Tipi fondamentali di collegamenti per strutture intelaiate in acciaio
Gli edifici con struttura portante in acciaio richiedono la collaborazione di tecnici specializzati nella progettazione dettagliata delle strutture metalliche, al fine di garantire collegamenti strutturali robusti tra travi e pilastri, poiché è necessario gestire adeguatamente le forze strutturali. I collegamenti costruttivi tra coppie trave/pilastro possono essere realizzati mediante saldatura, bullonatura, rivettatura e giunzioni a perno o incernierate fisse. I saldatori possono fondere insieme i materiali d’acciaio per creare un percorso di carico vincolato in acciaio particolarmente resistente, soluzione desiderabile quando si rinforza una struttura contro il momento flettente. I bulloni entrano invece in gioco quando si richiedono strutture flessibili e mobili. Questi elementi di fissaggio strutturale, come i bulloni di classe 8.8, offrono notevoli vantaggi nel caso in cui gli appaltatori strutturali debbano effettuare aggiustamenti dei collegamenti in cantiere, aspetto particolarmente rilevante durante interventi di adeguamento antisismico o qualora i collegamenti strutturali non combacino perfettamente. I collegamenti rivettati sono considerati obsoleti e si riscontrano prevalentemente in strutture storiche; presentano tuttavia il vantaggio di resistere alle oscillazioni grazie al processo di formazione esclusivamente meccanico, privo di riscaldamento. I collegamenti a perno consentono una certa rotazione degli elementi strutturali, caratteristica fondamentale nei ponti per permettere l’espansione e la contrazione dovute alle variazioni termiche. I collegamenti fissi svolgono esattamente la funzione opposta rispetto ai collegamenti a perno, bloccando gli elementi strutturali in una posizione definita: ciò risulta essenziale per grattacieli progettati per resistere ai carichi laterali, al fine di garantirne la stabilità. Il loro valore estetico è importante, ma gli ingegneri strutturali devono tenere conto anche della facilità e rapidità di installazione, dei costi legati alla struttura e del livello previsto di manutenzione futura dell’opera.
Collegamenti saldati vs. collegamenti bullonati tra trave e colonna
La saldatura garantisce resistenza, un migliore controllo e piena conformità alla norma EN 1993-1-8
La saldatura tra trave e colonna nelle strutture in acciaio comporta un aumento della rigidezza complessiva e garantisce una migliore distribuzione dei carichi sull'intera struttura. I giunti saldati a completa penetrazione, se eseguiti correttamente, risultano più efficaci nel realizzare collegamenti solidi rispetto ai giunti realizzati con un numero di bulloni, soprattutto quando tali collegamenti sono soggetti a carichi costanti nel tempo. La norma EN 1993-1-8 è diventata un riferimento consolidato nel settore per numerose e valide ragioni. Tale normativa prevede l’impiego di personale qualificato, competente nei propri compiti e responsabilità, inclusa l’ispezione delle saldature. La maggior parte dei laboratori procede addirittura all’esecuzione di prove ultrasonore per identificare eventuali difetti nelle saldature. Questo tipo di saldature elimina i problemi associati all’uso dei bulloni (ad esempio il loro allentamento), ma la progettazione e la gestione in cantiere richiedono maggiore responsabilità e attenzione da parte degli operatori. In particolare, le variazioni climatiche che si verificano durante il processo di saldatura devono essere controllate.
Collegamenti bullonati: piastre di estremità, collegamenti a sedile e sistemi con piastra di rinforzo
Dal punto di vista dell’assemblaggio dei moduli, il collegamento bullonato offre i maggiori vantaggi nella costruzione di strutture in acciaio. Attualmente, i tipi di collegamento più diffusi e ampiamente accettati sono i seguenti tre:
- Collegamenti con piastra di estremità che consentono il trasferimento del momento dalla zona tesa inferiore a quella superiore o dalla zona compressa inferiore a quella superiore (e viceversa).
- Collegamenti a sedile che forniscono supporto verticale mediante l’uso di una o più staffe angolari inferiori.
- Sistemi di collegamento con piastra di rinforzo che permettono un assemblaggio più rapido in cantiere, con piano di taglio semplice.
La maggior parte dei sistemi, come descritto sopra, è progettata per raggiungere l’obiettivo di compensare le variazioni nelle tolleranze strutturali e le modifiche. Nei recenti test strutturali, le piastre terminali estese (EEP) hanno dimostrato un miglioramento fino al 15% nella resistenza al momento rispetto a quella osservata nelle configurazioni a filo.
Fattore di connessione: saldato / bullonato
Velocità di installazione: lenta (saldatura in cantiere) / rapida (pre-assemblata)
Flessibilità delle modifiche: limitata / flessibile
Complessità dell’ispezione: richiede prove non distruttive (NDT) / ispezione visiva
Resistenza alle vibrazioni: superiore / richiede dadi autobloccanti
Considerazioni progettuali per connessioni sicure ed economiche di telai in acciaio
Trasferimento dei momenti, duttilità ed efficienza del giunto
Le strutture con telaio in acciaio raggiungono prestazioni ottimali quando i collegamenti garantiscono un adeguato equilibrio tra trasferimento di momento e deformazione. Nei collegamenti rigidi, è necessario trovare un compromesso tra un'eccessiva deformazione e una distribuzione sufficiente dei carichi agli altri elementi della struttura. Nel caso di collegamenti cernierati, le esigenze sono addirittura più marcate, poiché tali collegamenti devono possedere un’adeguata flessibilità rotazionale per evitare concentrazioni di tensione che potrebbero causare rottura sotto carico. La duttilità riveste un’importanza fondamentale nella progettazione antisismica. È infatti richiesto che l’energia venga dissipata attraverso deformazioni controllate dei collegamenti fino a un modo di rottura predeterminato, qualora la struttura sia soggetta a scosse sismiche. L’efficienza complessiva dei collegamenti è direttamente correlata al costo complessivo della struttura. Una buona progettazione dei collegamenti consente di raggiungere le prestazioni richieste impiegando minori quantità di materiale, pur mantenendo la rigidezza necessaria. Non è insolito che la progettazione dei collegamenti costituisca una delle priorità principali per gli ingegneri strutturali, specialmente quando si richiede che la resistenza a momento del collegamento raggiunga il 90%, pur consentendone la rotazione. Ciò comporta tipicamente compromessi e scelte di bilanciamento tra diversi parametri prestazionali.
Documentazione per la progettazione e l'assemblaggio di sezioni a forma di H
Nell'assemblaggio in cantiere, il protocollo prevede di serrare i fissaggi ad alta resistenza fino a circa il 70% della coppia massima, garantendo un allineamento della trave entro un limite di L/500. Le strutture richiedono controventature temporanee fino a quando almeno il 75% dei collegamenti non ha raggiunto la piena resistenza. Ciò riduce al minimo i problemi sul campo, poiché il serraggio dei bulloni tende ad aggravare tali problemi qualora l’allineamento non sia corretto. Una distribuzione uniforme dei carichi attraverso la struttura garantisce prestazioni ottimali.
Domande frequenti
Quali sono i tipi di collegamento per le strutture intelaiate in acciaio?
Comunemente, i collegamenti sono classificati come saldatura, bullonatura, rivettatura e giunti a perno o fissi.
Qual è il vantaggio dei collegamenti saldati nelle strutture intelaiate in acciaio?
Il vantaggio dei collegamenti saldati risiede nell’aumento della rigidezza e, di conseguenza, in prestazioni migliori del profilo soggetto a carico, grazie alla buona distribuzione del carico sotto condizioni di carico uniforme prolungato.
Quali sono i vantaggi dei collegamenti bullonati nella costruzione in acciaio?
I vantaggi della configurazione con bulloni derivano dalla costruzione modulare, dalla flessibilità nella ri-configurazione e dalle tolleranze strutturali che facilitano le regolazioni in cantiere.
In che modo i principi di progettazione influenzano i collegamenti tra elementi strutturali nella costruzione in acciaio?
I principi di progettazione per le costruzioni in acciaio si concentrano sul bilanciamento del trasferimento dei momenti, della duttilità e dell’efficienza dei giunti, in modo che la costruzione sia sicura, duratura ed economica.