Analisi teoriche, numeriche e sperimentali di giunzioni rivettate

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strumenti di calcolo ad elementi finiti risulta oltremodo vantaggioso, ma pone anche una 
serie di difficoltà prettamente legate alla corretta schematizzazione della giunzione 
stessa. In altri termini, la realizzazione di un modello molto accurato della zona rivettata 
se da un lato permette di cogliere bene la natura fisica del problema, dall’altro diviene 
oltremodo onerosa in termini computazionali, richiedendo un tempo eccessivo per la 
relativa elaborazione. D’altra parte è altresì vero che un modello eccessivamente 
semplice della giunzione — ad esempio attraverso la schematizzazione del rivetto con 
una trave mono–assiale rigida — per quanto abbatta drasticamente i tempi di 
elaborazione numerica computazionale, non è in grado di cogliere aspetti importanti del 
fenomeno fisico in analisi1. 
Da tale quadro generale si deduce la necessità della messa a punto di un modello 
teorico della giunzione che caratterizzi analiticamente l’esatto comportamento della 
zona in esame attraverso la sua risoluzione in forma chiusa; esso costituisce, poi, la base 
per lo sviluppo di una corretta “descrizione agli elementi finiti”, basata su di un nuovo 
elemento, di relativamente facile implementazione e versatilità nei confronti dei codici 
di calcolo F.E.A.2 di utilizzo commerciale. 
Esplorando più in dettaglio ciò che nel seguito del presente lavoro verrà 
ampiamente illustrato, il modello teorico della giunzione rivettata viene pensato come 
piastra3 con lente rigida centrale. Tale ultima considerazione discende dal fatto che 
l’effetto irrigidente dovuto alla presenza del rivetto e alla tecnologia di rivettatura è 
decisamente non trascurabile. La discontinuità materiale e strutturale tra lamiera4 e 
rivetto5 viene risolta con l’imposizione di un opportuno sistema di vincolo in grado di 
permettere le rotazioni relative — in direzione tangenziale — tra i suddetti elementi 
strutturali. La piastra risulterà, inoltre, incastrata al bordo esterno per simulare la 
presenza della restante struttura cui è collegata, la quale determina un inevitabile stato di 
coazione. La soluzione analitica viene ottenuta dall’integrazione delle complesse 
equazioni ellittiche caratterizzanti il problema delle piastre inflesse, caricate 
                                                 
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 Si perde l’informazione relativa all’effetto irrigidente dovuto alla tecnologia di produzione e alla 
presenza stessa del rivetto.   
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 Finite Element Analysis. 
3
 Le tecniche di rivettatura vengono per lo più eseguite per la giunzione di lamierati sottili nelle 
quali lo spessore ha dimensioni trascurabili rispetto alle grandezze geometriche caratteristiche. 
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 Ovvero elemento piastra del modello teorico 
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 Ovvero elemento lente rigida centrale alla piastra 
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trasversalmente. Il modello teorico viene analizzato applicando sulla lente rigida 
centrale ogni tipologia di carico elementare ingegneristicamente significativo.  
La conoscenza della soluzione analitica esatta nella regione in esame è alla base 
della definizione di un elemento rivetto, mediante il quale è possibile valutare con 
estrema semplicità il comportamento strutturale di complesse giunzioni multi–rivettate, 
ottenendo contemporaneamente una corretta valutazione dello stato tensionale efficace 
presente nella regione di ogni singola giunzione rivettata. 
La completa definizione del problema richiederebbe l’analisi degli effetti provocati 
da sollecitazioni imposte a bordo piastra, ma la complessa trattazione teorica impedisce 
il raggiungimento di una soluzione specifica. La necessità di mantenere una descrizione 
semplice dal punto di vista computazionale impone l’esigenza di mantenere 
opportunamente limitato il numero dei nodi ed elementi. Va da sé che a tal fine è 
necessario trascurare tali effetti che sono, in ogni modo, secondari rispetto a quelli 
transitanti per il rivetto. 
Nel seguito del presente lavoro, dopo una disamina generale delle tecniche di 
rivettatura attualmente in uso nell’industria meccanica — con relativi approcci 
numerico–sperimentali della comunità scientifica internazionale —, la definizione del 
modello teorico di riferimento nonché un’esplorazione sperimentale dei rivetti 
commerciali economici, si concentrerà l’attenzione su un particolare tipo di rivetto 
avente caratteristiche di forma geometrica e funzionamento tali da non richiedere 
complesse apparecchiature per realizzarne il montaggio. Tale rivetto è, altresì, dotato di 
caratteristiche strutturali ottimali6 per il confronto numerico–sperimentale dei risultati 
ottenuti nelle numerose prove effettuate. 
                                                 
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 Il rivetto scelto presenta un’anima interna rigida che lo rende perfetto per assolvere il compito di 
lente rigida centrale nel modello teorico proposto. 
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2. Tecniche di giunzione non smontabili: attuali sviluppi 
 
 
2.1 Introduzione 
Come già anticipato nella precedente sezione, le tecniche di giunzione meccanica 
vengono da tempo ampiamente e positivamente utilizzate nell’industria aeronautica, per 
l’elevato utilizzo di leghe leggere, le quali risultano spesso difficilmente saldabili con 
tecniche tali da garantire elevati volumi di produzione. Nell’ambito autoveicolistico si è 
da tempo affermata la tecnologia della saldatura in relazione all’utilizzo di materiali 
acciaiosi. In particolar modo ci si riferisce in questa sede alla tecnica della saldatura per 
punti, la quale risulta certamente vantaggiosa in ambito industriale perché si presta ad 
una piena automatizzazione di processo. 
L’intento degli studi di settore, relativi alle tecniche di giunzione non smontabili, 
applicabili con successo all’industria autoveicolistica in presenza di materiali leggeri 
come le leghe d’alluminio, è quello del raggiungimento di una o più metodologie di 
collegamento che presentino caratteristiche di velocità, alta automatizzazione e 
versatilità. In altri termini si persegue la messa a punto di tecniche vantaggiose in forma 
di collegamenti non smontabili — alternative alla saldatura per punti — per la corretta 
giunzione di lamierati in leghe d’alluminio. 
L’impiego di giunzioni meccaniche offre i seguenti vantaggi: 
• Possibilità d’assemblaggio di materiali diversi fra loro e/o non saldabili 
• Processi a basso impatto ambientale 
• Vita operativa degli utensili notevole 
• Manutenzione minima 
• Danneggiamento dei materiali coinvolti minimo o del tutto assente 
• Lieve o trascurabile distorsione del pezzo 
 
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• Immediato controllo visivo della qualità della giunzione 
• Estese possibilità di prove non distruttive 
D’altra parte vi sono anche alcuni svantaggi e precisamente: 
• Elevato ingombro degli utensili 
• Realizzazione della giunzione complessa in prossimità di raccordi ed 
imbutiture 
• Forze richieste di notevole entità 
• Accesso da entrambi i lati della giunzione. 
Certamente, si è ritenuto opportuno in sede di comunità scientifica internazionale 
l’approfondimento di tali processi sotto ogni aspetto per il raggiungimento di una 
maggior comprensione della fisica dei fenomeni in essere da un lato, e l’ottenimento di 
un globale miglioramento delle prestazioni in senso generale in vista di una sempre più 
proficua applicazione nella produzione industriale di grande serie. 
Nelle seguenti pagine verrà illustrato il funzionamento di alcune di queste 
metodologie di collegamento strutturale. 
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2.2 Self–piercing riveting 
Tale tecnica7 realizza il collegamento strutturale di due componenti tramite un 
processo di deformazione plastica. In altri termini il rivetto viene premuto, sotto 
l’azione di un carico di notevole entità (40kN), contro gli elementi da collegare, 
perforando in tal modo il materiale della lamiera superiore che finisce con il deformarsi 
all’interno di quella inferiore tenuta ferma dall’azione di uno stampo (figg. 2.1, 2.2). 
 
 
 
 
        
 
 
 
 
 
 
 
Nella pagina seguente possiamo notare un insieme di 4 immagini (fig.2.3) che 
mostra, in maniera più estesa, come avviene il processo di realizzazione della giunzione 
trattata. 
                                                 
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 Self–piercing riveting, brevemente detta S.P.R. 
Fig. 2.1 – Giunzione mediante rivetto autoperforante 
Fig. 2.2 – Tecnica di rivettatura self piercing 
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L’apparecchiatura che permette di effettuare la lavorazione è mossa da un apposito 
meccanismo idraulico, mentre l’alimentazione dei rivetti avviene tramite uno specifico 
dispositivo in grado di garantire alta velocità di realizzazione del giunto e, 
conseguentemente, elevati volumi di produzione. (circa 1s ad operazione). 
La realizzazione di un giunto di qualità deve soddisfare alcune condizioni 
fondamentali e precisamente: 
• la superficie della testa del rivetto deve presentarsi parallela alla superficie 
della lamiera 
• devono essere garantite alcune condizioni geometriche tra testa del rivetto e 
lamiera 
• lo spessore della lamiera dopo il processo di collegamento non può essere 
inferiore a 0.2 mm 
• lo stampo non deve generare cricche sulla lamiera 
• non si deve avere la fuoriuscita del rivetto in qualche parte della lamiera. 
Vi sono anche alcuni svantaggi correlati all’uso di questa tecnica di giunzione 
strutturale, oltre a quelli già illustrati precedentemente, e precisamente: 
• Possibilità di corrosione galvanica tra lamierati di differente materiale 
metallico e tra rivetto e lamiera 
• Sensibilità delle fessure alla corrosione interstiziale 
• Incremento di peso dovuto alla presenza del rivetto stesso. 
Fig. 2.3 – Processo di realizzazione del giunto S.P.R.