La sicurezza e la durata di un quadro in acciaio strutturale dipendono in modo critico dalle prestazioni dei suoi collegamenti. Mentre travi e colonne portano i carichi primari, sono le articolazioni bullonate che trasferiscono sollecitazioni tra i membri e forniscono la stabilità complessiva del telaio. Una combinazione di noce e bulloni non correttamente selezionati può introdurre concentrazioni di stress, ridurre la duttilità, o accelerare la corrosione, compromettere infine l'integrità strutturale.

Standard di governo e proprietà meccaniche

Le proprietà meccaniche dei dispositivi di fissaggio strutturali sono definite dagli standard materiali che garantiscono la coerenza e le prestazioni prevedibili sotto carico. Gli standard di governo in Nord America sono sviluppati da ASTM International e approvati dall'AISC, mentre le regioni metriche si affidano a ISO 898-1 e EN 14399.

Standard nordamericani: ASTM F3125

I bulloni strutturali ad alta resistenza sono regolati da ASTM F3125, che ha sostituito le specifiche A325 e A490 legacy. F3125 Grade A325 copre i bulloni in acciaio a medio-carbonio con una resistenza minima di 120 ksi per diametri fino a 1 in. e 105 ksi per i diametri più grandi.

Standard metrici: ISO 898-1 e EN 14399

I bulloni di classe 898-1 sono classificati per classi di proprietà definite in ISO 898-1. I bulloni di classe 8.8 hanno una resistenza minima di 800 MPa e i bulloni di classe 10.9 raggiungono 1000 MPa. I bulloni di classe 12.9 offrono la massima resistenza ma sono spesso limitati nelle applicazioni strutturali a causa di una ridotta duttilità e di una suscettibilità di embrionamento dell'idrogeno.

Identificazione e tracciabilità del grado

I marchi di testa di bullone forniscono un mezzo visivo di identificazione del grado nel campo. Un ASTM F3125 bullone di grado A325 è contrassegnato A325, e un bullone di grado A490 è contrassegnato A490, insieme al simbolo di garanzia del produttore.

Tipologia di connessione e Meccanismi di trasferimento carichi

La scelta di una combinazione di noce e bullone è dettata da come le forze di trasferimento della connessione. Le connessioni strutturali sono classificate come tipo di cuscinetto, scivolo-critico o controllato dalla tensione, ognuna con requisiti di fissaggio distinti e protocolli di installazione.

Connessioni con cuscinetti

I bulloni di carico e la resistenza dei cuscinetti a piastra regolano il disegno. I fili possono essere inclusi o esclusi dal piano di taglio. Quando i fili sono esclusi, il che significa che il foro non trattato copre il piano di taglio, l'area di taglio del bullone è più grande, aumentando la capacità. Le connessioni di tipo cuscinetto sono progettate per consentire lo scivolamento limitato tra le penne di stanchezza sotto carico.

Collegamenti a scorrimento-critico

Le connessioni a scorrimento-criticale si basano sulla forza di bloccaggio del montaggio a bullone per trasferire il carico attraverso l'attrito tra le superfici di faying. La resistenza allo scorrimento è una funzione di pretensione del bullone e il coefficiente di scivolamento della superficie, che è classificato come Classe ATI, B o C per la specifica AISC.

Collegamenti di tensione

Le bulloni di resistenza del filo D56 devono essere incluse nel disegno. La capacità di trazione del bullone di trazione è determinata dalla sua zona di sforzo di trazione, e le forze di potatura introdotte dalla deformazione dei flange collegati devono essere incluse nel disegno.

Selezione dei materiali per le condizioni di servizio

L'ambiente di servizio è un fattore decisivo nella selezione dei materiali di fissaggio. L'esposizione alla corrosione, gli estremi della temperatura e il contatto chimico influiscono tutte sulle prestazioni a lungo termine e devono essere valutati durante il processo di specificazione.

Acciaio al carbonio e alla lega

I bulloni ASTM A325 e A490 sono realizzati in acciai a media carbonio e in lega, rispettivamente, e sono trattati termicamente (intagliati e temprati) per raggiungere le loro proprietà meccaniche. I bulloni aggressivi in acciaio zincato o leggermente sono adatti per ambienti interni, secchi.

Temporaneizzazione dei dispositivi di fissaggio in acciaio

I gradi di acciaio temperante (A325 Type 3 e A490 Type 3) formano una patina di ossido stabile che riduce i tassi di corrosione in condizioni atmosferiche adeguate. Questi bulloni contengono rame, cromo e nichel per soddisfare le caratteristiche di corrosione dei membri dell'acciaio atmosferico. Quando vengono utilizzati i bulloni di tipo 3, i dadi devono anche essere conformi ai requisiti di chimica e marcatura di tipo 3.

Chiusura in acciaio inox

I bulloni in acciaio inossidabile austriaci (ASTM A193 Grade B8, Classe 1 o 2) sono specificati per ambienti ad alta corrosione come strutture marine, impianti di acque reflue e impianti chimici. Grade B8 (Tipo 304) e B8M (Type 316) offrono una buona resistenza alla corrosione generale. Tuttavia, la loro resistenza al rendimento è circa il 50% di un bullone simile in acciaio al carbonio.

Rivestimenti e Protezione contro la corrosione

La selezione di un sistema di rivestimento deve bilanciare la protezione della corrosione con i requisiti meccanici del dispositivo di fissaggio. La zincatura a caldo (HDG) è il metodo più comune per i bulloni strutturali, fornendo uno strato spesso e sacrificale di zinco. La zincatura meccanica è un'alternativa che evita le alte temperature di HDG, riducendo il rischio di embrionamento dell'idrogeno in acciai ad alta resistenza.

Effetti di temperatura

I bulloni strutturali utilizzati nelle applicazioni a bassa temperatura devono soddisfare i requisiti di impatto Charpy V-notch per evitare la frattura fragile. I bulloni ASTM A490 hanno requisiti di resistenza a 70°F, ma per temperature di servizio inferiori a -20°F, bulloni Grade A325 o bulloni A320 Grade L7 sono spesso specificati. Il materiale da da dado deve anche dimostrare una resistenza adeguata ai striscianti.

Telaio geometrico: dimensionamento, spaziatura e tipi di foro

La disposizione dei bulloni all'interno di una connessione è regolata da stati limite che includono la rottura del foro del bullone, la rottura della sezione di blocco, la rottura della sezione netta e la rottura della cinghia di taglio del blocco.

Dimensioni e variazioni ammissibili del foro standard

Fori standard per bulloni strutturali sono perforati o perforati 1/16 in. più grande del diametro nominale del bullone per bulloni fino a 1 diametro. Fori oversize, consentiti solo in connessioni a scorrimento-criticale, consentono una maggiore tolleranza di erezione ma richiedono lavatrici indurite sul foro. I fori scanalati forniscono la regolabilità longitudinale ma devono avere l'asse di fessura orientato perpendicolare alla direzione di carico, dove possibile minimizzare la deformazione dello scivolamento.

Bordo Distanza e requisiti di Piazzola

La distanza dal centro di un foro di bullone al bordo della parte collegata deve essere sufficiente per evitare la rottura della cinghia. Le distanze minime dei bordi sono specificate nella tabella J3.4 AISC 360 e variano per diametro del bullone e tipo di bordo (svegliato, laminato o tagliato a gas). Il campo, o la spaziatura centrale dei bulloni, è limitata ad un minimo di 2/3 volte il diametro nominale del bullone per garantire un corretto ingresso e prevenire il cuscinetto.

Compatibilità con l'ingaggio e l'assemblaggio del filetto

Abbinando un dado a un bullone comporta più che garantire la calzatura dei fili. Il dado deve sviluppare la capacità di trazione completa del bullone senza la strisciatura del filo o l'espansione radiale.

Filettatura Adatta e Piazzola

I fili di rame unificato (UNC) sono standard per i fissaggio strutturali negli Stati Uniti. I fili di metallo grossolano (ISO 261) sono utilizzati a livello internazionale. La forma del filo definisce la scioltezza o la tenuta tra i fianchi del filo. Per i montaggi strutturali, la classe 2A (bolt) e la classe 2B (nut) forniscono una vestibilità libera che soddisfa i normali spessori di rivestimento e la movimentazione del campo.

Altezza del nodo e Compatibilità del carico di prova

L'altezza del dado determina l'area di taglio disponibile per la strisciatura dei fili interni.Le noci pesanti ASTM A563 Grade DH hanno un'altezza minima di 5/8 volte il diametro nominale del bullone per i fili grossolani. Questa geometria assicura tipicamente che il bullone si frattuglierà in tensione prima della striscia di fili di dado, purché il carico di prova del dado sia uguale o superiore alla resistenza minima del bullone.

  • ASTM F3125 bullone A325 Grade:[ ASTM A563 Grade DH o DH3 noce (heavy hex). Per assemblaggi zincati a caldo, utilizzare noci Grade DH con filetti sovrapposti per ASTM A563.
  • ASTM F3125 Grade A490 bullone:[ ASTM A563 Grade DH dado (heavy hex).
  • ASTM F1554 ancoraggio asta (classe 55 o 105):[ ASTM A563 Grade DH dado per grado 105; Grado A o C per grado 36.
  • ISO 898-1 Classe 10.9 bullone:[ ISO 898-2 Classe 10 dado, stile 2 (heavy hex).
  • ISO 898-1 Classe 8.8 bullone:[ ISO 898-2 Classe 8 dado, stile 1.

Lubrificazione e controllo della coppia di taglio

La coppia applicata a un dado viene consumata principalmente da attrito sotto il dado e nei fili, con solo circa il 10% della coppia convertita in pretensione del bullone. Le variazioni di attrito causano uno spargimento significativo nel rapporto di coppia-tensione. L' lubrificazione riduce la calibrazione e migliora la consistenza del bullone.

Metodologia di installazione e controllo qualità

L'installazione corretta è essenziale per sviluppare la pretensione necessaria per le giunzioni a scorrimento e a controllo della tensione.La specifica RCSC per le giunture strutturali che utilizzano bulloni ad alta resistenza riconosce quattro metodi di pretensionamento accettati.

Installazione a tenuta stagna

Un giunto è stretto quando tutti i piloni vengono tirati in contatto fermo senza lacune visibili. Questa condizione è raggiunta da pochi impatti di una chiave di impatto o dal pieno sforzo di un lavoratore utilizzando una chiave di sfiato. La tenuta di snodo è accettabile per le connessioni di tipo cuscinetto utilizzando fori standard a meno che il design non richieda la pretensione.

Metodo di turni di nut

Dopo che tutti i picchi sono portati a una condizione di tenuta stagna, il dado viene ruotato una frazione aggiuntiva predeterminata di un giro rispetto al bullone. Questa rotazione si traduce nella pretensione del bullone richiesto. La rotazione richiesta dipende dalla lunghezza del bullone e dalla pendenza del dado faccia rispetto ai fili del bullone. Per i bulloni con una lunghezza pari o inferiore a quattro volte il diametro, un 1/2 giro è tipico.

Metodo di chiave calibrata

Le chiavi di coppia o le chiavi di impatto sono impostate per fornire una coppia determinata da test per ogni dimensione del bullone, grado, lubrificazione e lotto. La chiave deve essere calibrata ogni giorno, e un test di verifica della coppia su tre bulloni dal lotto viene eseguito almeno una volta al giorno. Il dado viene girato fino a quando i segnali della chiave che la coppia di destinazione è stata raggiunta.

Indicatori di tensione diretti

DTI sono lavatrici indurite con sporgenze che si appiattiscono man mano che il bullone è stretto. Il divario tra la rondella e la superficie del cuscinetto è controllato con un manometro del tatto per confermare che la pretensione specificata è stata raggiunta. DTIs per ASTM F959 sono disponibili per i bulloni A325 e A490 e forniscono un'indicazione visiva affidabile di pretensione indipendente da coppia e attrito.

Protocollo di ispezione e verifica

Dopo l'installazione, vengono eseguiti i seguenti controlli di ispezione sul campo. Il viso del dado deve essere a filo, e i fili del bullone devono sporgere almeno un filo completo al di là del dado. Non più di tre fili devono sporgere in articolazioni strutturali. Qualsiasi dado che può essere girato a mano dopo la pretensionazione indica un assemblaggio fallito che deve essere sostituito.

Durata e gestione del ciclo di vita a lungo termine

La durata di un collegamento a bullone dipende dai dettagli del design che si estendono oltre l'installazione iniziale. I dispositivi tra i plies possono intrappolare l'umidità e accelerare la corrosione. La sigillatura delle superfici o dei percorsi di drenaggio dettaglianti è raccomandata per le strutture esposte. L'isolamento galvanico deve essere fornito dove i metalli dissimili sono uniti, come bulloni in acciaio inossidabile sui membri dell'acciaio al carbonio.

Le articolazioni critiche richiedono un attento dettaglio per ridurre le concentrazioni di stress. Il raggio di radice del filo, la transizione testa a punto e la lunghezza di presa influenzano tutta la durata di fatica di un bullone. Pretensione migliora la resistenza alla fatica riducendo il componente di stress alternante. I filetti devono essere esclusi dal piano di taglio dove la fatica governa, e il run-out del filo dovrebbe verificarsi al di fuori dei pili articolari.

Le barre di ancoraggio incorporate in cemento presentano un insieme diverso di sfide di durata. La parte dell'asta che passa attraverso la piastra di base e di grout è suscettibile alla corrosione se non adeguatamente rivestita o maniche. ASTM F1554 copre tre gradi (36, 55 e 105) e offre tre opzioni di protezione della corrosione: normale, zincato, o con un rivestimento di zinco supplementare.

I controlli periodici di fissaggio in servizio sono consigliati per le strutture con una lunga durata di progettazione. Ponti, gru e edifici industriali dovrebbero avere un piano di ispezione di connessione bullonata. Le noci sciolte, bulloni rotti o la colorazione di corrosione indicano la necessità di una riparazione.

La scelta della combinazione corretta di noce e bullone per la lavorazione strutturale dell'acciaio richiede una valutazione sistematica dei carichi di progettazione, della tipologia di connessione, dell'ambiente di servizio e dei vincoli di installazione. Il processo inizia con i codici edili ed i materiali applicabili, che definiscono le proprietà meccaniche minime e i requisiti geometrici.