Miscelazione di saldature e bulloni

In una varietà di situazioni strutturali, un ingegnere potrebbe dover valutare la resistenza di una connessione realizzata con saldature e dispositivi di fissaggio meccanici. Oggi gli elementi di fissaggio meccanici sono tipicamente bulloni, ma le strutture più vecchie possono includere rivetti.

Tali situazioni possono verificarsi durante progetti di ammodernamento, riparazione o rafforzamento. Per le nuove costruzioni, potrebbe essere necessario che bulloni e saldature lavorino insieme in connessioni in cui i materiali da unire vengono prima fissati con bulloni e poi saldati per ottenere la massima resistenza della connessione.

Tuttavia, determinare la capacità di carico totale della connessione non è semplice come sommare la somma dei singoli componenti: saldature, bulloni e rivetti. Una tale ipotesi può portare a conseguenze disastrose.

I giunti bullonati sono descritti nelle Specifiche per i giunti strutturali che utilizzano bulloni ASTM A325 o A490 dell'American Institute of Steel Construction (AISC) come serrati, pretensionati o critici per lo scivolamento.

Un giunto ben serrato viene serrato con la forza di una chiave a percussione o da un fabbro che utilizza una normale chiave inglese per portare gli strati a stretto contatto. In un giunto pretensionato, i bulloni vengono installati in modo che siano sottoposti a un carico di trazione significativo, con le piastre sottoposte a carico di compressione.

Nella Sezione 8.2, sono accettabili quattro metodi per realizzare questi giunti:

1. Giro di dado. Il metodo di rotazione del dado prevede di abbassare il bullone e quindi ruotare il dado di un'ulteriore quantità, che è una funzione del diametro e della lunghezza del bullone.

2. Chiave calibrata. Il metodo della chiave calibrata misura la coppia, che è correlata alla tensione applicata al bullone.

3. Bulloni di controllo della tensione del tipo twist-off. I bulloni di controllo della tensione del tipo twist-off hanno piccoli perni sull'estremità del bullone, di fronte alla testa. Una volta raggiunta la coppia richiesta, il perno si svita.

4. Indicatori di tensione diretta. Gli indicatori di tensione diretta sono rondelle speciali con sporgenze. La quantità di compressione sulle sporgenze indica il livello di tensione applicato al bullone.

In parole povere, i bulloni agiscono come perni in giunti ben serrati e pretensionati, simili a un fermaglio di ottone che tiene insieme una pila di fogli perforati. I giunti critici per lo scivolamento funzionano per attrito: le forze di pretensione creano forze di bloccaggio e l'attrito tra le superfici di contatto lavora insieme per resistere allo slittamento del giunto. Questo è simile a una clip per raccoglitore che tiene insieme una risma di fogli, non perché nella carta vengono praticati dei fori, ma perché la clip per raccoglitore preme insieme i fogli di carta e l'attrito tiene insieme il pacchetto.

I bulloni ASTM A325 hanno una resistenza alla trazione minima compresa tra 150 e 120 kilolibbre per pollice quadrato (KSI), a seconda del diametro del bullone, mentre i bulloni A490 devono avere una resistenza alla trazione compresa tra 150 e 170 KSI. I giunti rivettati si comportano più come giunti ben serrati, ma i perni in questo caso sono i rivetti, che in genere hanno circa la metà della resistenza dei bulloni A325.

Quando un giunto fissato meccanicamente è sottoposto a carico di taglio, ovvero quando un elemento tende a scivolare sull'altro a causa delle forze applicate, possono verificarsi due situazioni. I bulloni o i rivetti potrebbero appoggiarsi ai lati dei fori, provocandone contemporaneamente il taglio. La seconda possibilità è che l'attrito, introdotto dalle forze di serraggio del dispositivo di fissaggio pretensionato, possa resistere al carico di taglio. Non è previsto alcuno slittamento in questo giunto, ma la possibilità esiste.

Giunti perfettamente serrati possono essere accettabili per molte applicazioni, poiché un leggero slittamento potrebbe non influire negativamente sulle prestazioni della connessione. Ad esempio, consideriamo una tramoggia progettata per contenere materiale granulare. La prima volta che viene caricato, potrebbe verificarsi un leggero slittamento. Una volta avvenuto lo slittamento, non si ripeterà perché tutti i caricamenti successivi sarebbero della stessa natura.

Alcune applicazioni implicano l'inversione del carico, come quando gli elementi rotanti subiscono carichi alternati di trazione e compressione. Un altro esempio sono gli elementi flettenti soggetti a una completa inversione del carico. Quando si verifica un'inversione significativa del carico, potrebbero essere necessari giunti pretensionati per eliminare lo slittamento ciclico. Tale slittamento alla fine porta a fori allungati e ad uno slittamento ancora maggiore.