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Viti ad alta resistenza nell’assemblaggio di strutture in acciaio per costruzioni pesanti

Perché le viti convenzionali cedono sotto carichi statici estremi negli edifici altissimi e negli impianti industriali

I bulloni standard semplicemente non sono progettati per sopportare quei massicci carichi statici che si riscontrano nei cantieri edili di grande rilevanza. La maggior parte dei fissaggi standard inizia a cedere intorno ai 250–400 MPa, un valore ben al di sotto di quanto richiesto per quei grandi componenti strutturali impiegati negli edifici altissimi o nelle grandi strutture industriali, dove i requisiti raggiungono i 500 MPa e oltre. Quando sottoposti a sollecitazioni superiori ai loro limiti, questi bulloni subiscono deformazioni permanenti e, alla fine, si spezzano completamente. L’analisi delle recenti relazioni sui cedimenti strutturali dell’anno scorso evidenzia una tendenza preoccupante: oltre la metà di tutti i guasti nei giunti delle strutture in acciaio è effettivamente attribuibile a fratture per taglio dei bulloni sotto carico continuo, in particolare in quei punti di connessione fondamentali tra travi e pilastri. È per questo motivo che gli ingegneri specificano l’uso di bulloni ad alta resistenza. Questi fissaggi specializzati sono realizzati con materiali di qualità superiore e vengono sottoposti, durante la produzione, a processi di trattamento termico estremamente precisi, garantendo così la resistenza aggiuntiva necessaria per mantenere saldamente uniti tutti i componenti in condizioni operative reali.

Come le specifiche ASTM A325/A490 e ISO 898-1 classe 10.9 garantiscono una resistenza allo snervamento di 690 MPa per un trasferimento affidabile del carico

I bulloni ASTM A325/A490 e ISO 898-1 classe 10.9 raggiungono resistenze minime allo snervamento comprese tra 690 e 940 MPa mediante trattamento termico di tempra e rinvenimento su acciaio legato a medio tenore di carbonio. Questo processo produce una microstruttura di martensite rinvenuta, in grado di resistere alla deformazione in corrispondenza di concentrazioni di tensione. I principali vantaggi includono:

• Durezza controllata , che bilancia duttilità e resistenza alla frattura fragile
• Calibrazione precisa del precarico , che consente una forza di serraggio costante mediante l’installazione con rotazione del dado
• Migliorata resistenza al taglio , in grado di sopportare sollecitazioni cicliche fino a tre volte più a lungo rispetto ai bulloni equivalenti di classe 8.8

Tutti i bulloni devono superare la prova di carico di verifica al 120% della resistenza allo snervamento specificata: un requisito che garantisce margini di sicurezza elevati in strutture a telaio resistente ai momenti, sistemi di controventatura e altre connessioni critiche.

Bulloni ad alta resistenza nella progettazione antisismica e nelle connessioni a scorrimento critico

Prevenzione dello scorrimento e della fatica dei giunti sotto carico sismico ciclico

Durante i terremoti, gli edifici subiscono queste forze oscillanti avanti e indietro che, progressivamente, si trasmettono ai normali giunti bullonati, causandone un allentamento graduale nel tempo a causa di un fenomeno noto come 'ratcheting ciclico'. Ciò che accade successivamente è altrettanto preoccupante: man mano che questi giunti iniziano a scorrere, generano piccole fessurazioni proprio nei punti in cui si concentra maggiormente lo sforzo, indebolendo progressivamente l’intera struttura ad ogni nuovo evento sismico. Per questo motivo gli ingegneri ricorrono a speciali bulloni ad alta resistenza. Questi bulloni mantengono la presa molto meglio durante le scosse, poiché sono in grado di sopportare ripetuti cicli di spinta e trazione. Parliamo qui di bulloni con una tensione di snervamento di almeno 690 MPa, che garantisce loro un’elevata tenuta contro le inversioni di carico stressanti, alle quali i fissaggi meno costosi cedono più rapidamente. I test effettuati su strutture in scala reale dimostrano che gli edifici dotati di questi collegamenti critici allo scorrimento ritornano alla loro posizione originaria in media del 40% in più rispetto ai giunti convenzionali dopo un terremoto (secondo la ricerca NEHRP del 2023). Questo fa una grande differenza nelle zone soggette a frequenti scosse sismiche, dove le costruzioni devono resistere a centinaia di tali eventi senza subire alcun guasto significativo ai giunti.

Il ruolo del precarico di trazione controllato (70%) e dell'attrito superficiale nei giunti bullonati ad alta resistenza critici per lo scorrimento secondo AISC 360-22

Secondo gli standard AISC 360-22, i collegamenti a scorrimento critico richiedono un precarico di trazione pari ad almeno il 70 %, affinché la tensione del bullone generi effettivamente attrito tra le superfici. Quando si utilizzano specificamente bulloni di classe 10.9, questi requisiti comportano forze di serraggio superiori a 200 chilonewton. Il coefficiente di attrito varia da circa 0,33 a 0,5 per superfici sabbiate. Cosa significa tutto ciò in pratica? Beh, l’attrito generato impedisce qualsiasi movimento tra le parti da unire. Test eseguiti su tavole vibranti hanno dimostrato che tale soluzione funziona davvero bene: i giunti correttamente serrati non hanno presentato alcuno scorrimento, neppure quando sottoposti ad accelerazioni sismiche pari a 0,4g, secondo quanto riportato da una ricerca pubblicata dalla FEMA nel documento P-1052 nel 2021. Ottenere risultati soddisfacenti da tali collegamenti non dipende tuttavia esclusivamente dal rispetto delle specifiche tecniche: vi sono infatti diversi altri fattori che gli ingegneri devono considerare anche durante l’installazione.

• Preparazione della superficie conforme agli standard di rivestimento RCSC Classe A o B
• Installazione mediante dado a scatto o chiave tarata per garantire un precarico accurato
• Utilizzo di rondelle trattate in doppio strato per ridurre al minimo il rilassamento da imbedding

Questo approccio indirizza la dissipazione dell’energia sismica verso la deformazione controllata degli elementi strutturali, non verso il cedimento dei giunti.

Bulloni ad alta resistenza nelle infrastrutture dinamiche: ponti e sistemi di trasporto

Riduzione delle fessurazioni da fatica nei manti ortotropi e nei giunti di dilatazione soggetti a carichi ripetuti degli assi

Il piano stradale ortotropo del ponte, insieme ai giunti di dilatazione, subisce ogni giorno sollecitazioni enormi da parte di tutti quei pesanti autocarri che vi transitano. Queste onde di pressione continue provocano, col tempo, microfessurazioni nei normali elementi di fissaggio. È qui che entrano in gioco i bulloni ad alta resistenza: essi distribuiscono il carico su un’area più ampia, anziché concentrarlo su singoli punti. Ciò comporta una minore probabilità che si formino fastidiose fessure da fatica nei punti critici di collegamento. Inoltre, questi bulloni mantengono la loro tenuta anche dopo anni di ripetuti cicli di sollecitazione. Ciò garantisce un corretto allineamento di tutte le parti e preserva la rigidità strutturale. Di conseguenza, i ponti hanno una vita utile molto più lunga prima di richiedere interventi di manutenzione straordinaria, aspetto particolarmente importante per le autostrade ad alto traffico, dove il flusso veicolare non si interrompe mai.

Passaggio del Dipartimento dei Trasporti statunitense (U.S. DOT) a bulloni ASTM F3125 classe 10.9 con migliorata tenacità all’impatto a basse temperature per ponti a grande luce

Il Dipartimento dei Trasporti statunitense ha iniziato a richiedere l’uso di viti ASTM F3125 classe 10.9 per i grandi lavori di costruzione di ponti su tutto il territorio nazionale. Che cosa rende speciali queste viti? Innanzitutto, presentano una resistenza a trazione minima di 1040 MPa, ma ciò che è davvero importante è la loro prestazione migliorata alle basse temperature. Il processo produttivo con cui vengono realizzate contribuisce a prevenire la formazione di fessurazioni impreviste in condizioni di gelo o dopo ripetuti cicli termici. È per questo motivo che gli ingegneri le preferiscono per ponti con campate molto ampie, ampliamenti di ponti e persino per sistemi di isolamento sismico, dove nel tempo entrano in gioco forze complesse di ogni tipo.

Viti ad alta resistenza in ambienti corrosivi e ad alto rischio: applicazioni offshore ed energie rinnovabili

Contrasto della corrosione sotto tensione (SCC) nelle flange sommerse soggette a carichi ciclici

Quando l'acqua salata si mescola alle onde costanti che vi si infrangono contro, le flange bullonate offshore sono esposte a gravi rischi derivanti da un fenomeno noto come corrosione sotto sforzo (Stress Corrosion Cracking, SCC). Un recente rapporto di NACE International, pubblicato nel 2023, ha rilevato che la SCC è responsabile di quasi la metà (circa il 42%) di tutti i guasti dei bulloni sul fondo oceanico. Ciò risulta particolarmente allarmante, se ci si sofferma a riflettere. Fortunatamente, esiste una soluzione promettente nei bulloni ASTM A193 B7M. Questi bulloni speciali sono realizzati con una lega accuratamente bilanciata per resistere all’idrogeno-indotta fragilità e alle fastidiose fessurazioni causate dai cloruri. Anche quando le maree salgono e scendono costantemente, esercitando pressioni continue su ogni componente, questi bulloni mantengono la loro tenuta meglio rispetto alle alternative standard.

Strategie integrate di protezione: bulloni ASTM A193 B7M, rondelle in acciaio inossidabile duplex e protezione catodica

Un sistema di difesa a tre strati garantisce affidabilità a lungo termine in ambienti marini aggressivi:

• Selezione del Materiale : I bulloni ASTM A193 B7M offrono una resistenza a trazione minima di 100 ksi (690 MPa) e resistenza alla corrosione sotto tensione (SCC)
• Miglioramento della barriera : Le rondelle in acciaio inossidabile duplex eliminano l’accoppiamento galvanico tra bullone e metallo di base
• Controllo elettrochimico : Gli anodi sacrificiali forniscono protezione catodica, riducendo i tassi di corrosione fino al 90% se correttamente mantenuti

Nel complesso, queste misure estendono la vita utile oltre i 25 anni nelle zone intertidali, garantendo l’integrità strutturale nei parchi eolici offshore e in altre infrastrutture per le energie rinnovabili.

Domande frequenti

Quali sono le specifiche dei bulloni ad alta resistenza?

I bulloni ad alta resistenza rispettano generalmente specifiche come ASTM A325/A490 o ISO 898-1 classe 10.9, che garantiscono resistenze allo snervamento comprese tra 690 e 940 MPa.

Perché i bulloni ad alta resistenza sono preferiti nelle strutture antisismiche?

I bulloni ad alta resistenza sono preferiti perché impediscono lo scorrimento dei giunti e la fatica sotto carichi sismici ciclici, mantenendo l’integrità strutturale anche durante eventi sismici.

In che modo i bulloni ad alta resistenza contribuiscono alle infrastrutture dinamiche, come i ponti?

Nelle infrastrutture dinamiche, i bulloni ad alta resistenza distribuiscono il carico e riducono le fessurazioni da fatica, prolungando la vita utile di strutture come i ponti.

In che modo i bulloni ad alta resistenza resistono alla corrosione negli ambienti offshore?

Nei contesti offshore, i bulloni ad alta resistenza impiegano materiali e strategie quali i bulloni ASTM A193 B7M e la protezione catodica per resistere alla corrosione sotto sforzo.