori

Condiziona sia la facilità di montaggio della struttura che la sua deformazione:

• d diametro bullone
• d0 diametro foro
• d-d0 gioco foro-bullone

Fori calibrati: usati per limitare al massimo le deformazioni indotte dallo scorrimento del bullone nel foro

d-d_0 \le 0.3 \ mm

Distanze tra fori e foro-bordo

Limiti per le distanze minime, sia in direzione della forza trasmessa che perpendicolarmente.

Limiti per le distanze massime, sia in direzione della forza trasmessa che perpendicolarmente

Serraggio

Il serraggio è:

• importante per garantire un buon comportamento e limitare deformabilità
• fondamentale nelle unioni ad attrito

Forza di precarico:

F_{p,Cd}=0.7 \ A_{res} \ \frac{f_{tbk}}{\gamma_{M7}}

Modalità di comportamento

• Con bulloni sollecitati a trazione

• Con bulloni sollecitati a taglio (in alternativa ad attrito)

• Con bulloni sollecitati a trazione e taglio

Bulloni sollecitati a trazione

Meccanismi di rottura

• Rottura dei bulloni a trazione

• Punzonamento della piastra

1. Rottura dei bulloni a trazione

La tensione nel bullone per effetto della forza Ft è uniforme:

\sigma = \frac{F_t}{A_{res}}

dove A_res è l’area resistente del bullone

Il bullone si rompe quando la tensione sul bullone è pari a f_ub

F_{t,max} =A_{res} \ f_{ub}

F_{t,Rd} = 0.9 \ A_{res} \ \frac{ f_{ub}}{\gamma_{M2}}

La verifica a trazione risulta soddisfatta se:

F_{t,Ed} \le F_{t,Rd}

2. Punzonamento della piastra

La superficie di rottura è cilindrica con altezza tp e diametro dm

\tau = \frac{F_t}{ \pi \ d_m \ t_p}

Secondo il criterio di Von Mises la piastra si rompe quando la tensione ideale sulla giacitura di rottura è pari ad:

\sigma_{id} = \sqrt{ \sigma^2 + 3 \ \tau^2 } = \sqrt{3} \ \tau = f_u

Ovvero, la piastra si rompe quando la tensione tangenziale sulla giacitura di rottura è pari a:

\frac{f_u}{\sqrt{3}}

B_{p,max} = \pi \ d_m \ t_p \ \frac{f_{tk}}{\sqrt{3}}

B_{p,Rd} = 0.6 \ \pi \ d_m \ t_p \ \frac{f_u}{\gamma_{M2}}

• tp spessore della piastra
• dm diametro della giacitura di rottura

La verifica a trazione risulta soddisfatta se:

F_{t,Ed} \le B_{p,Rb}

Esempio collegamento bullonato

Determinazione di Ft,Rd

\begin{align*}
F_{t,Rd} &= 0.9 \ A_{res} \ \frac{f_u}{\gamma_{M2}}
\\
&= 0.9 \ 157 \ \frac{500}{1.25} \ 10^{-3}
\\
&= 56.5 \ kN
\end{align*}

Determinazione di Bp,Rd

\begin{align*}
B_{p,Rd} &= 0.6 \ \pi \ d_m \ t_p \ \frac{f_u}{\gamma_{M2}}
\\
&= 0.6 \ \pi \ 25 \ 5 \ \frac{360}{1.25} \ 10^{-3}
\\
&= 67.9 \ kN
\end{align*}

Verifica

F_{t,Ed} = \frac{N_{Ed}}{n_b}= \frac{100}{2} = 50.0 \ kN

F_{t,Ed} < F_{t,Rd} < B_{p,Rd}

Il collegamento è verificato!

Bulloni sollecitati a taglio

Meccanismi di rottura

1. Rottura dei bulloni a taglio

2. Rifollamento delle lamiere

1. Rottura dei bulloni a taglio

Il bullone si rompe quando la tensione tangenziale sul bullone è pari a:

\frac{f_{ub}}{\sqrt{3}}

F_{v,max} = A \ \frac{f_{ub}}{\sqrt{3}}

dove: A = area nominale del bullone

Se il piano di taglio non attraversa la parte filettata del bullone (per tutte le classi di bulloni):

F_{v,Rd} = 0.6 \ A \  \frac{f_{tbk}}{\gamma_{M2}}

Se il piano di taglio attraversa la parte filettata del bullone:

• bulloni classe 4.6, 5.6 e 8.8

F_{v,Rd}= 0.6 \ \frac{f_{tbk} \ A_{res}}{\gamma_{M2}}

• bulloni classe 6.8 e 10.9

F_{v,Rd}= 0.5 \ \frac{f_{tbk} \ A_{res}}{\gamma_{M2}}

• per i chiodi

F_{v,Rd}= 0.6 \ \frac{f_{trk} \ A_{0}}{\gamma_{M2}}

dove:

• A_res e l’area resistente del bullone
• A₀ indica la sezione del foro

Rifollamento delle lamiere

Si ottiene quando la tensione esercitata dal bullone sulla lamiera raggiunge il valore convenzionale k α fu

F_{b,max} = k \ \alpha \ d \ t_p \ f_u

dove:

• d Diametro del bullone
• tp Spessore della lamiera

F_{b,Rd} = k \ \alpha \ d \ t \ \frac{f_{tk}}{\gamma_{M2}}

Esempio collegamento bullonato

Determinazione di Fv,Rd

\begin{align*}
F_{v,Rd} &= 0.6 \ A \  \frac{f_{tbk}}{\gamma_{M2}}
\\
&= 0.6 \ 201 \  \frac{500}{1.25} \ 10^{-3}
\\
&= 48.2 \ kN
\end{align*}

Determinazione di Fb,Rd del piatto

k=2.5

\begin{align*}
\alpha &= min \bigg\{  \frac{e_1}{3 \ d_0} \ ; \ \frac{p_1}{3 \ d_0} - 0.25 \ ; \ \frac{f_{ub}}{f_u} \ ; \ 1 \bigg\}
\\
&= min \bigg\{  \frac{30}{3 \cdot 17} \ ; \ \frac{60}{3 \cdot 17} - 0.25 \ ; \ \frac{500}{360} \ ; \ 1 \bigg\}
\\
&= min \bigg\{  0.588 \ ; \ 0.926 ; \ 1.39 \ ; \ 1 \bigg\}
\\
&= 0.588
\end{align*}

\begin{align*}
F_{b,Rd} &= k \ \alpha \ d \ t \ \frac{f_{tk}}{\gamma_{M2}}
\\
&= 2.5 \ 0.588 \ 16 \ 10 \ \frac{360}{1.25} \ 10^{-3}
\\
&= 67.7 \ kN
\end{align*}

Verifica

\begin{align*}
F_{v,Ed} &= \frac{N_{Ed}}{n_s \ n_b}
\\
&= \frac{100}{2 \cdot 2} 
\\
&=25.0 \ kN < F_{v,Rd}
\end{align*}

\begin{align*}
F_{b,Ed} &= \frac{N_{Ed}}{n_b}
\\
&= \frac{100}{2} 
\\
&=50.0 \ kN < F_{b,Rd}
\end{align*}

Il collegamento è verificato!

Suggerimento progettuali – Dimensionamento

Progettare i bulloni in base alla resistenza a taglio:

• individuare il diametro massimo che si può usare (in base alle dimensioni dell’elemento da forare, ad esempio d<1/3*h profilato)
• stabilire classe e diametro dei bulloni
• determinare numero dei bulloni

Usare la verifica a rifollamento per definire la distanza minima tra i bulloni

• Controllare che siano soddisfatte le prescrizioni sulle distanze massime

Verifica di collegamenti bullonati Bulloni sollecitati a taglio e trazione

\frac{F_{v,Ed}}{F_{v,Rd}} +\frac{F_{t,Ed}}{1.4 \ F_{t,Rd}} \le 1

F_{t,Ed} \le F_{t,Rd}

dove:

• Fv,Ed sollecitazioni di taglio
• Ft,Ed sollecitazioni di trazione
• Fv,Rd Resistenza a taglio del bullone
• F_t,Rd Resistenza a trazione del bullone

Collegamenti bullonati ad attrito

Tutti i bulloni prima di lavorare a taglio devono superare la resistenza ad attrito. In genere ciò avviene per carichi bassi ed è quindi trascurato.

Lo scorrimento dovuto al gioco foro-bullone provoca deformazioni nella struttura. In genere queste sono accettabili, ma devono essere comunque verificate.

Se si vogliono evitare queste deformazioni si può progettare il collegamento in modo che non superi la resistenza di attrito:

• solo per SLE
• anche per SLU

Si usano in genere bulloni ad alta resistenza.

Resistenza ad attrito:

F_{s,Rd} = \frac{ n \ \mu \ F_{p,c} }{\gamma_{M3}}

dove:

• Fp,C forza di precarico
• µ coefficiente di attrito (da NTC 2018 §4.2.8.1):
  • μ = 0,5 superfici sabbiate meccanicamente o a graniglia, esenti da incrostazioni di ruggine e da vaiolature;
  • μ = 0,4 superfici sabbiate meccanicamente o a graniglia, e verniciate a spruzzo con prodotti a base di alluminio o di zinco. Superfici sabbiate meccanicamente o a graniglia, e verniciate con silicato di zinco alcalino applicando uno spessore dello strato di 50-80 um;
  • μ = 0,3 superfici pulite mediante spazzolatura o alla fiamma, esenti da incrostazioni di ruggine;
  • μ = 0,2 superfici non trattate.
• n numero di superfici di contatto