Instabilità in compressione di profili sottili in acciaio formati a freddo

Instabilità in compressione di profili sottili in acciaio formati a freddo      Obiettivo della tesi   
 
 
Francesco Zantonetti      1 
OBIETTIVO DELLA TESI 
 
 
L’obiettivo della presente tesi è quello di studiare il comportamento in regime di 
compressione di elementi strutturali in parete sottile formati a freddo ed in particolare 
dei montanti delle scaffalature industriali pesanti. 
 
Tali elementi sono caratterizzati da elevate snellezze e risultano pertanto interessati da 
vari fenomeni di instabilità: alla classica instabilità euleriana, si sommano le instabilità 
locali e le instabilità distorsionali, che spesso risultano essere causa di collasso per 
questo tipo di strutture. 
 
Il lavoro svolto nella presente tesi è stato sviluppato in 3 fasi: 
 
- Fase I (capitolo 1)  
Viene introdotto il materiale acciaio, descrivendo le sue caratteristiche ed il suo 
impiego nelle costruzioni. Si sono poi analizzati in particolare i profili sottili formati 
a freddo, le loro forme e tipologie, le tecniche di formatura e le caratteristiche del 
loro comportamento. Sempre per questi elementi, si sono affrontati in dettaglio i 
fenomeni di instabilità locale, distorsionale e globale. 
 
- Fase II (capitolo 2, 3 e 4)  
Vengono inizialmente descritte (capitolo 2) le prove di trazione semplice su provini 
piatti per la caratterizzazione meccanica del materiale e successivamente, in maniera 
dettagliata, le prove di compressione semplice su montanti di varia snellezza per 
determinare il carico ultimo del montante e l’influenza su questo dei fenomeni di 
instabilità locale e/o distorsionale, nonché dei sistemi di forature. 
 
Le prove si sono svolte all’interno del laboratorio della ditta ROSSS e sono state 
condotte, nell’ambito dell’attività di tirocinio, sotto la supervisione e con la 
collaborazione del responsabile del laboratorio ing. Mario Cartacci, dell’ing. 
Giovanni Lavacchini, relatore della presente tesi, e del titolare dell’azienda Stefano 
Bettini.
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A queste prove è stato affiancato uno studio del comportamento dei montanti 
attraverso la modellazione (capitolo 3) con il programma agli elementi finiti 
ANSYS 11.0. 
 
Infine, per verificare la validità delle prove sperimentali effettuate e della 
modellazione con il programma di calcolo agli elementi finiti, si è studiato il 
comportamento dei montanti seguendo le indicazioni riportate dai metodi di 
progetto proposti dalle normative Eurocodice 3 Parte 1-3 (rif. [52]) ed AISI (rif. 
[3]), come descritto nel capitolo 4. 
 
- Fase III (capitolo 5) 
 A conclusione del lavoro svolto, è stato effettuato un confronto tra i risultati 
 sperimentali, numerici (ricavati dalla modellazione) e quelli ottenuti dai metodi di 
 progetto proposti dalle normative di settore. 
 
 
Nell’ambito dei profili sottili formati a freddo, possono ottenersi sezioni di vario tipo a 
diverso grado di efficienza, che tendono a realizzare, “per forma”, il massimo 
sfruttamento della resistenza del materiale e quindi la massima leggerezza degli 
elementi. 
Tali profili sono tipicamente caratterizzati dalla presenza di sistemi continui e regolari 
di forature. 
                             
 
Figura A -  Profili sottili formati a freddo con sezioni di vario tipo e sistemi regolari di forature
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In strutture semplici, le forature devono essere previste durante la progettazione per 
consentire il passaggio di impianti, come mostrato in fig. B. 
 
 
Figura B - Le perforazioni sono previste durante la progettazione per garantire 
il passaggio degli impianti 
 
 
Nei montanti delle scaffalature metalliche, le forature sono realizzate per garantire la 
variabilità delle configurazioni degli scaffali, come mostrato in fig. C.     
 
      
 
Figura C -  Serie regolare di forature nel montante di una scaffalatura metallica
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I codici di progetto esistenti per elementi strutturali in acciaio formati a freddo con 
forature, sono limitati a determinate dimensioni, forme e configurazioni. 
Queste limitazioni possono ostacolare la flessibilità di progetto dell’ingegnere e ridurre 
l’utilizzazione di elementi formati a freddo per i quali le forature superano i limiti 
prescritti.  
 
 
La messa a punto della modellazione dei profili sottili formati a freddo con ANSYS, 
attraverso il confronto con i valori ottenuti dalle prove di compressione ed i risultati 
raggiunti seguendo le indicazioni riportate dai metodi di calcolo proposti dalle 
normative, ha consentito la determinazione della resistenza a compressione e del 
comportamento nei confronti dell’instabilità di elementi strutturali in parete sottile 
formati a freddo con e senza forature. 
 
 
Questo modo di procedere può rappresentare un ausilio nello sviluppo di nuove 
tipologie di sezione (“design by modelling”), il cui comportamento può essere valutato 
preliminarmente tramite modellazione numerica. La realizzazione di campioni e la 
successiva sperimentazione in laboratorio (“design by testing”), rappresentano 
comunque elementi necessari per la verifica delle proprietà della sezione stessa.
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1 INTRODUZIONE  
 
1.1 IL MATERIALE 
 
 1.1.1 Prodotti 
 
L’industria siderurgica fornisce alla progettazione delle costruzioni metalliche una 
vastissima gamma di prodotti. 
La costruzione di un’opera assume l’aspetto di una composizione di tali prodotti ed il 
corrispondente problema progettuale si identifica nella scelta più razionale delle 
componenti strutturali e delle loro modalità di assemblaggio. 
Se si escludono alcuni elementi speciali, quali ad esempio gli apparecchi di appoggio o 
particolari tipi di vincolo, che sono ottenuti mediante i metodi della fucinatura o 
fonderia, tutti i prodotti da carpenteria provengono dal processo di laminazione. 
Da un lato ci sono le lamiere che rappresentano elementi di base con cui è possibile 
realizzare qualsiasi forma, dall’altro i profilati, i cui tipi e dimensioni derivano da una 
pre-progettazione che fornisce elementi strutturali già “prefabbricati” nell’intento di 
soddisfare le esigenze costruttive. 
 
L’insieme dei prodotti laminati dà corpo al cosiddetto “sagomario”, la cui unificazione è 
già notevolmente spinta su scala europea e si sta estendendo a tutto il mondo. 
 
Nel linguaggio commerciale col nome di “laminati” si intendono in pratica le “lamiere”, 
distinte in: 
- lamierini (con spessori inferiori a 1 mm); 
- lamiere sottili (con spessori compresi fra 1 e 4 mm); 
- lamiere medie (con spessori compresi fra 4 e 50 mm); 
- lamiere spesse (con spessori superiori a 50 mm). 
 
A seconda della larghezza di fabbricazione, si fa distinzione fra larghi piatti e lamiere: i 
primi hanno lunghezza compresa fra 200 e 1000 mm con spessore massimo di 40 mm, 
mentre le lamiere sono ottenute dal laminatoio universale e raggiungono le massime 
dimensioni possibili fra i prodotti laminati.
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Sotto il nome di “profilati” vanno raggruppate le barre aventi sezioni caratteristiche a 
contorno aperto: 
- ad I con ali rastremate (tipo IPN); 
- ad I e ad H con ali parallele (tipi IPE ed HEA, HEB, HEM, unificati sul piano 
europeo secondo EURONORME); 
- a 
┌
 , a T, a Z, a L con lati uguali e disuguali; 
- “tubi” o “profili cavi” aventi sezione chiusa a perimetro tondo, quadrato o 
rettangolare. 
 
Alcuni esempi di profili laminati a caldo sono illustrati in fig. 1.1, mentre le loro 
caratteristiche geometriche sono contenute in appositi sagomari. 
 
Figura 1.1 - Tipologie di profili laminati (da [11]) 
 
Oltre ai profili a doppio T della serie IPE ed HE, prodotti in varie altezze fino a 620 mm 
(HE 600 M), è disponibile in commercio una vasta gamma di profili saldati a doppio T 
(fig. 1.2) già predimensionate a partire da lamiere con spessori (mm): 
12, 14, 19, 22, 25, 26 
e nelle altezze (mm): 
300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500,   
1600, 1700.
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A questa varietà dimensionale appartengono le serie denominate ISE-HSE-HSL-HSA-
HSH-HSD, le cui caratteristiche geometriche sono pure fornite in appositi sagomari. 
 
 
Figura 1.2 - Tipologie di profili a doppio T saldati (da [11]) 
 
Queste travi a doppio T saldate hanno praticamente sostituito le analoghe travi chiodate 
(fig. 1.3) del passato e sono ottenute da lamiere a caldo, saldando direttamente due piatti 
all’anima. 
 
 
Figura 1.3 - Tipologie di profili a doppio T chiodati (da [11])
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Con la tecnologia della saldatura è possibile ottenere il massimo sfruttamento statico 
della sezione a doppio T: accoppiando un’anima di acciaio comune (Fe 360 ad esempio) 
con ali di acciaio ad elevato limite elastico (T1 ad esempio) si ottengono le cosiddette 
“travi ibride” che, per la razionale localizzazione del materiale in relazione al cimento 
statico delle varie parti, possono considerarsi una brillante applicazione della ben nota 
“quarta dimensione” della costruzione metallica: sotto questo nome si intende indicare 
la possibilità di affiancare alle scelte di carattere geometrico (tre dimensioni) un quarto 
parametro di variabilità dato dalle caratteristiche di resistenza differenziata che fornisce 
la vasta gamma degli acciaia da costruzione. 
 
Sezioni con forme e/o dimensioni non contenute nel “sagomario” europeo, possono 
sempre ottenersi in composizione saldata a partire da lamiere a caldo. 
Nel campo delle grandi dimensioni, si ricordano i profili cosiddetti “jumbo” prodotti in 
USA come laminati a doppio T (fig. 1.4) e a partire da lamiere con spessori da 1.5’ a 3’ 
pollici. 
 
 
Figura 1.4 - Tipologie di profili “jumbo” laminati a doppio T (da [11]) 
 
 
Sezioni di più varie forme, possono inoltre ottenersi con il processo di sagomatura a 
freddo, mediante piegatrici, di lamiere e nastri di acciaio con spessore nell’ordine di 
4 3  mm. Questi profilati sagomati a freddo vengono anche indicati sotto il nome di 
“profili sottili” (fig. 1.5).
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Figura 1.5 - Tipologie di profili sottili formati a freddo più diffuse (da [11]) 
 
Con la stessa tecnologia, da lamiere sottili a freddo si ottengono le sagomature ondulate, 
grecate, scatolate, di vastissimo impiego come elementi di chiusura verticale ed 
orizzontale. 
 
Il processo di piegatura a freddo presenta una flessibilità estremamente più ampia 
rispetto alla laminazione che consente invece un numero limitato di sagome. 
Nell’ambito dei profili sottili possono ottenersi le sezioni più varie e più razionali, che 
realizzano “per forma” il massimo sfruttamento della resistenza del materiale e quindi la 
massima leggerezza della carpenteria di acciaio. 
L’estrema sottigliezza delle pareti in questi profili richiama particolarmente l’attenzione 
verso i pericoli connessi sia a fenomeni di corrosione sia a fenomeni di instabilità locale 
(par. 1.3).
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  1.1.1.1 Imperfezioni 
 
Il comportamento delle strutture in acciaio (e quindi la capacità portante dei singoli 
elementi) dipende, a volte anche significativamente, dalla presenza di imperfezioni. 
 
Queste vengono distinte, a seconda della loro natura, in: 
- imperfezioni strutturali o meccaniche 
- imperfezioni geometriche. 
 
Imperfezioni strutturali 
 
Sotto il nome di “imperfezioni strutturali” o “imperfezioni meccaniche” si intendono 
sostanzialmente raggruppate: 
 
- la presenza di tensioni residue; 
- la disomogenea distribuzione delle caratteristiche meccaniche lungo la sezione 
trasversale dei profilati. 
 
Sono indicati col nome di “tensioni residue” o “autotensioni” quegli stati tensionali 
interni autoequilibrati presenti negli elementi metallici in stretta dipendenza dei processi 
tecnologici di produzione industriale. Esse si generano in un corpo, quando esso subisce 
deformazioni plastiche non uniformi; in assenza di forze esterne che le contrastino, le 
tensioni residue sono sempre di natura elastica. Lo stato deformativo disomogeneo che 
genera stati tensionali residui nei profilati metallici dipende da procedimenti industriali 
di tipo termico (raffreddamento, saldatura, taglio alla fiamma) e di tipo meccanico 
(laminazioni a freddo, raddrizzamento). 
 
Anche la disomogenea distribuzione delle caratteristiche meccaniche lungo la sezione 
trasversale degli elementi metallici è strettamente legata ai loro processi tecnologici di 
produzione. Fra le varie caratteristiche meccaniche quella di cui interessa maggiormente 
la variazione ai fini del comportamento strutturale degli elementi metallici è la tensione 
di snervamento. 
 
Le più recenti tendenze nella valutazione della capacità portante delle membrature di 
acciaio sono concordi nel prendere in conto la presenza di tali imperfezioni, decretando 
l’indiscusso abbandono delle “aste ideali” perfettamente rettilinee e di materiale 
isotropo ed omogeneo, esente da stati tensionali interni, che sono stati invece sostituite