Collegamenti bullonati

Introduzione

In sostanza, i collegamenti bullonati trasferiscono le forze da uno o più elementi ad altri elementi e quindi alle fondazioni. Lo fanno per appoggio, trazione e, occasionalmente, per attrito. Sono adatti a quasi qualsiasi tipo di giunto. Tuttavia, nella maggior parte dei casi, la rigidezza risultante del giunto non viene riconsiderata nella progettazione complessiva, il che a volte non dovrebbe essere trascurato. I bulloni sono disponibili in una varietà di dimensioni diverse (vedi sotto) e classi (materiale del bullone), a seconda della normativa e della regione. In alcuni paesi (non lontanissimi), si ha accesso sia a dimensioni metriche che imperiali – il che può essere un'arma a doppio taglio! Come ho anche scoperto, esistono app per smartphone e video su YouTube che aiutano i progettisti e gli ingegneri...

Tornando ai miei corsi di strutture, uno dei primi collegamenti che abbiamo affrontato era un collegamento bullonato "semplice" tratto da un esempio di telaio portale in acciaio. Per far capire quanto tempo fa fosse, usavamo matita e carta millimetrata! I calcoli che ne seguivano non potevano occupare più di un foglio A4.

Come sono cambiate le cose!

In quei primi tempi, non avrei mai potuto immaginare i cambiamenti nei metodi e nel ragionamento – ma questo è un altro argomento, per un altro giorno e un altro articolo.

Collegamenti bullonati

La domanda cruciale è: un collegamento bullonato può mai essere considerato "semplice", anche se spesso viene descritto come tale? I collegamenti sono complicati (che ci piaccia o no) e ci vuole un ingegnere per comprenderli e progettarli. Esistono certamente forme "semplici" e sì – i collegamenti possono ancora essere progettati e verificati con metodi tradizionali, assolutamente, ed è da qui che ogni ingegnere strutturale dovrebbe iniziare il proprio percorso, ma esiste un modo migliore?

Esistono diversi modi per eseguire le progettazioni, ma molte opzioni semplificano eccessivamente il processo consentendo una finestra ristretta di applicabilità o ignorando effetti chiave – uno dei problemi più grandi è ancora l'affidamento sulle forze inviluppo e sugli effetti del carico non coincidenti.  È questa una semplificazione eccessiva che dovremmo davvero evitare? Probabilmente! Molte aziende hanno adottato una serie di fogli di calcolo, ma ciò solleva anche preoccupazioni riguardo alla verifica e al loro aggiornamento.

Ricordo anche di aver scritto le reazioni di estremità su un disegno basandomi solo sul taglio e su una combinazione di carico – sempre lasciando al carpentiere metallico il compito di progettare il collegamento :-). Quei giorni sono definitivamente finiti. Ma troppi ingegneri cercano di restare con i vecchi metodi e di mescolare il vecchio approccio con le normative e i metodi moderni – il che porta a collegamenti scadenti, inefficienti e sovradimensionati.

Pro e contro dei collegamenti bullonati

I collegamenti bullonati sono ottimi in quanto sono relativamente facili da installare, mantenere e ispezionare. Potrebbero non essere così economici da fabbricare come si pensa, poiché possono richiedere più materiale, presentano fori per bulloni (che costano di più) e maggiori concentrazioni di tensione. Possono anche causare problemi in cantiere (parlando per esperienza), dove i bulloni sbagliati (o nessun bullone) vengono inviati con la trave. In alcune situazioni, possono offrire al progettista una certa tranquillità poiché, invariabilmente, c'è una certa capacità aggiuntiva in un collegamento bullonato (se eseguito correttamente). Tuttavia, nessun collegamento è infallibile! Molti cedimenti sono stati attribuiti a dettagli di bullonatura scadenti – inseriti capovolti/assemblaggio errato del bullone per l'uso previsto. È quindi molto importante tenere in considerazione le regole di dettaglio e qualsiasi misura speciale dovrebbe essere annotata sui disegni/informazioni di produzione/montaggio.

Cercare di semplificare il processo scegliendo un collegamento "semplice" può spesso risultare in un giunto più costoso da fabbricare.  È forse giunto il momento di considerare il costo del materiale e la CO₂ più dei costi di progettazione...

Al contrario, man mano che i collegamenti bullonati diventano più complicati – sia per la geometria che per i carichi applicati, o entrambi – diventano ancora più difficili da progettare e sottoporre a verifica normativa. Un approccio semplice, eventualmente scomponendo un collegamento complicato in parti più semplici, non funzionerà.

Insidie progettuali

Ci sono molti possibili problemi che possono sorgere durante la progettazione di un collegamento, ma di gran lunga i più frequentemente riscontrati nel nostro helpdesk sono le "sorprendenti" forze di trazione nei bulloni quando nessuna forza di questo tipo viene applicata al bullone.

Da dove provengono queste forze di trazione e queste tensioni di trazione? Vi rimando a esaminare le forze di leva derivanti da piastre flessibili nel vostro progetto di giunto. Queste possono talvolta essere più gravose delle componenti di taglio! Come nota a margine, se volete vedere come queste possono influenzare il vostro progetto, provate ad aumentare il materiale in acciaio di diversi ordini di grandezza e (se lo fate per gradi), potete vedere che man mano che la flessibilità diminuisce, le forze nei bulloni tendono verso il risultato "atteso".

Un altro aspetto dei collegamenti bullonati che può verificarsi è quando sono richiesti collegamenti a scorrimento controllato o bulloni precaricati. Ciò non solo influisce sull'approccio progettuale, ma anche sui lavori in cantiere. Il collaudo e la certificazione di tali bulloni in cantiere è problematica e costosa. Da giovane ingegnere, mi fu detto di evitarli se possibile – mi chiedo perché?

Un bullone di solito passa attraverso un foro per bullone.  Questi sono denominati fori di gioco.  All'aumentare del diametro dei bulloni, aumenta anche il diametro del foro di gioco (o dovrebbe).  Inoltre, se viene applicato un trattamento superficiale o una preparazione della superficie, i giochi dovrebbero essere aumentati – la zincatura è un buon esempio in questo caso.

Ho menzionato all'inizio di questo articolo l'approccio con cui ho iniziato – una reazione di estremità da una semplice combinazione di carico, solitamente amplificata e poi arrotondata per eccesso. Questo potrebbe anche essere stato tabulato in base alle dimensioni di un elemento e alla sua capacità. Questo approccio è ancora in uso oggi in molti paesi e può portare a problemi nella progettazione dei collegamenti. Il problema è di equilibrio: bilanciare l'ingegneria con i dettagli risultanti. La progettazione strutturale si è evoluta e così anche il software utilizzato. In effetti, si potrebbe sostenere che una struttura non può essere progettata (in modo efficiente) senza software. Come utilizzare al meglio tutto questo software per modellare e progettare i vostri collegamenti bullonati?

L'approccio CBFEM

Come sfruttiamo in IDEA StatiCa la tecnologia alla base del CBFEM?  Questa metodologia è integrata in IDEA StatiCa Connection. I bulloni sono trattati come molle non lineari dipendenti. Ciò consente di modellare, calcolare e sottoporre a verifica normativa qualsiasi geometria di collegamento, con qualsiasi carico applicato. Inoltre, possono essere verificati la stabilità e altri effetti – dopotutto, è improbabile che l'approccio "semplice" sia sufficiente!

Uno degli argomenti spesso citati è che questo è un approccio da "usare un cannone per sparare a un passero". Tuttavia, nelle versioni recenti, stiamo rendendo ancora più semplice modellare e progettare collegamenti semplici utilizzando l'intelligenza artificiale, la programmazione visuale e i miglioramenti delle API, sfruttando la potenza dei nostri computer per ridurre il costo monetario e di CO₂ dei collegamenti semplici.

A questo si aggiunge la possibilità di estrarre gli effetti del carico/collegamenti da diverse importanti soluzioni FEA/BIM di fornitori come Autodesk, Trimble, CSi, Nemetshek, ecc., il che incide notevolmente sull'efficienza e sull'accuratezza poiché gli effetti del carico o il collegamento stesso vengono trasferiti a IDEA Connection tramite Checkbot – una sorta di hub per lo scambio di informazioni senza soluzione di continuità tra soluzioni diverse.

IDEA StatiCa Connection è il meglio di entrambi i mondi! Fornirà risultati accurati e verificabili che possono essere sottoposti a verifica normativa.

Una cosa è certa: non tratterò mai più un collegamento bullonato come semplice!