Verifica normativa di bulloni e bulloni precaricati (EN)

Bulloni

La rigidezza iniziale e la resistenza di progetto dei bulloni a taglio sono in CBFEM modellate secondo il Cl. 3.6 e 6.3.2 della EN 1993-1-8. La molla che rappresenta la pressione e la trazione ha un comportamento bilineare forza-deformazione con rigidezza iniziale e resistenza di progetto secondo il Cl. 3.6 e 6.3.2 della EN 1993-1-8.

Resistenza di progetto a trazione del bullone (EN 1993-1-8 – Tabella 3.4):

\[ F_{t,Rd}=0.9 f_{ub} A_s / \gamma_{M2} \]

Resistenza di progetto a punzonamento della testa del bullone o del dado (EN 1993-1-8 – Tabella 3.4):

\[ B_{p,Rd} = 0.6 \pi d_m t_p f_u / \gamma_{M2} \]

Resistenza di progetto a taglio per piano di taglio (EN 1993-1-8 – Tabella 3.4):

\[ F_{v,Rd} = \alpha_v f_{ub} A_s / \gamma_{M2} \]

La resistenza di progetto a taglio può essere moltiplicata per il fattore di riduzione β_p in presenza di imbottitura (EN 1993-1-8 – Cl. 3.6.1. (12)), se questa opzione è selezionata nelle impostazioni normative.

Resistenza di progetto a rifollamento della piastra (EN 1993-1-8 – Tabella 3.4):

\( F_{b,Rd} = k_1 \alpha_b f_u d t / \gamma_{M2} \)    per fori standard

\( F_{b,Rd} = 0.6 k_1 \alpha_b f_u d t / \gamma_{M2} \)    per fori assolettati

Sfruttamento a trazione [%]:

\[ Ut_t = \frac{F_{t,Ed}}{\min (F_{t,Rd},\, B_{p,Rd})} \]

Sfruttamento a taglio [%]:

\[ Ut_s = \frac{F_{v,Ed}}{\min (F_{v,Rd},\, F_{b,Rd})} \]

Interazione taglio e trazione [%]:

\[ Ut_{ts}=\frac{F_{v,Ed}}{F_{v,Rd}}+\frac{F_{t,Ed}}{1.4 F_{t,Rd}} \]

dove:

• A_s – area della sezione resistente a trazione del bullone
• f_ub – resistenza ultima a trazione del bullone
• d_m – media delle dimensioni tra i vertici e tra i lati della testa del bullone o del dado, assumendo il valore minore
• d – diametro del bullone
• t_p – spessore della piastra sotto la testa del bullone/dado
• f_u – resistenza ultima dell'acciaio
• α_v = 0.6 per classi 4.6, 5.6, 8.8 e 0.5 per classi 4.8, 5.8, 6.8, 10.9
• \( k_1 = \min \left \{2.8 \frac{e_2}{d_0}-1.7, \, 1.4 \frac{p_2}{d_0}-1.7, \, 2.5 \right \} \) – fattore dalla Tabella 3.4
• \(\alpha_b = 1.0\) se la verifica a rifollamento con \(\alpha_b\) è disattivata nelle impostazioni normative; se la verifica è attivata, il valore di α_b è determinato secondo EN 1993-1-8 – Tabella 3.4: \( \alpha_b = \min \left \{ \alpha_d, \, \frac{f_{ub}}{f_u}, \, 1.0 \right \} \)
• \(\alpha_d = \min \left \{ \frac{e_1}{3 d_0}, \, \frac{p_1}{3 d_0}-\frac{1}{4} \right \} \)
• e₁, e₂ – distanze dal bordo nella direzione del carico e perpendicolarmente al carico
• p₁, p₂ – interassi dei bulloni nella direzione del carico e perpendicolarmente al carico
• F_t,Ed – forza di trazione di progetto nel bullone
• F_v,Ed – forza di taglio di progetto nel bullone
• γ_M2 – coefficiente di sicurezza (EN 1993-1-8 – Tabella 2.1; modificabile nelle impostazioni normative)

Le distanze dal bordo utilizzate per la resistenza a rifollamento dei bulloni devono essere pertinenti per geometrie generali di piastra, piastre con aperture, intagli, ecc.

L'algoritmo legge la direzione reale del vettore della forza di taglio risultante in un dato bullone e calcola quindi le distanze necessarie per la verifica a rifollamento.

Le distanze di estremità (e₁) e di bordo (e₂) sono determinate suddividendo il contorno della piastra in tre segmenti. Il "segmento di estremità" è individuato da un'ampiezza di 60° nella direzione del vettore della forza. I "segmenti di bordo" sono definiti da due ampiezze di 65° perpendicolari al vettore della forza. La distanza minima tra un bullone e un bordo nel segmento pertinente viene quindi assunta come distanza di estremità o di bordo.

L'algoritmo valuta tutte le piastre collegate dal bullone — le piastre di collegamento (ad es. una piastra di giunzione), le piastre dell'elemento (ad es. una flangia superiore) — e viene utilizzata la distanza minima.

Le distanze di interasse tra i fori dei bulloni (p1; p2) sono determinate ingrandendo virtualmente i fori dei bulloni circostanti della metà del loro diametro, quindi tracciando due linee nella direzione e perpendicolarmente al vettore della forza di taglio. Quando queste linee intersecano i fori dei bulloni virtualmente ingranditi, le distanze da questi bulloni sono considerate come p₁ e p₂ nel calcolo.

Se le linee non intersecano il bullone visivamente più vicino (anche se la linea manca il bullone di poco), questo bullone viene trascurato. Se le linee non intersecano alcun bullone, viene utilizzato un valore infinito.

Bulloni che collegano piastre sottili

Per bulloni che collegano piastre con spessore inferiore a 3 mm, si applicano le disposizioni della EN 1993-1-3, Tabella 8.4. 

Resistenza a rifollamento:

\[F_{b,Rd}=2.5\cdot \alpha_b \cdot k_t \cdot f_u \cdot d \cdot t /\gamma_{M2}\]

dove:

• \( \alpha_b=\min \left \{ 1.0, e_1/(3d) \right \} \)
• \(k_t = (0.8 t+1.5)/2.5 \) per 0.75 mm \(\le t \le\) 1.25 mm; \( k_t=1.0 \) per \(t>1.25\) mm
• \(f_u\) – resistenza ultima della piastra collegata
• \(d\) – diametro del bullone
• \(t\) – spessore della piastra collegata
• \(\gamma_{M2}\) – coefficiente parziale di sicurezza per i collegamenti, modificabile nelle impostazioni normative; per impostazione predefinita \(\gamma_{M2}=1.25\)

La resistenza a taglio, la resistenza a trazione, l'interazione tra trazione e taglio e la resistenza a punzonamento sono determinate secondo EN 1993-1-8 – nello stesso modo dei bulloni che collegano piastre con spessore superiore a 3 mm.

Campo di validità:

\[e_1 \ge 1.0 d_0 \]

\[p_1 \ge 3 d_0 \]

\[e_2 \ge 1.5 d_0 \]

\[p_2 \ge 3 d_0 \]

\[ f_u \le 550 \textrm{ MPa} \]

\[3 \textrm{ mm} > t \ge 0.75 \textrm{ mm} \]

Dimensione minima del bullone: M6 – verificata come \(d \ge 6\) mm

Classi di resistenza dei bulloni: 4.6 – 10.9 – verificata come \(f_u \le 1000\) MPa

I bulloni saranno contrassegnati come non verificati se si trovano al di fuori del campo di validità.

Bulloni precaricati

Resistenza di progetto allo scorrimento per bullone di classe 8.8 o 10.9 (EN 1993-1-8, Cl. 3.9 – Equazione 3.8):

\[ F_{s,Rd} =\frac{k_s n \mu (F_{p,C} - 0.8 F_{t,Ed})}{\gamma_{M3}} \]

Il precarico (EN 1993-1-8 – Equazione 3.7)

F_p,C = 0.7 f_ub A_s

Il fattore della forza di precarico 0.7 può essere modificato nelle impostazioni normative.

Sfruttamento [%]:

\[ Ut_s = \frac{V}{F_{s,Rd}} \]

dove:

• A_s – area della sezione resistente a trazione del bullone
• f_ub – resistenza ultima a trazione
• k_s – coefficiente (EN 1993-1-8 – Tabella 3.6; k_s = 1 per fori rotondi normali, k_s = 0.63 per fori assolettati)
• μ – fattore di attrito modificabile nelle impostazioni normative (EN 1993-1-8 – Tabella 3.7)
• n – numero di superfici di attrito. La verifica è calcolata separatamente per ciascuna superficie di attrito
• γ_M3 – coefficiente di sicurezza (EN 1993-1-8 – Tabella 2.1; modificabile nelle impostazioni normative – i valori raccomandati sono 1.25 per lo stato limite ultimo e 1.1 per lo stato limite di esercizio)
• V – forza di taglio di progetto nel bullone
• F_t,Ed – forza di trazione di progetto nel bullone

Se lo scorrimento dei bulloni precaricati è verificato allo stato limite di esercizio, essi devono essere successivamente impostati su "rifollamento – interazione trazione/taglio" e verificati allo stato limite ultimo.

Progettazione antincendio

Si assume che i bulloni precaricati scorrano, pertanto le verifiche dei bulloni a rifollamento e dei bulloni precaricati sono le stesse.

Le verifiche in condizioni di incendio e a temperatura ambiente vengono entrambe eseguite e il minimo viene selezionato come resistenza di progetto al carico.

A temperatura elevata, i bulloni sono verificati secondo EN 1993-1-2, Allegato D. Si noti che l'area ridotta dal filetto è sempre utilizzata nella verifica a taglio secondo D1.1.1.  

Dettagli costruttivi

Le verifiche dei dettagli costruttivi dei bulloni vengono eseguite se l'opzione è selezionata nelle impostazioni normative. Vengono verificate le dimensioni dal centro del bullone ai bordi della piastra e tra i bulloni. La distanza dal bordo e = 1.2 e l'interasse tra bulloni p = 2.2 sono raccomandati nella Tabella 3.3 della EN 1993-1-8. L'utente può modificare entrambi i valori nelle impostazioni normative.

Viene verificato lo spessore minimo delle piastre collegate da bulloni. Lo spessore della piastra deve essere superiore a 0.75 mm secondo EN 1993-1-3 – Tabella 8.4.

Viene emessa un'informazione se i requisiti di duttilità e capacità di rotazione per i collegamenti bullonati a trazione secondo EN 1993-1-8 – 6.4.2 non sono soddisfatti. Se il bullone è sollecitato prevalentemente a trazione, la piastra collegata più sottile deve soddisfare:

\[t \le 0,36d \sqrt{\frac{f_{ub}}{f_y}}\]

Le dimensioni predefinite degli assemblaggi di bulloni sono conformi a EN ISO 4014 – Bulloni a testa esagonale, EN ISO 4032 – Dadi esagonali normali, e EN ISO 7089 – Rondelle piane – Serie normale – Grado A.