Riveting è uno dei metodi di giunzione meccanica più significativi della storia dell'ingegneria civile e strutturale. Durante la fine del XIX e l'inizio del XX secolo, i collegamenti rivettati erano lo standard per l'assemblaggio di strutture in acciaio in ponti, grattacieli, torri e edifici industriali. La tecnica ha fornito un livello di affidabilità e durata che ha permesso agli ingegneri di erigere alcune delle strutture più iconiche ancora in piedi oggi.

Quando correttamente eseguito, un giunto rivettato distribuisce carichi, accoglie movimenti termici e resiste alla fatica in modi distinti da connessioni saldate o bulloni. Questo articolo esplora i principi metallurgici e meccanici dietro articolazioni rivettate, esamina il loro comportamento sotto carico e mette in evidenza le strutture storiche chiave che dimostrano la loro resistenza duratura.

Il processo di Riveting: Strumenti e Tecniche

L'innalzamento della costruzione di acciaio strutturale è stato un'operazione ad alta intensità di lavoro, altamente qualificata, che ha coinvolto in genere tre fasi distinte: riscaldamento, inserimento e formazione della testa.

Riscaldamento e Manutenzione

I rivetti in acciaio sono stati riscaldati in un forge portatile o forno a una temperatura tra 900°C e 1.000°C (1650°F-1830°F), al quale il metallo è diventato brillante arancione-rosso e altamente plastica. Il calore ha servito due scopi: ha ammorbidito il rivetto in modo che potesse essere deformato senza screpolature, e ha permesso al rivetto di contrarsi come raffreddato, bloccando le piastre unite insieme a forza enorme rapidamente.

Inserimento e Fibbia

Una volta che il rivetto caldo è stato posto nei fori allineati dei membri dell'acciaio, un "porta-on" ha usato un martello pesante o uno strumento pneumatico (in epoche successive) per appoggiare la testa del rivetto, mentre un "rivetro" sul lato opposto ha formato la seconda testa martellando lo stinco sporgente. La pressione ha creato una stretta, interferenza adatta che, al raffreddamento e alla contrazione notevole, ha generato una forza di bloccaggio attraverso lo scivolamento.

Raffreddamento e rinforzo

Poiché le piastre in acciaio hanno impedito al rivetto di restringere liberamente, il rivetto è venuto sotto lo stress di trazione, diventando effettivamente un fissaggio a tensione ad alta resistenza. Questo precarico ha bloccato le piastre insieme, creando l'attrito tra le superfici di faying. La forza di attrito risultante è stato un fattore chiave nella capacità di resistenza dello slittamento e del carico di trasferimento unico.

Metallurgia del Rivet

L'acciaio utilizzato per rivetti strutturali è stato accuratamente specificato. Materiali tipici inclusi acciai a basso tenore di carbonio (ad esempio, ASTM A502 Grade 1 o simili) che hanno offerto buona duttilità e formabilità quando caldo. Il ciclo riscaldato, martellato e raffreddato ha anche alterato la microstruttura del rivetto.

Una considerazione importante è che il rivetto, essendo forgiato ad alta temperatura, ha sperimentato la ricristallizzazione e la raffinatezza del grano nella testa e nello stinco, che ha migliorato le proprietà meccaniche dello stinco rispetto al magazzino originale della barra. La martellatura (deformazione plastica) ha anche eliminato qualsiasi segregazione o porosità del getto che potrebbe essere stato presente, con conseguente un materiale più omogeneo.

Il surriscaldamento potrebbe causare bruciore – ossidazione lungo i confini del grano – che ha inciso il rivetto. Il surriscaldamento ha lasciato il rivetto troppo rigido per formare una testa corretta senza screpolature. Le squadre di rivettatori esperti erano essenziali per produrre costantemente connessioni sonore. L'abilità è un motivo per cui le strutture rivettate dall'inizio del XX secolo sono spesso considerate capolavori di manualità.

Tipi di Rivetti e Configurazioni Congiunte

I rivetti strutturali sono stati realizzati in diverse forme, anche se i più comuni per gli edifici in acciaio e ponti erano la testa a bottone (testa rotonda) e la testa a controbocchetto. I rivetti a testa di pulsante sono stati utilizzati su superfici in cui la sporgenza era accettabile; le teste a controsunk erano a filo con la superficie della piastra, spesso richieste in ponti o posizioni soggette a trascinamento aerodinamico.

I giunti stessi sono stati progettati in due categorie principali: giunti di giro e giunti di punta. In un giunto di giro, le piastre si sovrappongono e sono collegati da una singola fila (o più file) di rivetti. In un giunto di punta, le piastre sono allineate end-to-end e coperte con piastre di giunzione (una o due) rivettate a entrambi i lati.

Un’altra caratteristica di design critico è stata la “lunghezza della goccia”: lo spessore totale delle piastre che si uniscono. I diametri del Rivetto sono stati scelti in genere in modo che la lunghezza della presa non superasse 4-5 volte il diametro, assicurando che lo stinco del rivetto potesse essere completamente sconvolto durante l’installazione.

Come Rivettare contribuisce all'integrità strutturale

Distribuzione del carico e flusso di stress

In un giunto ben progettato, i rivetti sono disposti in modo che il percorso di carico attraverso il giunto è il più diretto possibile, minimizzando eccentricità e piegatura secondaria. Poiché i rivetti sono relativamente ben distanziati, il flusso di stress attraverso una giunzione rivettata è più uniforme che in un collegamento di fatica con meno sollecitazioni.

Resistenza alla frizione e alla scivolata

Come notato in precedenza, la contrazione termica del rivetto di raffreddamento crea una forza di bloccaggio che preme le piastre insieme. Per un tipico rivetto strutturale da 7⁄8 pollici, la forza di bloccaggio può superare 50 a 60 kN. Questo blocca le superfici di allineamento in modo da strettamente che l'attrito da solo può resistere a una porzione significativa del carico di taglio applicato, spesso fino al 30% del carico di taglio finale del rivetto di fatica.

Flessibilità e dissipazione dell'energia

Una delle caratteristiche più lode di cornici rivettate storiche è la loro capacità di assorbire energia durante eventi dinamici come terremoti, tempeste eoliche o cambiamenti di temperatura. A differenza di un collegamento saldato rigido, che può sviluppare alte concentrazioni di stress e rottura fragile se non adeguatamente dettagliata, un giunto rivettato permette una piccola quantità di rotazione o scivolamento - in genere una frazione di grado - prima che il cuscinetto completo è stabilito.

Resistenza alla fatica

I rivetti presentano un'eccellente resistenza alla fatica rispetto ai giunti bulloni o saldati perché il bloccaggio dell'attrito impedisce ai rivetti di lavorare nel foro eccessivamente.

Esempi storici di strutture in acciaio rivestite

Il ponte di Brooklyn (1883)

Mentre principalmente un ponte sospeso, il ponte di Brooklyn fa ampio uso di acciaio rivettato nelle sue trombe di irrigidimento, torri e ancoraggi. I cavi in acciaio del ponte sono ancorati in enormi abutmenti in pietra, ma la sovrastruttura comprende migliaia di rivetti in campo a caldo che collegano i molti travi in muratura e i membri della reticola.

La Torre Eiffel (1889)

Il capolavoro di Gustave Eiffel a Parigi è una torre di reticolo costruita principalmente in ferro poddled (un materiale simile a acciaio a basso carbonio) unito da oltre 2,5 milioni di rivetti. La Torre Eiffel è un esempio di libro di testo di come rivettatura consentita per un trasferimento efficiente di carichi di vento attraverso un quadro altamente ridondante e aperto.

Il palazzo di Woolworth (1913)

Il Woolworth Building di Manhattan ha confermato fortemente la sua altezza di 792 piedi ha richiesto dei progetti di connessione innovativi per trasferire carichi dalle colonne snelle in cima alle colonne più pesanti alla base. I più recenti collegamenti a catena dell’edificio hanno eseguito superbamente; anche durante gli uragani, i restanti laterali dell’edificio

Il ponte della Forth (1890)

In Scozia, il Forth Bridge è un ponte ferroviario a cantilever composto interamente da tubi in acciaio e lattice collegati da rivetti a forma di campo. Resta una meraviglia dell'ingegneria del XIX secolo. Il ponte utilizza milioni di rivetti per formare le sue caratteristiche troie a forma di diamante. Nonostante trasportano treni pesanti di carbone e merci per oltre un secolo, le ispezioni di fatica hanno trovato pochissimi rivetti incrinati.

Sfide di conservazione e ricostituzioni

La corrosione alle superfici in faying (la zona dove si incontrano le due piastre in acciaio) è un problema comune, soprattutto nei ponti esposti ai sali di degrado o agli ambienti costieri. La corrosione in questi crepacci può causare la sicurezza dei rivetti a “rughetta” o a perdere la forza di bloccaggio. In alcune strutture storiche, i rivetti si sono fratturati al ciclo di espansione a causa della sicurezza dello shank.

Un metodo di restauro è quello di sostituire i rivetti danneggiati con nuovi rivetti a caldo di materiale e geometria simili, che richiede la formazione di una nuova generazione di rivettatori e il mantenimento di attrezzature di forge, un'abilità che è stata quasi persa dalla fine del XX secolo. Tuttavia, diversi progetti storici di ponti negli Stati Uniti e in Europa hanno utilizzato con successo rivettatura calda per ripristinare i collegamenti originali.

Un altro approccio innovativo è “guida fredda” di rivetti utilizzando utensili idraulici, ma questo metodo non fornisce la stessa forza di restringimento come rivettatura a caldo. Di conseguenza, rivetti a freddo sono tipicamente utilizzati solo per il riattaccamento di dettagli architettonici in cui la capacità di carico-portante non è critica.

Comprendere i modelli originali del rivetto, il passo e le distanze dei bordi è fondamentale per qualsiasi valutazione. Gli ingegneri devono valutare la forza di bloccaggio rimanente dei rivetti, spesso attraverso test ultrasonici o misurando la coppia necessaria per girare una testa del rivetto - un'indicazione di resistenza allo scivolamento. Se più rivetti in un giunto hanno perso il precarico, l'intero collegamento potrebbe avere bisogno di rinforzi con ulteriori elementi di fissaggio o piastre in acciaio, attentamente progettati per evitare sovrapposizioni.

La transizione alla saldatura e al bullone

Negli anni '50, la saldatura strutturale era maturata al punto in cui poteva competere con i rivetti in termini di velocità ed economia. I collegamenti saldati non richiedevano fori pre-drilled, nessuna forgia di riscaldamento e nessun equipaggio di grandi dimensioni. Inoltre, le giunture saldate erano più efficienti nel trasferimento di carichi perché non avevano bisogno di piastre o gussetti di giunzione, riducendo la quantità di acciaio utilizzato.

L'attacco ha guadagnato popolarità anche perché i bulloni ad alta resistenza (requed a a tensione controllata) potrebbero fornire forza di bloccaggio simile a rivetti caldi senza la necessità di riscaldamento. Il bullone A325, introdotto negli anni '40, è diventato uno standard per la costruzione dell'acciaio. I collegamenti a bullone sono più facili da ispezionare, installare e mantenere, e possono essere allentati per smontare se necessario.

Studi moderni e l'eredità delle connessioni rivedute

Negli ultimi decenni, i ricercatori di ingegneria strutturale hanno rivisitato i collegamenti per comprendere le loro prestazioni a lungo termine e per sviluppare linee guida per la valutazione delle strutture esistenti. I test di carico sulle trozze rivettate su larga scala hanno dimostrato che la capacità di attrito delle articolazioni rivettate è spesso superiore a quella originariamente assunta, e che il fattore di scivolamento (coefficiente di attrito) per piastre arrugginite ma ancora sonore può essere alto come 0.5.

I modelli di elementi finiti delle articolazioni rivettate hanno anche dimostrato che le tensioni residue del processo di raffreddamento non sono dannose; infatti, le sollecitazioni di compressione intorno al foro possono effettivamente aumentare la durata di fatica della piastra alzando la soglia per l'iniziazione della crepa.

L'eredità del rivetto si estende nel design moderno: alcuni architetti e ingegneri stanno ora utilizzando rivetti esposti in nuove strutture come omaggio estetico al patrimonio industriale. Inoltre, i principi di precarico, attrito e ridondanza che hanno reso i giunti rivetti così riusciti sono applicati in moderni collegamenti ad alta resistenza con bulloni di controllo della tensione. Il rivetto rimane un'icona dell'età della macchina, simbolo dello sforzo umano che ha costruito il moderno urbano.

Conclusioni

Il Riveting era molto più di un comodo metodo di giunzione per i primi telai in acciaio; era una tecnologia sofisticata che sfruttava le proprietà fisiche del metallo per creare connessioni con una forza eccezionale, duttilità e durata. La forza di serraggio generata dalla contrazione termica, dalla distribuzione uniforme dello stress, dalla resistenza allo scivolamento e dalla capacità di assorbimento dell'energia, tutto contribuì all'integrità strutturale che consentiva agli edifici storici e ai ponti di sopravvivere più di un secolo di utilizzo.

Per i professionisti coinvolti nella cura di queste strutture storiche, è essenziale una profonda comprensione di come lavori rivettanti e come continui a lavorare. Gli sforzi di conservazione che rispettano le meccaniche articolari originali sono più propensi a riuscire, sia strutturalmente che esteticamente. Come continuiamo a studiare e ammirare capolavori come la Torre Eiffel, il Ponte di Brooklyn e il Woolworth Building, riconosciamo che l'umile rivetto è un eroe nascosto dell'ingegneria strutturale, che tiene insieme le ossa di costruzione.