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Selezione di bulloni e dadi per collegamenti strutturali in acciaio: una guida tecnica
L'ingegneria strutturale in acciaio richiede elementi di fissaggio in grado di trasmettere carichi elevati, resistere a forze di taglio e trazione e mantenere l'integrità in condizioni dinamiche come vento o eventi sismici. I bulloni ordinari non sono sufficienti; sono obbligatori bulloni strutturali ad alta resistenza specializzati, abbinati a dadi perfettamente abbinati. Ecco una ripartizione delle principali tipologie e considerazioni:
- Bulloni strutturali ad alta resistenza (ASTM A325 e ASTM A490 / F3125 gradi A325 e F1852/F2280):
Lo standard di riferimento: si tratta degli elementi di fissaggio più comuni e critici per i collegamenti strutturali primari (travi-colonne, giunzioni di colonne, controventi, ecc.).
Materiale e resistenza: realizzato in acciaio al carbonio medio (A325) o acciaio legato (A490), trattato termicamente per ottenere un'elevata resistenza alla trazione.
ASTM A325 (F3125 Grado A325): Resistenza alla trazione minima di 120 ksi (825 MPa). Adatto alla maggior parte delle applicazioni strutturali generali.
ASTM A490 (F3125 Gradi F1852 [Twist-Off] e F2280 [Hex)]): Resistenza alla trazione minima di 150 ksi (1035 MPa). Utilizzato quando è richiesta una maggiore resistenza o quando si desiderano bulloni di dimensioni inferiori per risparmiare spazio/peso. Fondamentale: i bulloni A490 sono soggetti a fragilizzazione da idrogeno e non devono essere zincati.
Metodo di installazione - Il fattore differenziante chiave: questi bulloni vengono installati con una specifica tensione minima richiesta (precarico). Questo precarico:
Fissa saldamente insieme le piastre d'acciaio collegate.
Crea un attrito significativo tra le piastre (giunti "slip-critical"), trasferendo i carichi di taglio principalmente attraverso questo attrito piuttosto che tramite il taglio/cuscinetto dei bulloni.
Riduce la predisposizione alla fatica riducendo al minimo le fluttuazioni di stress nel bullone.
Garantisce rigidità e integrità delle articolazioni.
Raggiungimento del precarico:
Chiave calibrata: utilizzo di una chiave dinamometrica che applica una coppia calcolata in base alla lubrificazione del bullone e alla tensione desiderata.
Metodo del giro del dado: serraggio del bullone a fondo (contatto saldo), quindi rotazione del dado di una frazione aggiuntiva specificata di giro (ad esempio, 1/2, 2/3 di giro) a seconda della lunghezza del bullone e della configurazione del giunto.
Indicatori di tensione diretta (DTI): rondelle con sporgenze che si appiattiscono in modo prevedibile quando il bullone viene tensionato, fornendo un'indicazione visiva o misurabile del carico raggiunto.
Bulloni di controllo della tensione di tipo Twist-Off (bulloni TC - ASTM F1852): presentano un'estremità scanalata che si taglia a una tensione calibrata precisa quando si utilizza una speciale chiave di taglio elettrica. Il metodo moderno più comune grazie alla velocità e all'affidabilità.
Requisiti del dado: deve essere abbinato a un dado esagonale pesante (ASTM A563) del grado e della finitura corrispondenti (ad esempio, A563 grado DH per bulloni A325, A563 grado DH3 per bulloni A490). I dadi esagonali pesanti sono più spessi e resistenti dei dadi esagonali standard per resistere alle elevate forze di installazione senza arrotondarsi o spanarsi.
- Bulloni non precaricati (ASTM A307 - Uso limitato):
Materiale: acciaio a basso tenore di carbonio.
Resistenza: Resistenza alla trazione significativamente inferiore (60 ksi / 415 MPa) rispetto a A325/A490.
Applicazione: Limitato a elementi secondari, controventi leggeri, arcarecci, travi, collegamenti temporanei o collegamenti in cui lo slittamento è accettabile (giunti "di tipo portante"). Mai utilizzato per collegamenti portanti primari in strutture di grandi dimensioni. I carichi di taglio vengono trasferiti tramite il taglio dei bulloni e l'appoggio contro le pareti del foro.
Installazione: solo serraggio a fondo (con il massimo sforzo di un operaio con una chiave a brugola). Nessun requisito specifico di precarico.
Requisiti del dado: in genere abbinato a dadi esagonali standard (ASTM A563 grado A o C). Non sono richiesti dadi esagonali pesanti.
- Dadi corrispondenti (ASTM A563) - Compatibilità critica:
Grado: il grado di resistenza del dado deve essere uguale o superiore al grado di resistenza del bullone. L'utilizzo di un dado di grado inferiore rappresenta un punto critico di rottura.
Bulloni A325: utilizzare dadi di grado A563 DH (carbonio), D (carbonio medio) o DH3 (lega).
Bulloni A490: è necessario utilizzare dadi in acciaio legato A563 grado DH3. L'utilizzo di dadi in acciaio al carbonio (DH/D) con bulloni A490 rischia di spanare i dadi.
Bulloni A307: utilizzare dadi esagonali standard A563 grado A (carbonio) o C (carbonio medio).
Stile: i bulloni ad alta resistenza (A325/A490) richiedono dadi esagonali pesanti (più spessi, con una maggiore larghezza delle superfici piane) per garantire un'area di appoggio e una resistenza sufficienti per il precarico. I bulloni A307 in genere utilizzano dadi esagonali standard.
Finitura: i dadi devono essere conformi al sistema di protezione dalla corrosione del bullone (vedere sotto) per prevenire la corrosione galvanica.
- Rondelle (ASTM F436 / F959 / F844):
Rondelle in acciaio temprato: obbligatorie sia sotto la testa del bullone che sotto il dado per bulloni A325 e A490 installati in fori sovradimensionati o asolati, e sotto l'elemento tornito (testa o dado) quando si utilizza il metodo Turn-of-Nut. Distribuiscono la forza di serraggio, prevengono la formazione di solchi nel materiale di collegamento e garantiscono una rotazione fluida durante il serraggio.
Indicatori di tensione diretta (DTI - ASTM F959): fungono da rondelle specializzate per indicare la tensione raggiunta sui bulloni.
Rondelle piatte (ASTM F844): utilizzate sotto la testa o il dado dei bulloni A307, principalmente per coprire fori di grandi dimensioni o proteggere materiali morbidi.
- Protezione dalla corrosione:
Grezzo (Nero): Calamina di laminazione di base. Richiede verniciatura dopo l'installazione per protezione dalla corrosione. Costo più basso.
Zincatura a caldo (HDG - ASTM F2329): fornisce un'eccellente protezione dalla corrosione a lungo termine per bulloni A325 e corrispondenti dadi/rondelleFondamentale: i bulloni A490 NON possono essere zincati a caldo a causa del rischio di fragilità da idrogeno. I bulloni F1852 TC sono comunemente zincati a caldo.
Zincatura meccanica: rivestimento di zinco applicato meccanicamente. Più sottile dell'HDG, ma evita i problemi di idrogeno per l'A490. Spesso specificato per l'A490 dove è necessaria la protezione dalla corrosione.
Rivestimenti inorganici ricchi di zinco (ad esempio, Geomet): rivestimenti sottili e lubrificanti che offrono una buona resistenza alla corrosione e rapporti coppia-tensione costanti. Adatti sia per A325 che per A490.
Riepilogo della selezione:
Collegamenti strutturali primari (telai a momento, controventi, giunzioni): bulloni ASTM A325 (F3125 Gr A325) o ASTM A490 (F3125 Gr F1852/F2280) + dadi esagonali pesanti ASTM A563 (grado DH/DH3) + rondelle ASTM F436 (o DTI F959). Installati con il precarico specificato tramite chiave calibrata, dado a rotazione o (preferibilmente per A325) a svitamento (F1852).
Elementi secondari / Rinforzo leggero / Non critico: bulloni ASTM A307 + standard ASTM A563 Dadi esagonali (Grado A/C) +Rondelle piatte ASTM F844 se necessario. Installazione aderente.
Corrosione: scegliere la protezione (HDG per A325/F1852, Zinco/rivestimento meccanico per A490) e assicurarsi che tutti i componenti (bullone, dado, rondella) abbiano la stessa finitura.
Conclusione: l'integrità di una struttura in acciaio dipende dall'utilizzo di bulloni ad alta resistenza (A325/A490) con dadi esagonali pesanti (A563 DH/DH3) e rondelle temprate, installati sotto tensione controllata per le connessioni critiche. I bulloni A307 con dadi standard sono relegati a ruoli non critici. Componenti non abbinati o un'installazione impropria rappresentano gravi rischi per la sicurezza. Il rigoroso rispetto delle specifiche pertinenti (AISC, RCSC, ASTM) è imprescindibile.