Bulloni a taglio

I sistemi costruttivi “innovativi” sono sempre più comuni nell’edilizia moderna. Dei sistemi costruttivi in acciaio non possiamo dire siano nuovissimi, ma certo è che per la loro riciclabilità sono ottimi candidati per svolgere il ruolo di strutture affidabili nella futura economia circolare.

I bulloni a taglio sono sicuramente ottimi ed economici sistemi di connessione, si prestano molto bene ad unire strutture prefabbricate in officina o nei centri di lavorazione rendendo il montaggio in opera incredibilmente veloce.

Riepiloghiamo qui come calcolarli e progettarli.

Il quadro normativo

Il D.M. 17 Gennaio 2008 (NTC18) ci ricorda che il bullone a taglio è un prodotto per il quale esiste una normativa europea armonizzata, la EN15048-1: i bulloni a taglio saranno quindi conformi a tale normativa.

In questo, la normativa italiana è coerente con il quadro europeo: sia gli eurocodici strutturali, sia la norma EN1090 (la norma di prodotto per la carpenteria metallica) richiamano per i bulloni a taglio la EN 15048

Qualcuno sostiene che il fatto che la norma EN15048-1 sia una norma armonizzata, ne rende la applicazione cogente al di là del fatto che sia citata nelle NTC18: tutti i produttori di bulloneria strutturale che vendano nella unione europea devono rilasciare un certificato di marcatura CE del loro prodotto secondo EN15048-1, senza esclusione alcuna!

La norma EN15048-1 dice che il bullone è l’insieme di

una vite ISO 4014 oppure ISO4017,
una rondella ISO 4032 e
un dado ISO 7089.

Come progettisti il nostro compito principale è scegliere la vite:

VITE ISO 4014 VITE ISO 4017

Nel seguito entreremo nel merito del processo di scelta e calcolo della vite.

I bulloni ISO 4014 sono anche detti “parzialmente filettati” o “lunghi”: ciò si riferisce al fatto che per rendere soggetta a taglio la sola parte non filettata è necessario talvolta un bullone significativamente più lungo del “pacchetto di serraggio”, cioè dello spessore totale che la vite dovrà stringere (nella figura sottostante cerchiamo di spiegare questa particolarità geometrica).

Il materiale del bullone si indica con una coppia di numeri separati da un punto: il primo indica la resistenza a rottura in centinaia di MPA ed il secondo indica approssimativamente a quale percentuale della rottura avviene lo snervamento. Ad esempio “8.8” indica rottura di 800 MPA e “snervamento” di 0.8*800 MPA. Non entreremo qui ulteriormente nel dettaglio, ma val la pena far notare che i bulloni sono costituiti da materiale fragile e non saldabile, generalmente.

I procedimenti di calcolo e di scelta del bullone da profilario qui descritti possono essere ripetuti utilizzando la scheda BOLTshear del software CalcS.

Verifiche di resistenza e dettaglio costruttivo

I giunti a taglio cedono fondamentalmente per 3 meccanismi:

Taglio nel bullone,
Rifollamento intorno al bullone nella piastra di collegamento,
Strappo di zone di lamiera che coinvolge i dintorni della area bullonata (tear block).

Parleremo qui dei primi due metodi di collasso, poiché il terzo modo di strappo riguarda la progettazione dell’intero giunto bullonato, piuttosto che il calcolo del singolo bullone, e per questo rimandiamo ad un'altra scheda descrittiva.

Verifica a taglio

La resistenza a taglio è una proprietà intrinseca del bullone, non dipende da quanti bulloni ci sono in un layout di bullonatura, o dallo spessore e qualità delle piastre collegate.

La norma non illustra per esteso questi concetti, ci fornisce semplicemente la formula per la resistenza a taglio per una singola sezione, nel caso che sia interessata una sezione filettata (Ares) o una sezione non filettata del gambo (A). L’Area resistente a trazione (Ares) di un bullone è inferiore all’area del gambo al lordo della filettatura (A). Nel caso di sforzi di trazione è Ares che va tenuta in considerazione, nel caso di sforzi di taglio possono essere considerate sia Ares, sia A. La seconda situazione non può aver luogo nel caso di viti ISO 4017: non ci sono infatti sezioni non filettate.

Verifica a rifollamento

La resistenza a rifollamento dipende dai valori geometrici degli interassi e1, p1, e2, p2 e dagli spessori e qualità delle piastre di giunto. Con riferimento alla figura 4.2.3 di NTC18 definiamo e1 l’interasse dei bulloni dal bordo in direzione della forza, p1 l’interasse tra bulloni in direzione della forza, e2 e p2 le quote analoghe in direzione perpendicolare alla forza.

La normativa fornisce la resistenza al rifollamento nella formula seguente, dopo aver condensato i parametri geometrici e1/d0, p1/d0, e2/d0, p2/d0 nel rapporto kα, il quale assume valore massimo 2,5.

Indicato con d0 il diametro del bullone, vale la pena notare che la dipendenza da tali parametri compare sempre nella forma e1/d0, p1/d0, e2/d0, p2/d0: cioè il rifollamento è funzione di quanti diametri i bulloni distano fra loro e dai bordi, indipendentemente dal valore del diametro.

Esempi pratici con CalcS

Nello sviluppo di CalcS ( Perchè CalcS? ) cerchiamo di rendere la progettazione di strutture e giunti in acciaio un compito più semplice, consentendo agli ingegneri di eseguire verifiche, valutare aspetti specifici fondamentali per la progettazione e di ottenere disegni di progetto dettagliati in modo veloce.

In questo documento descrittivo, useremo una sola scheda CalcS per fare verifiche sui bulloni, benchè CalcS sia invece pensato per fare progetti completi ed esecutivi di strutture complete.

Dopo aver installato CalcS ed averlo aperto…

Creiamo una scheda del tipo “BOLTshear”

Settiamo tutti i parametri in input, in particolare vedere la scheda BOLTshear
Calcoliamo la scheda appena creata chiedendone il report (nelle versioni DEMO si può usare il tasto calcola e poi esaminare la tabella in basso a destra, il report non viene creato)

Esaminiamo i risultati ottenuti per alcuni collegamenti esemplari, disponibili nella tabella in basso a destra nell’interfaccia di CalcS. Premendo il tasto a sinistra della tabella è possibile visualizzare i risultati in forma più estesa.

Verificato il bullone sia nel caso di ISO4014 che nel caso di ISO4017 CalcS sceglie automaticamente una geometria idonea dal profilario, e se sono stati precedentemente impostati i prezzi giusti per i vari articoli si trovano nei computi stime di prezzo precise e attendibili.

I prezzi dei bulloni possono infatti dipendere sia dal diametro, sia dalla lunghezza: per questo CalcS permette di settare un prezzo diverso per ogni specifico bullone.

Esempio di bullone che si rompe a taglio

Scelgo un bullone di uso tipico (8.8) e un materiale di buone caratteristiche per la piastra (S275). Scelgo valori di interassi e distanze dai bordi sufficientemente grandi, mi avvicino alla condizione di e1/d0=3, p1/d0=3.75, e2/d0=1.5, p2/d0=3.

ottengo:

Esempio di bullone che si rompe a rifollamento

Scelgo uno spessore per le piastre di collegamento di 4 mm, con uno spessore totale di serraggio di 24mm. Scelgo valori di interassi e distanze dai bordi sufficientemente grandi, mi avvicino alla condizione di e1/d0=3, p1/d0=3.75, e2/d0=1.5, p2/d0=3.

ottengo:

Notiamo che CalcS ha scelto un bullone M16 8.8 ISO4014 di lunghezza totale 60mm, per il quale la parte non filettata attraversa anche l’ultima piastra di spessore 4mm oltre la superficie di taglio (immagine sottostante). Ciò aumenta significativamente la resistenza a taglio (calcolo su A invece che su Ares) ed in questo caso la rottura avviene lato rifollamento.

Esempio di bullone che si rompe a rifollamento 2

Considero ora il caso di un coprigiunto su travi con ali molto piccole come negli IPE120. Avendo poco spazio ipotizzo dei bulloni M12 ad alta resistenza (8.8) tutto filetto per avere un margine di sicurezza. Lo spessore per le piastre di collegamento è scelto uguale allo spessore delle ali del profilo IPE (8 mm). Le distanze dai bordi sono ora fissate dalla geometria del profilo, ma rimane comunque.

Occorre notare che in questo profilo un bullone così grande richiede rondelle smussate particolari per evitare interferenze con il raggio di raccordo, e che la verifica sulla area netta del profilo (non oggetto di questo articolo) può risultare penalizzante rispetto a quella sulla area lorda. Per questo argomento, che riguarda la robustezza strutturale, rimandiamo ad uno dei nostri Corsi.

ottengo:

Esame critico del progetto: Note generali sull’esame dei disegni progettuali

Dopo aver mostrato alcuni esempi di calcolo, vogliamo fare alcune considerazioni che rendano “leggibili” i disegni esecutivi con un “occhio critico” da parte del progettista: tale esame è secondo noi importante e di fatto è anche una “validazione” del progetto dei giunti.

In generale, quando la geometria del giunto lo consente, si cerca di raggiungere un valore del rapporto kα piuttosto elevato, diciamo tra 2,0 e 2,5: il valore di 2,5 si ottiene quando si ha almeno e1/d0=3, p1/d0=3.75, e2/d0=1.5, p2/d0=3.

Cerchiamo di produrre una tabella (anzi, vedremo, due), che possano essere stampate su una pagina A4 e che sintetizzino per molti giunti comuni la resistenza dei bulloni in forma grafica.

Scelto il tipo e il diametro del bullone ed il materiale della piastra, qual è lo spessore critico della piastra tale che la Fb,Rd sia uguale alla Fv,Rd ? In altre parole, quale è lo spessore sufficientemente grande da rendere la verifica a rifollamento meno critica di quella a taglio?

Quando in un giunto i bulloni hanno interassi sufficientemente larghi (almeno e1/d0=3, p1/d0=3.75, e2/d0=1.5, p2/d0=3), allora la formula del rifollamento è molto più semplice:

Cioè se sono valide le condizioni di cui sopra il rifollamento non dipende più dalla geometria “nel piano” del giunto, ma solo dalla geometria “fuori piano” (cioè dallo spessore di rifollamento).

Per la definizione di spessore di rifollamento rimandiamo agli esempi sopra, val la pena notare che nel caso della connessione di due sole piastre (figura sottostante) esiste,

in un dato materiale, per una singola sezione di taglio, uno spessore critico oltre il quale il collasso del giunto è per taglio nel bullone, e dunque la resistenza non aumenta anche se si aumenta lo spessore delle piastre di collegamento. Nelle tabelle successive questo spessore critico è tabulato per diverse qualità del materiale base e del bullone.

Tabella 1 - Spessori critici di rifollamento per una sezione di taglio

Dall’utilizzo della tabella si può valutare in modo veloce e immediato se il giunto che si osserva abbia rottura lato bullone o lato piastra: se lo spessore è maggiore dello spessore critico, e gli interassi bulloni sono maggiori o uguali a quelli in figura, allora la crisi avviene per taglio. Se la crisi avviene per taglio, la resistenza si può leggere nella tabella sottostante. Se la crisi avviene invece per rifollamento, la resistenza si deduce dividendo la resistenza per taglio per la opportuna frazione dello spessore critico (ad esempio M20 8.8 in taglio su sezione filettata con piastre S235 spessore 5 sarà 5/6.5 volte meno resistente della resistenza a taglio ricavata dalla tabella sottostante, cioè Vrd=5/6.5 * 94080 N) .

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