Bulloni passanti nelle sezioni cave: progettarli come perni, non come bulloni

Un benchmark in IDEA StatiCa Connection ne mostra la conseguenza: lo stesso bullone M16 8.8 supera la verifica standard del bullone, ma non la supera se modellato come perno. Di seguito si spiega il motivo e come progettare correttamente i bulloni passanti.

IDEA StatiCa Connection può modellare e analizzare quasi qualsiasi geometria di giunto. Alcuni collegamenti, tuttavia, non sono standard: le verifiche generali dei bulloni previste dalle normative implementate non ne descrivono con precisione il comportamento. Un esempio tipico è una sezione cava, di solito una RHS o SHS, collegata con bulloni passanti. Si tratta di bulloni lunghi o barre filettate che attraversano entrambe le pareti della sezione, con testa e dado in appoggio sulle facce esterne.

I bulloni passanti sono un'alternativa ai bulloni ciechi, agli Hollo-Bolts, ai bulloni a foratura per flusso e ad altri elementi di fissaggio speciali accessibili da un solo lato. Sono facili da reperire: bastano una barra filettata, dadi e rondelle. La loro meccanica, tuttavia, differisce da quella di un giunto bullonato convenzionale sotto tre aspetti.

Fig. 1 Collegamenti alla parete di un HSS: bulloni su una sola parete (a sinistra) e bulloni passanti che attraversano entrambe le pareti (a destra). Fonte: J. McCormick, Steel Tube Institute (2017)

Punti chiave

• Un bullone passante senza manicotto deve essere modellato come perno, anziché essere classificato come bullone.
• I bulloni non precaricati con un manicotto interno aderente possono essere modellati come bulloni standard se il manicotto impedisce la flessione.
• Se il manicotto non aderisce ai bulloni ed è previsto un gioco, modellare i bulloni come perni.
• È importante notare che i bulloni ad attrito non sono ammessi per questo tipo di collegamento in IDEA StatiCa Connection.

Tre differenze tra un bullone passante e un bullone

1. Il bullone non può essere precaricato in una sezione cava non armata

Il serraggio del bullone spinge entrambe le pareti verso l'interno con un carico concentrato. Le facce flessibili della sezione cava si deformano anziché serrarsi a pacco. I bulloni passanti sono quindi limitati ai collegamenti di tipo a rifollamento con bulloni serrati a contatto (snug-tight). Anche il serraggio a contatto, pari a circa il 10 % della pretensione minima secondo AISC 360-16 Tabella J3.1, deve essere eseguito con attenzione sulle sezioni a parete sottile, per evitare di schiacciare le pareti. A causa del vuoto all'interno dell'elemento, il serraggio a contatto non può inoltre portare tutte le lamiere in contatto stabile.

Fig. 2 Possibile distorsione della parete dell'HSS quando i bulloni passanti sono completamente pretensionati. Fonte: J. McCormick, Steel Tube Institute (2017)

2. Il bullone si comporta come un perno, non come un bullone

Le lamiere non sono serrate a pacco e possono non essere a contatto. Il gambo è quindi sollecitato a taglio e a flessione, e la sola verifica standard a taglio del bullone non ne cattura il comportamento. Il bullone passante deve essere progettato come un perno, con le verifiche di:

• taglio,
• flessione,
• interazione taglio–flessione.

3. La resistenza a rifollamento delle piastre collegate è ridotta

La testa e il dado appoggiano solo sulla faccia esterna della parete della sezione cava, e non sia sulla faccia esterna sia su quella interna come in un giunto bullonato convenzionale. Lo spessore di serraggio non è vincolato contro l'espansione, quindi le piastre non sono confinate attorno al foro e possono subire un cedimento locale. La resistenza a rifollamento è quella di un perno, non di un bullone. Ciò vale sia per la parete della sezione cava sia per la piastra collegata.

Riferimenti normativi

AISC 360-22, §J3.11(b) (§J3.10(c) in AISC 360-16). I bulloni che attraversano completamente un HSS non irrigidito sono rimandati alla verifica a rifollamento del perno in §J7:

Rn = 1,8·Fy·Apb, φ = 0,75, Apb = d·tdesign (J7-1)

In questo caso “non irrigidita” indica una parete non confinata da una testa e da un dado del bullone su entrambi i lati, e non irrigidita da riempimento o armatura. La resistenza a taglio del bullone (Eq. J3-1) e gli altri stati limite dell'elemento collegato sono verificati come di consueto. AISC 360-16 non trattava lo strappo (tear-out) per i bulloni passanti; in AISC 360-22 la stessa sezione copre lo strappo del bullone. Per bulloni ravvicinati o vicini all'estremità di un elemento è richiesto un approccio razionale.

EN 1993-1-8. Non esiste una procedura specifica. Per analogia con AISC, si applicano le regole per i perni della Tabella 3.10:

Fb,Rd = 1,5·t·d·fy/γM0 (rifollamento)

MRd = 1,5·Wel·fyp/γM0 (flessione)

(MEd/MRd)2 + (Fv,Ed/Fv,Rd)2 ≤ 1 (interazione taglio–flessione)

I bulloni passanti con manicotto sono il caso in cui il bullone all'interno della sezione cava attraversa un tubo distanziatore, con diametro del foro interno aderente, uguale a quello dei fori standard per bulloni. Il tubo impedisce la distorsione delle pareti della sezione cava in presenza di una forza di trazione nel bullone. Le singole lamiere sono quindi serrate a pacco in modo simile a un collegamento bullonato standard. Il bullone può anche essere completamente precaricato (CIDECT Design Guide 9, §5.11; Kurobane et al. 2004). In pratica, il tubo è solitamente saldato nella sezione come manicotto (Dutta et al. 1998; McCormick 2017). Il collegamento si comporta allora più come un giunto bullonato convenzionale che come un giunto a perno (McCormick 2017).

Fig. 3 Armatura con manicotto dell'HSS in corrispondenza dei bulloni passanti. Fonte: M. Manor, Steel Tube Institute (2026)

Caso di benchmark

Assemblaggio con bullone: comportamento di un bullone standard

L'SHS saldato 110×110×10 mm è realizzato in acciaio S355 ed è collegato con bullone passante a una piastra da 8 mm mediante un bullone standard M16 8.8. Il bullone è modellato con il tipo di bullone “Rifollamento – interazione trazione/taglio”, con il piano di taglio nella filettatura. Il modello è caricato solo da una forza assiale di 40 kN nella piastra collegata. Questa forza sollecita il bullone a taglio (V = 40 kN) e produce una forza di taglio e un momento torcente nell'SHS.

Fig. 4 Il modello di benchmark in IDEA StatiCa Connection con il bullone passante modellato come bullone standard: la forza di 40 kN nella piastra, le forze alle estremità dell'SHS e le impostazioni dell'elemento di fissaggio (M16 8.8, piano di taglio nella filettatura, rifollamento – interazione trazione/taglio).

Verifica del bullone secondo EN 1993-1-8

La forza di taglio è portata quasi interamente dal primo piano di taglio (40,0 kN). La forza di taglio residua nel secondo piano di taglio è trascurabile (1,56 kN), quindi la seconda parete partecipa a malapena. Il bullone supera la verifica con uno sfruttamento per interazione trazione–taglio del 69,4 %, governato dallo sfruttamento a taglio del 66,3 %.

Il rapporto di calcolo, tuttavia, aggiunge un avviso: è presente un gioco tra le piastre collegate, la flessione nel bullone non è considerata nel modello numerico e le piastre non sono serrate a pacco. Le resistenze del bullone a taglio e delle piastre a rifollamento potrebbero quindi non essere corrette. Questo è il primo segnale che richiede la vostra attenzione.

Fig. 5 Verifica del bullone secondo EN 1993-1-8 (M16 8.8): F_t,Ed = 3,91 kN, F_v,Ed = 40,00/1,56 kN nei due piani di taglio, F_b,Rd = 116,15 kN, sfruttamento del 4,3 % a trazione, del 66,3 % a taglio e del 69,4 % per interazione, con l'avviso emesso per i collegamenti con bulloni passanti.

Un modello a trave equivalente del bullone rende i risultati facili da interpretare. Mostra le forze interne e la distribuzione delle tensioni lungo la lunghezza del bullone e riproduce lo stesso sfruttamento a taglio, il che lo rende un semplice controllo di attendibilità.

Fig. 6 Modello a trave equivalente del bullone: V = 40 kN al primo piano di taglio, tensione tangenziale 4V/3A = 339,6 MPa e sfruttamento a taglio 0,66 rispetto a V_Rd = 60,31 kN. Conferma le forze interne e lo sfruttamento in modo indipendente da IDEA StatiCa.

Assemblaggio con bullone: comportamento come perno

Lo stesso modello viene ora realizzato con l'elemento di fissaggio “Perno”. L'elemento perno assorbe la forza di taglio e il momento flettente. Non trasmette forza assiale.

Fig. 7 Il modello di benchmark con il bullone passante modellato come perno (perno D16 definito dall'utente attraverso la piastra ed entrambe le pareti dell'SHS): la forza di 40 kN nella piastra e le forze alle estremità dell'SHS.

Verifica del perno secondo EN 1993-1-8

La flessione del perno ha l'influenza più rilevante sul comportamento: da sola produce uno sfruttamento del 90,9 %. Anche la resistenza a rifollamento si riduce di circa il 41 % rispetto all'approccio con bullone (68,2 kN contro 116,2 kN). La flessione combinata con la forza di taglio rende la verifica del perno non soddisfatta: l'interazione taglio–flessione raggiunge il 109,5 % e il perno non supera la verifica. Il momento flettente raggiunge il picco nel punto in cui il perno entra nella sezione cava.

Fig. 8 Verifica del perno (perno D16 definito dall'utente, f_yp = 640 MPa): F_v,Ed = 39,99 kN, M_Ed = 0,35 kNm, F_v,Rd = 77,21 kN, F_b,Rd = 68,16 kN, M_Rd = 0,39 kNm; sfruttamento a taglio 58,7 %, a flessione 90,9 % e per interazione 109,5 %. La resistenza a flessione segue EN 1993-1-8, Tabella 3.10.

Risultati del modello a trave equivalente (perno)

Il modello analitico può essere realizzato secondo le regole dell'articolo della knowledge base di IDEA StatiCa Steel pins.

Il modello analitico a trave concorda strettamente con il modello di IDEA StatiCa Connection. In Connection il carico è distribuito uniformemente sullo spessore della piastra che sollecita il perno; il modello equivalente utilizza invece una forza concentrata, a favore di sicurezza. Ciò determina piccole differenze tra le forze interne e gli sfruttamenti dei due modelli, e rende il modello a trave un utile controllo di attendibilità e plausibilità.

Lo sfruttamento a taglio del 58,7 % è governato dalla verifica a rifollamento del perno sulla piastra collegata, e non dal taglio del perno stesso (51,8 %). La flessione (0,93) e l'interazione taglio–flessione (1,14) sono leggermente più elevate nel modello a trave equivalente, a causa della forza concentrata. Il perno si comporta come previsto.

Fig. 9 Modello a trave equivalente del bullone passante modellato come perno: V = 40 kN al primo piano di taglio, M = 0,36 kNm nel punto in cui il perno entra nella parete dell'SHS, sfruttamento a flessione 0,93 rispetto a M_Rd = 0,386 kNm, interazione 1,14. Rifollamento del perno: 0,59 sulla piastra collegata, 0,52 e 0,05 sulle due pareti dell'SHS.

Modello con manicotti interni realizzati in fabbrica

McCormick (2017) descrive il manicotto come uno dei modi più comuni per migliorare un collegamento con bulloni passanti:

“Uno dei metodi più comuni per migliorare le prestazioni dei collegamenti con bulloni passanti consiste nel prevedere un manicotto (o tubo circolare) attraverso cui far passare il bullone. Il manicotto si ottiene praticando un foro nell'HSS, inserendo un manicotto con diametro interno pari al diametro di un foro standard per il bullone passante e saldando poi il manicotto in posizione (Dutta et al. 1998). Il manicotto consente di pretensionare il bullone impedendo al contempo la distorsione della parete dell'HSS. Di conseguenza, il collegamento con bulloni passanti si comporterà più come un giunto bullonato che come un giunto a perno.” (McCormick, Steel Tube Institute, 2017)

Fig. 10 Elemento RHS/SHS realizzato con manicotti interni.

Manicotti in IDEA StatiCa: bulloni non precaricati

Se il manicotto saldato è modellato all'interno della RHS/SHS e il bullone non è precaricato, il bullone passante può essere modellato in IDEA StatiCa come bullone standard, seguendo l'articolo e i riferimenti sopra citati. Il manicotto deve confinare il bullone con precisione perché il modello di bullone standard sia valido. In presenza di un gioco tra il manicotto e il bullone, il bullone torna a comportarsi come un perno.

• Anche quando il manicotto è modellato con l'operazione di fabbricazione “Elemento di irrigidimento”, il rapporto di calcolo mostra comunque l'avviso che la flessione nel bullone non è considerata. 
• La verifica a rifollamento viene eseguita sulle lamiere collegate

Fig. 11 Collegamento RHS/SHS realizzato con un manicotto interno e un bullone M16 8.8 non precaricato: verifica della resistenza a rifollamento secondo EN 1993-1-8 Tabella 3.4 e avviso relativo al gioco tra le piastre collegate.

Manicotti in IDEA StatiCa: bulloni ad attrito

IDEA StatiCa Connection non ammette bulloni ad attrito (resistenti allo scorrimento) in questo modello. L'analisi si interrompe con il messaggio “I bulloni di tipo ad attrito non possono essere utilizzati se è presente un gioco tra le piastre”. Esiste una ragione per questo:

• Nel modello il precarico non viene trasferito al manicotto. Il bullone è irrigidito a taglio e le forze tangenziali del bullone agiscono sul foro in trazione e in compressione, ma in direzione assiale il bullone si comporta come un bullone standard e non si genera alcuno stato di precompressione. Il manicotto non è compresso dal precarico, quindi lo stato tensionale risultante sarebbe fuorviante.

Fig. 12 Collegamento RHS/SHS realizzato con un manicotto interno e un bullone precaricato (ad attrito): l'analisi segnala che i bulloni di tipo ad attrito non possono essere utilizzati se è presente un gioco tra le piastre.

Conclusioni

• Un bullone passante senza manicotto è un perno, non un bullone. Non può essere precaricato, le lamiere non sono serrate a pacco e il gambo lavora a taglio e a flessione.
• La verifica standard del bullone qui non è a favore di sicurezza. Nel benchmark (SHS 110×110×10, piastra da 8 mm, M16 8.8, 40 kN) la verifica del bullone è superata con il 69,4 %. La verifica del perno non è superata, con il 109,5 % di interazione taglio–flessione e il 90,9 % per la sola flessione.
• Leggere l'avviso nel rapporto di calcolo. IDEA StatiCa Connection segnala il gioco tra le piastre: la flessione nel bullone non è considerata e le resistenze del bullone a taglio e delle piastre a rifollamento potrebbero non essere corrette.
• La resistenza a rifollamento si riduce di circa il 41 %. Il rifollamento del perno sulla piastra da 8 mm fornisce 68,2 kN contro 116,2 kN per il rifollamento del bullone.
• Modellarlo come perno in IDEA StatiCa Connection e assegnare la classe del bullone al materiale del perno. Il perno non assorbe forza assiale, quindi verificare separatamente gli effetti di trazione, se necessario.
• Un manicotto saldato ripristina il comportamento del bullone. Con un manicotto ben aderente, il bullone passante può essere modellato come un normale bullone a rifollamento. I bulloni ad attrito (precaricati) non possono essere analizzati in IDEA StatiCa Connection in presenza di un gioco tra le lamiere.

Riferimenti bibliografici

• AISC (2022). Specification for Structural Steel Buildings, ANSI/AISC 360-22. American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.
• AISC (n.d.). Design Guide 24: Hollow Structural Section Connections, 2nd edition. American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.
• CEN (2005). EN 1993-1-8:2005 Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-8: Design of joints. European Committee for Standardization, Brussels.
• Dutta, D., Wardenier, J., Yeomans, N., Sakae, K., Bucak, Ö. and Packer, J.A. (1998). Design Guide 7: For Fabrication, Assembly and Erection of Hollow Section Structures. CIDECT, TÜV-Verlag, Köln.
• Kurobane, Y., Packer, J.A., Wardenier, J. and Yeomans, N. (2004). Design Guide 9: For Structural Hollow Section Column Connections. CIDECT, TÜV-Verlag, Köln.
• Manor, M. (2026). HSS Bolted Connections: Keep It Together With a Bolt of Confidence. Steel Tube Institute. steeltubeinstitute.org
• McCormick, J. (2017). Connecting Hollow Structural Section Members with Through-Bolts. Steel Tube Institute, July 2017. steeltubeinstitute.org

Gli autori dell'articolo: Lukas Juricek, Pavel Kalab e Martin Vild