Università degli Studi di Padova - Facoltà di Ingegneria

Tesi di Laurea - Le unioni a martello bullonate: analisi critica dei metodi di calcolo

Relatore: Ch.mo Prof. R. Vitaliani - Laureando: L. Bortolossi - Anno Accademico: 1997/98

Nella tesi si è studiato il comportamento di un particolare tipo di unione bullonata. Tecnicamente viene definita come unione bullonata con copriflange ed angolari d'anima, ma in varie riviste viene indicata in maniera semplificata come “unione a martello bullonata” (data la forma del profilo utilizzato per il collegamento tra la trave e la colonna).

Nel caso in esame l'unione è costituita da: acciaio Fe430, trave H 600x178 (HEA 600), colonna H 400x288, martelli realizzati da profilo H 650x372, angolari L 150x150x20, bulloni M24 classe 8.8 (8 + 8 bulloni sulle teste dei martelli, 5 + 5 + 5 bulloni sugli angolari d'anima, 18 + 18 bulloni sulle ali della trave). Per il dimensionamento si è fatto riferimento alle: Norme CNR UNI 10011/85, D.M. LL.PP. 09/01/96, ASD Manual of Steel Construction AISC 9th ed. 1990. Sono state eseguite tutte le verifiche del caso con le seguenti condizioni iniziali: momento agente sul collegamento limitato al 75% del momento ammissibile per la trave, momento assorbito dai martelli pari al 95% del momento agente sulla trave, taglio assorbito dagli angolari d'anima pari al 75% del taglio agente sulla trave. La dimensione dei martelli è stata scelta in modo da garantire la possibilità di trasmettere il 75% del momento ammissibile per la trave, senza introdurre apprezzabili effetti leva sui bulloni. L'elevato numero di bulloni sulle ali della trave è necessario per garantire la trasmissione per attrito. Il modello agli elementi finiti è stato caricato con 16 incrementi e più precisamente:

Per lo studio del nodo nel suo insieme si è scelto di utilizzare il programma STRAUS Ver. 6.15, disponibile presso il Centro di Calcolo della Facoltà. Data la mancanza di un modello sperimentale di confronto, si è pensato di valutare approfonditamente il comportamento dei singoli elementi costituenti il nodo ed in particolare i bulloni.

Per prima cosa si è studiato un modello assialsimmetrico (Fig. 1) rappresentante la zona di applicazione del bullone. L'assialsimmetria è applicabile anche al bullone in quanto, pur essendo la testa esagonale, l'area di contatto fra il dado e la flangia è una corona circolare. Per rappresentare il contatto fra le flange si sono utilizzati degli elementi gap reagenti solo a compressione in modo da evitare qualsiasi compenetrazione, ma permettere l'eventuale distacco. Il carico è stato applicato sul gambo del bullone per mezzo di una tensione applicata al bordo degli elementi plate e si è determinato l'andamento delle tensioni di contatto fra le flange.

I risultati di tale modello sono stati utilizzati come base per la verifica del modello tridimensionale. Il criterio per la definizione della mesh (Fig. 2) è stato quello di raggiungere un ragionevole compromesso fra i tempi di calcolo dell'elaborazione ed i risultati che si ottenevano come andamento delle tensioni di contatto sulle flange. Si fa osservare come la mesh sia stata creata entro un modulo pari a tre diametri in modo da facilitare l'assemblaggio di più bulloni in serie. Inizialmente si è utilizzato un gambo di materiale ortotropo, in modo da definire delle caratteristiche meccaniche diverse per le varie direzioni principali. In particolare si è scelto di considerare un coefficiente di espansione termica diverso da zero solo lungo una direzione principale ed in tal modo risulta possibile applicare il preserraggio sui bulloni semplicemente sottoponendo il gambo ad una opportuna variazione di temperatura. Successivamente il gambo è stato sostituito con degli elementi beam colleganti fra loro il dado e la testa del bullone. Per risolvere il problema del contatto fra le flange si sono utilizzati sempre elementi gap reagenti a compressione.

A questo punto si è voluto valutare l'insieme flangia-bullone sotto carico. Per far ciò si è fatto riferimento a dei risultati sperimentali riportati nella rivista Costruzioni Metalliche (1/68 pag.1-14). In tali prove un bullone serrato veniva assoggettato a delle forze di trazione parallele al gambo per valutarne il comportamento. Sono stati costruiti due modelli (Fig. 3) con caratteristiche geometriche coincidenti con quelli sperimentali per verificare che un tale comportamento venisse correttamente rappresentato. Come si può notare la mesh relativa alla zona del bullone è rimasta invariata.

In (Fig. 4) sono rappresentate le tensioni e gli spostamenti al momento del distacco delle flange. I risultati numerici sono stati in seguito elaborati per permettere di ottenere il diagramma relativo al comportamento sotto carico dell'insieme flangia-bullone e presentano lo stesso andamento rispetto al caso sperimentale.

Il passo finale è rappresentato dalla costruzione del modello tridimensionale (Fig. 5) - (Fig. 6) del nodo. Come si può notare la mesh presenta la stessa maglia nella zona del bullone, mentre per semplificare il modello i dadi sono stati sostituiti da beam infinitamente rigidi che collegano a raggiera il beam centrale rappresentante il gambo, dotato di un opportuno coefficiente di espansione termica per consentire l'applicazione del preserraggio iniziale. I bulloni presenti sulla trave non sono stati modellati in quanto non vi sono apprezzabili forze agenti parallelamente all'asse degli stessi ed il foro quadrato viene utilizzato esclusivamente per modellare la mancanza di area sia sull'ala della trave che sul martello. Si è, infine, sfruttata la simmetria del nodo considerandone solo metà ai fini del calcolo.

In (Fig. 7) - (Fig. 8) - (Fig. 9) - (Fig. 10) sono rappresentati i contour relativi a spostamenti totali e tensioni di Von Mises per i passi di carico più importanti. Dai contour relativi allo spostamento, si nota come la trave abbia un centro di rotazione prossimo al punto di contatto fra il martello inferiore e la colonna. Presenta un buon comportamento fino al momento ammissibile per la trave, dopo di che si ha un cedimento dei bulloni del martello superiore. Dai contour relativi alla tensione di Von Mises è interessante notare il trasferimento del carico fra l'ala della trave e la flangia del martello.

Nella (Fig. 11) sono rappresentati gli andamenti della tensione di contatto in corrispondenza alla zona di collegamento del martello superiore. Si può notare come all'incremento del carico esterno vi sia una riduzione di tale tensione ed uno spostamento verso l'esterno, anche se di piccola entità.

In (Fig. 12)sono rappresentati vari diagrammi il primo dei quali rappresenta la forza di trazione e compressione a cui sono sottoposti i martelli. Tale forza andrà, come si è detto, a diminuire la compressione sulle flange ed a aumentare leggermente la trazione dei bulloni superiori. Dai valori di tali forze si può facilmente risalire alla quota di momento assorbita dai martelli, che resta comunque molto alta, con una leggera diminuzione quando inizia lo snervamento nei bulloni. Nell'ultimo diagramma è rappresentata la percentuale di momento assorbita dai martelli che, come si vede, rimane abbastanza stabile e prossima al valore ipotizzato nel dimensionamento.

La cosa interessante del modello è la possibilità di valutare in maniera abbastanza semplice quale sia lo stato tensionale presente nei bulloni ai vari passi di carico. In (Fig. 13)il diagramma in alto rappresenta le trazioni sui bulloni e si nota come quelli superiori entrino in crisi. Per i valori relativi al momento di dimensionamento, l'incremento della forza nei bulloni risulta abbastanza basso. Nel diagramma inferiore viene rappresentata la somma delle forze nei bulloni del martello superiore confrontata con il valore di trazione agente sui bulloni.

Per ultimo si riporta la legge costitutiva Momento-Rotazione per il collegamento (Fig. 14). Dato che non è stato schematizzato il possibile scorrimento, si è introdotto il valore limite al di sopra del quale il diagramma non ha più senso.