Connessioni bullonate

Introduzione

In sostanza, le connessioni bullonate trasferiscono le forze da uno o più elementi ad altri elementi e alle fondazioni. Ciò avviene tramite bearing, trazione e, talvolta, attrito. Sono adatti a quasi tutti i tipi di giunti. Il più delle volte, tuttavia, la rigidezza risultante del giunto non viene riconsiderata nel progetto complessivo, cosa che a volte non dovrebbe essere trascurata. I bulloni sono disponibili in diverse dimensioni (vedi sotto) e classi (materiale dei bulloni), a seconda dello standard e della regione. In alcuni paesi (non lontani un milione di miglia), hanno accesso sia alle misure metriche che a quelle imperiali, il che a volte può essere un'arma a doppio taglio! Come ho anche scoperto, esistono applicazioni per smartphone e video su YouTube che aiutano i progettisti e gli ingegneri...

Tornando ai miei corsi di strutture, una delle prime connessioni che abbiamo eseguito è stata una "semplice" connessione bullonata tratta da un esempio di telaio di portale in acciaio. Per far capire quanto tempo fa, usavamo una matita e della carta millimetrata! I calcoli che ne seguirono non potevano superare una facciata di foglio di carta A4.

Come sono cambiate le cose!

A quei tempi, non avrei mai potuto immaginare i cambiamenti nei metodi e nei ragionamenti - ma questo è un altro argomento, per un altro giorno e un altro articolo.

Connessioni bullonate

La domanda più scottante è: una connessione bullonata può mai essere considerata "semplice", anche se spesso viene descritta come tale? Le connessioni sono complicate (che ci piaccia o no) e ci vuole un ingegnere per capirle e progettarle. Esistono sicuramente forme "semplici" e sì, le connessioni possono ancora essere progettate e verificate con i metodi tradizionali, ed è da qui che ogni ingegnere di connessioni dovrebbe iniziare il suo percorso, ma esiste un modo migliore?

Esistono diversi modi per intraprendere la progettazione, ma molte opzioni semplificano eccessivamente il processo, consentendo una finestra di applicabilità ristretta o ignorando gli effetti chiave - uno dei problemi più grandi è ancora l'affidamento alle forze di inviluppo e agli effetti di carico non coincidenti. Si tratta di una semplificazione eccessiva che dovremmo davvero evitare? Probabilmente sì! Molti studi hanno adottato una serie di fogli di calcolo, ma questo solleva anche problemi di verifica e di aggiornamento.

Ricordo anche di aver scritto su un disegno le reazioni di estremità basate sul solo taglio e su una combinazione di carico, sempre per consentire al costruttore di acciaio di progettare la connessione :-). Quei tempi sono decisamente passati. Ma troppi ingegneri cercano di rimanere fedeli alle vecchie abitudini e di mescolare il vecchio approccio con i codici e i metodi moderni, con il risultato di connessioni scadenti, inefficienti e progettate in modo eccessivo.

Pro e contro delle connessioni bullonate

Le connessioni bullonate sono ottime perché sono relativamente facili da installare, manutenere e ispezionare. La loro realizzazione potrebbe non essere così economica come si pensa, in quanto possono generare più materiale, avere fori per i bulloni (che costano di più) e maggiori concentrazioni di sollecitazioni. Possono anche portare a problemi di cantiere (parlo per esperienza), quando con la trave vengono inviati i bulloni sbagliati (o nessun bullone). In alcune situazioni, possono offrire al progettista un po' di conforto in quanto, invariabilmente, una connessione bullonata offre una certa capacità aggiuntiva (se realizzata correttamente). Tuttavia, nessuna connessione è infallibile! Molte rotture sono state attribuite a dettagli sbagliati dei bulloni - inseriti al contrario o assemblati in modo errato per l'uso previsto. È quindi molto importante prendere in considerazione le regole di dettaglio e ogni misura speciale deve essere annotata sui disegni/informazioni di produzione/montaggio.

Cercare di semplificare il processo scegliendo una connessione "semplice" può spesso tradursi in un giunto più costoso da realizzare. Probabilmente è il caso di considerare il costo del materiale e della CO₂ più dei costi di progettazione...

Al contrario, quando le connessioni bullonate diventano più complicate, sia per la geometria che per il carico applicato, o per entrambi, diventano ancora più difficili da progettare e verificare. Un approccio semplice, magari scomponendo una connessione complicata in parti più semplici, non funzionerà.

Insidie nella progettazione

I problemi che possono insorgere durante la progettazione di un collegamento sono molti, ma il più frequente tra quelli riscontrati dal nostro helpdesk è la "sorprendente" presenza di forze di trazione nei bulloni, quando al bullone non viene applicata alcuna forza.

Da dove provengono queste forze di trazione e queste tensioni di trazione? Ti invito a considerare le prying forces derivanti da piastre flessibili nel progetto del giunto. A volte possono essere più gravose delle componenti della forza di taglio! Come nota a margine, se volete vedere come queste forze possono influenzare il vostro progetto, provate ad aumentare il materiale dell'acciaio di diversi ordini di grandezza e (se lo fate per gradi), potrete vedere che, man mano che la flessibilità diminuisce, le forze del bullone tendono verso il risultato "atteso".

Un altro aspetto delle connessioni bullonate che può verificarsi è quando sono richieste connessioni critiche per lo scorrimento o bulloni precaricati. Ciò influisce non solo sull'approccio progettuale, ma anche sui lavori in cantiere. La verifica e la certificazione di questi bulloni in cantiere è problematica e costosa. Da giovane ingegnere, mi è stato detto di evitarli se possibile - mi chiedo perché?

Di solito un bullone passa attraverso un foro. Si tratta dei cosiddetti fori di sicurezza. Con l'aumentare del diametro dei bulloni aumenta anche il diametro del foro di sicurezza (o almeno dovrebbe). Inoltre, se si applica una finitura del materiale o una preparazione della superficie, le distanze devono essere aumentate: la zincatura è un buon esempio.

All'inizio di questo articolo ho menzionato l'approccio con cui ho iniziato la reazione finale da una semplice combinazione di carico, di solito fattorizzata e poi arrotondata per eccesso. Questa potrebbe anche essere stata tabulata in base alle dimensioni dell'elemento e alla sua capacità. Questo approccio è ancora in uso in molti Paesi e può portare a problemi nella progettazione delle connessioni. Il problema è quello dell'equilibrio: bilanciare l'ingegneria con i dettagli risultanti. La progettazione strutturale si è evoluta, così come il software utilizzato. In effetti, si potrebbe affermare che una struttura non può essere progettata (in modo efficiente) senza software. Come utilizzare al meglio tutti questi software per modellare e progettare le connessioni bullonate?

L'approccio CBFEM

In che modo IDEA StatiCa sfrutta la tecnologia CBFEM? Questa metodologia è integrata in IDEA StatiCa Connection. I bulloni sono trattati come molle non lineari dipendenti. Ciò consente di modellare, calcolare e verificare in accordo al codice qualsiasi geometria di connessione, con qualsiasi carico applicato. Inoltre, è possibile verificare la stabilità e altri effetti: dopo tutto, è improbabile che l'approccio 'semplice' sia sufficiente!

Una delle argomentazioni spesso addotte è che si tratta di un approccio "a colpi di mazza per rompere una noce". Tuttavia, nelle ultime versioni, stiamo rendendo ancora più facile modellare e progettare connessioni semplici utilizzando l'intelligenza artificiale, la programmazione visiva e i miglioramenti dell'API, sfruttando la potenza dei nostri computer per ridurre il costo monetario e di CO₂ delle connessioni semplici.

A ciò si aggiunge la possibilità di estrarre gli effetti di carico/connessioni da diverse soluzioni FEA/BIM di fornitori quali Autodesk, Trimble, CSi, Nemetshek, ecc. che ha un impatto reale sull'efficienza e sull'accuratezza, in quanto gli effetti di carico o la connessione stessa vengono passati 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 dei due mondi! Vi fornirà risultati accurati e verificabili che possono essere controllati dal codice.

Una cosa è certa: non considererò mai più una connessione bullonata come semplice!