Il significato storico di Riveting in costruzione di Skyscraper

Dal tardo XIX secolo alla metà del XX secolo, quasi ogni grande grattacielo si affidava a rivetti a caldo per collegare travi, colonne e traverse. I lavoratori hanno riscaldato rivetti a temperature a ciliegia, inseriti attraverso fori allineati in acciai, e poi hanno martellato la fine sporgente in una seconda testa con strumenti manuali di trasferimento.

A differenza dei primi elementi di fissaggio filettati, i rivetti riempirono l'intero diametro del foro sul raffreddamento, creando una calzatura stretta che minimizzò lo scivolamento e il movimento sotto carichi di servizio. Questa caratteristica fece connessioni rivettate particolarmente adatte ai modelli di carico ripetitivi sperimentati in edifici alti sottoposti a vento e attività occupante.

I grattacieli storici come il Woolworth Building, il Chrysler Building e l'Empire State Building si affidarono a milioni di rivetti per raggiungere le loro altezze record. La American Society of Civil Engineers ha riconosciuto molte di queste strutture come punti di riferimento storici proprio per le innovative tecniche costruttive che impiegavano.

La comprensione della storia del rivetto è importante perché stabilisce la linea di base per valutare come questi collegamenti si esibiscono in eventi estremi come i terremoti. Molti degli edifici più alti del mondo nelle regioni sesticamente attive sono stati costruiti durante l'era rivettante, e la loro occupazione sicura continua dipende da una conoscenza accurata di come le articolazioni rivettate rispondono alle forze laterali.

Proprietà meccaniche delle articolazioni rivedute sotto carico sismico

I temoni soggetti a strutture di costruzione a spostamenti laterali ciclici che possono causare danni progressivi se le connessioni non sono adeguatamente progettati. Il comportamento meccanico di giunti rivetti differisce da quello di connessioni saldate o bulloni in diversi modi che influiscono direttamente sulle prestazioni sismiche. Gli ingegneri che valutano le strutture rivettate esistenti devono considerare proprietà come duttilità, capacità di dissipazione dell'energia, rigidità e modalità di guasto.

Dutility e dissipazione energetica

La duttilità descrive la capacità di un materiale o di un collegamento per subire deformazione plastica senza frattatura. Nel design sismico, i collegamenti duttili permettono alla struttura di assorbire l'energia terremotata attraverso la resa controllata piuttosto che resistendo elasticamente alle forze fino a quando non si verifica un'improvvisa insufficienza.

La ricerca pubblicata nel Journal of Structural Engineering ha dimostrato che i rivetti a caldo sviluppano tensioni residue mentre si raffreddano, aumentando la forza di bloccaggio tra piastre collegate. Questa forza di bloccaggio migliora la componente di attrito del giunto, permettendo di dissipare l'energia attraverso lo scorrimento attrito durante l'eccitazione sismica.

Distribuzione del carico e ridondanza

Una tipica connessione rivettata utilizza più rivetti disposti in modelli lungo le linee di gabbia dei membri collegati. Questa molteplicità crea ridondanza intrinseca: se un rivetto inizia a fallire, i restanti rivetti possono ridistribuire il carico ad altre parti del collegamento. La distribuzione del carico non è perfettamente uniforme a causa di effetti di taglio elastico, ma la presenza di rivetti multipli fornisce un margine di sicurezza che manca di connessioni di fissaggio singolo.

La ridondanza dei collegamenti rivettati è un vantaggio strutturale durante i terremoti, dove gli eventi localizzati possono verificarsi come le vie dell'edificio. AISC Specifica per gli edifici in acciaio strutturale[] riconosce l'importanza della ridondanza nei sistemi di resistenza della forza sismica.

Stiffness e Serviceability

Le giunzioni rivettate sono generalmente più rigide delle connessioni a bullone ma meno rigide delle connessioni saldate a piena penetrazione. La rigidità colpisce come l'edificio risponde ai movimenti sismici perché influenza il periodo naturale della struttura. Un edificio più rigido attrae forze sismiche più elevate ma sperimenta spostamenti più piccoli. Le connessioni a rischio offrono livelli di rigidità intermedie che, in molti grattacieli storici, hanno prodotto periodi naturali che evitano le frequenze regionali.

La calzata di rivetti a caldo elimina gran parte della calzatura che si verifica in connessioni a bullone con fori standard. Questa calzata stretta garantisce che l'edificio non subisca cambiamenti improvvisi durante i terremoti moderati, che potrebbero danneggiare componenti non strutturali e finiture interne.

Analisi comparativa: Rivettato vs. Welded vs. Bolted Connections

La moderna costruzione ad alta velocità utilizza principalmente connessioni saldate e bulloni, ma ogni metodo ha vantaggi e limitazioni distinti quando valutata per la resistenza sismica.

Collegamenti saldati

La saldatura crea un legame metallico continuo tra i membri dell'acciaio, producendo una connessione con rigidità e resistenza molto elevate. Nelle applicazioni sismiche, i collegamenti a momento saldati possono sviluppare la piena capacità di momento in plastica del fascio, che è auspicabile per la dissipazione dell'energia attraverso la cerniere del fascio. Tuttavia, le connessioni saldate richiedono un controllo di qualità attento per evitare difetti come fusione incompleta, inclusione della scoria e cracking dell'idrogeno.

Il terremoto del Northridge del 1994 ha esposto gravi vulnerabilità nelle connessioni di momento saldate che erano state ampiamente utilizzate nei frame di costruzione. Molti collegamenti hanno sperimentato fratture fragili all'interfaccia saldata-colonna prima che i travi potessero sviluppare la loro capacità di plastica. Ciò ha portato a cambiamenti importanti nel design di connessione sismica, compresi i requisiti per connessioni prequalificate con maggiore duttilità.

Collegamenti a bullone

I bulloni ad alta resistenza sono il metodo più comune di montaggio sul campo nella costruzione moderna dell'acciaio. I bulloni possono essere installati rapidamente con requisiti minimi di abilità rispetto alla saldatura o alla rivettatura. I collegamenti a spirale utilizzano bulloni pretensionati che bloccano le piastre collegate insieme, creando attrito che resiste a scivolare sotto carichi di servizio.

Le connessioni a bullone non sono in grado di adattarsi a un'altezza di rivetti a caldo, perché il diametro del bullone è leggermente più piccolo del foro per consentire l'installazione. Questa clearance crea un intervallo di slittamento prima che il bullone orsi contro la piastra, che può portare alla deformazione del collegamento che può essere indesiderabile in alcuni sistemi sismici forza-resistenza. Inoltre, le connessioni bullone si basano su un bloccaggio del dado per sviluppare la pretensione, che può rilassare, che può rilassarsi nel tempo, che può richiedere la resistenza a causa di vibrazioni e non è la testa di fissaggio.

Collegamenti rivestiti in contesto

Le connessioni rivettate offrono una combinazione unica di proprietà che non si rivelino né si saldano né si bloccano completamente. Il metodo di installazione a caldo produce un fissaggio che riempie completamente il foro, fornendo una superficie cuscinetto lungo tutta la lunghezza del cofano del rivetto. Le tensioni residue di raffreddamento creano forze di bloccaggio paragonabili a bulloni pretensionati, e il comportamento della guaina duttile del materiale rivetto fornisce capacità di dissipazione di energia.

Per gli edifici esistenti che erano stati rivettati, mantenere il tipo di connessione originale durante la retrofitting sismica può essere vantaggioso perché conserva le caratteristiche di percorso di carico e duttilità che la struttura ha già dimostrato nel corso di decenni di servizio.

Studi di casi: Skyscrapers Rivestiti che hanno sopravvissuto i grandi terremoti

I dati sulle prestazioni reali dei terremoti reali forniscono le prove più convincenti per la resilienza sismica delle strutture rivettate.Esaminando come i grattacieli rivettati storici sono stati fatti durante i principali eventi sismici offre informazioni pratiche per gli ingegneri e i proprietari di edifici.

L'Empire State Building

L'Empire State Building è stato completato nel 1931 con circa 10 milioni di rivetti nella sua struttura in acciaio. Il sistema strutturale dell'edificio è costituito da una struttura in acciaio rigido con connessioni di momento rivettate alle giunture a travi-colonna. Questa struttura ha sperimentato numerosi eventi terremoti nella sua storia di quasi secolo, tra cui il terremoto di Massena del 1944 e il terremoto della Virginia del 2011 che ha colpito gran parte degli Stati Uniti orientali.

Dopo ogni terremoto, le ispezioni dell'Empire State Building non hanno rivelato danni strutturali significativi ai collegamenti rivettati. Il lungo periodo naturale dell'edificio, combinato con la duttilità dei suoi giunti rivettati, gli ha permesso di rispondere ai movimenti di terra senza sovrapporre i collegamenti.

Altri esempi notevoli

Molti altri grattacieli rivettati hanno dimostrato resistenza sismica. La Piramide Transamericana di San Francisco, completata nel 1972, utilizza una combinazione di connessioni rivettate e bulloniate nel suo innovativo sistema strutturale. Nonostante sia situata vicino alla Faglia di San Andreas, l'edificio si è esibito bene durante il terremoto di Loma Prieta del 1989 e il terremoto Napa del 2014.

Il Columbia Center di Seattle, completato nel 1985, è uno degli edifici più alti del Pacifico nord-ovest e utilizza connessioni rivettate nella sua struttura centrale. L'edificio è sopravvissuto al terremoto del 2001, che ha causato danni molto diffusi alle strutture murarie non rinforzate della regione.

La scienza delle modalità di fallimento Rivet durante gli eventi sismici

Capire come le connessioni rivettate possono fallire sotto carico sismico è essenziale per valutare la loro sicurezza e progettare i retròfit. Il guasto di Rivet comporta in genere uno dei tre meccanismi principali: guasto della cinghia, guasto del cuscinetto o fesura. Ogni modalità di guasto ha caratteristiche distinte che gli ingegneri devono valutare quando analizzano le strutture esistenti.

Guasto di taglio

In una geometria rivettata, il rivetto passa attraverso fori allineati nelle piastre collegate, e il carico applicato tende a celare il rivetto all'interfaccia tra le piastre. La resistenza del rivetto di un rivetto dipende dal suo diametro, le proprietà materiali dell'acciaio rivetto e il numero di piani di taglio.

Durante un terremoto, le forze di taglio nei rivetti possono diventare grandi a causa degli spostamenti laterali ciclici del telaio. Tuttavia, i rivetti mostrano in genere un comportamento duttile nella guaina, il che significa che allungano e deformano significativamente prima della fratturazione. Questa risposta duttile permette la connessione a continuare a trasportare il carico anche dopo che il rivetto ha subito una sostanziale deformazione plastica.

Guasto di cuscinetto

Come il rivetto preme contro la piastra, il materiale della piastra può cedere e allungare il foro, aumentando la clearance e riducendo potenzialmente l'efficacia del collegamento. L'insufficienza cuscinetto è spesso associata a piastre sottili o materiali con bassa resistenza alla compressione rispetto al diametro del rivetto.

Nel carico sismico, il guasto del cuscinetto può accumularsi su più cicli, poiché il rivetto porta ripetutamente contro la piastra in direzioni alternate. L'allungamento progressivo dei fori del rivetto può portare a una deformazione significativa del collegamento e a una riduzione della rigidità. Gli ingegneri che valutano i collegamenti rivettati per la resistenza sismica devono controllare la capacità del cuscinetto delle piastre per garantire che possano resistere alle forze massime previste senza eccessiva deformazione.

Gravida Cracking

Il cracking faticoso è una modalità di fallimento che si verifica quando un rivetto o materiale piatto circostante sperimenta cicli di stress ripetuti che causano l'iniziazione e la propagazione della crepa. Il carico sismico in genere comporta bassa, stanchezza ad alta resistenza, dove solo poche centinaia di cicli possono essere sufficienti per causare la crepa.

La resistenza alla fatica dei collegamenti rivetti è influenzata dalla qualità dell'installazione del rivetto. I rivetti a guida improprio che non riempiono completamente il foro o che hanno teste scarsamente formate possono avere una ridotta durata di fatica. Al contrario, rivetti correttamente installati con una buona vestibilità e una forza di bloccaggio adeguata possono raggiungere la resistenza alla fatica paragonabile a quella dei collegamenti a bullone.

Moderno retrò delle strutture rivestite per la resilienza sismica

Molti edifici esistenti con telai in acciaio rivettato sono stati progettati prima di sviluppare moderni codici sismici. L'introduzione di queste strutture per soddisfare gli standard di prestazioni sismiche attuali comporta spesso migliorare le connessioni rivettate esistenti o integrarli con elementi aggiuntivi. L'obiettivo di retrofitting è quello di aumentare la forza dell'edificio, la rigidità, o duttilità per garantire che possa resistere ai movimenti terremoti previsti senza collasso.

Metodi di valutazione

Prima di progettare un retrofit, gli ingegneri devono valutare la condizione esistente dei collegamenti rivettati. L'ispezione visiva può identificare i segni di corrosione, deformazione o cracking che possono indicare distress. I test a ultrasuoni possono rilevare difetti interni in rivetti e piastre, mentre i test di particelle magnetiche possono identificare le crepe di superficie in teste di rivetto e materiale circostante.

I metodi di valutazione analitica, inclusa la modellazione degli elementi finiti, possono simulare il comportamento dei collegamenti rivettati sotto il carico sismico e identificare le modalità di guasto potenziali. Il documento [FEMA P-750[[]]] fornisce linee guida per la valutazione sismica e la retrofit degli edifici esistenti, compresi quelli con telai in acciaio rivetti.

Tecniche di rinforzo

Sono disponibili diverse tecniche per il rafforzamento dei collegamenti rivetti negli edifici esistenti. L'aggiunta di piastre di copertura saldate o di irrigidimenti bulloni possono aumentare la capacità e la duttilità del collegamento. Gli angoli o i canali in acciaio possono essere fissati a travi e colonne esistenti per creare ulteriori percorsi di carico che riducono la domanda sulle giunture rivettate originali.

Un approccio comune per le connessioni di momento rivetti è quello di aggiungere crine saldate o costole alla regione di connessione. Questi elementi aumentano la profondità del fascio al collegamento, riducendo lo stress nei rivetti e spingendo la cerniera di plastica lontano dal volto della colonna. Questa tecnica è stata utilizzata con successo in molti edifici in regioni sesticamente attive, tra cui California e Giappone. Un altro approccio è quello di installare ammortizzatori o viscosi dissipano le ammortizzanti in regioni.

Le strutture rivettate storiche richiedono un equilibrio della sicurezza sismica con considerazioni di conservazione. I collegamenti rivestiti possono essere mantenuti e rinforzati in modo da rispettare il carattere storico dell'edificio, rispettando gli standard di sicurezza moderni. Il Segretario degli standard interni per la riabilitazione[[]]] fornisce indicazioni per preservare materiali e caratteristiche storiche garantendo al contempo la sicurezza della vita.

Migliori Pratiche per gli ingegneri che lavorano con connessioni rivedute

Gli ingegneri responsabili della progettazione, valutazione o retrofit dei grattacieli rivettati devono seguire le migliori pratiche per garantire la sicurezza strutturale durante i terremoti. Queste pratiche includono il mantenimento di una documentazione accurata delle connessioni esistenti, utilizzando le proprietà materiali appropriate in analisi, e considerando il comportamento unico delle articolazioni rivettate sotto carico ciclico.

La documentazione dovrebbe includere la dimensione e il grado di rivetti, lo spessore e il grado di piastre collegate, il modello e la spaziatura di rivetti, e qualsiasi modifica che sono stati fatti ai collegamenti sulla vita dell'edificio.

Le proprietà materiali per rivetti storici possono essere ottenuti da riferimenti pubblicati o da test su campioni rimossi dall'edificio. L'acciaio Rivet ha tipicamente una resistenza alla resa tra 200 e 350 MPa e una resistenza alla trazione finale tra 400 e 500 MPa, anche se questi valori possono variare ampiamente a seconda dell'era e del produttore.

Quando si analizzano connessioni rivettate per il carico sismico, gli ingegneri dovrebbero considerare gli effetti combinati delle forze di taglio, di cuscinetto e di trazione che possono verificarsi simultaneamente durante un terremoto. L'interazione tra queste forze può ridurre la capacità della connessione rispetto al carico in una sola direzione.

Le direzioni future nel Riveted Sismic Design

Mentre il rivettaggio non è più il metodo primario di connessione in acciaio in nuova costruzione, la ricerca continua a informare come le strutture rivettate possono essere mantenute e retrofitte.I progressi nella scienza dei materiali e nella modellazione strutturale stanno fornendo nuove informazioni sul comportamento dei collegamenti rivettati sotto carico estremo. I ricercatori stanno anche esplorando l'uso di materiali avanzati, come i polimeri rinforzati in fibra, per rafforzare le connessioni rivettate esistenti senza aggiungere peso o rigidità significative.

Il crescente interesse per la conservazione delle strutture esistenti è quello di rendere più stabile e sostenibile l'ambiente costruito. Il mantenimento e il potenziamento di un grattacielo storico rivettato riduce l'impatto ambientale associato alla demolizione e alla nuova costruzione, preservando il patrimonio culturale dell'edificio.

Conclusioni

Il Riveting ha svolto un ruolo fondamentale nella costruzione di grattacieli e continua ad influenzare la loro sicurezza strutturale durante i terremoti. Le caratteristiche meccaniche dei giunti rivettati, tra cui la loro duttilità, la capacità di dissipazione dell'energia, la distribuzione del carico e la ridondanza, forniscono una resistenza sismica intrinseca che è stata convalidata dalle prestazioni degli edifici storici nei terremoti reali.

La scienza del guasto dei rivetti durante gli eventi sismici è ben compresa, e esistono tecniche di retrofitting efficaci per migliorare le prestazioni delle strutture rivettate esistenti.Gli ingegneri che valutano e progettano per i collegamenti rivettati devono fare affidamento su standard di progettazione consolidati, metodi di ispezione approfonditi e una comprensione completa del comportamento di connessione sotto carico ciclico.