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Principali vantaggi meccanici dei profili in acciaio nelle strutture industriali
Duttilità e prevenzione del collasso fragile sotto carichi dinamici e sismici
L'assorbimento di energia e la duttilità, combinate con l'elevata resistenza a trazione dei profili in acciaio, consentono alle strutture industriali in acciaio di resistere al collasso anche sotto deformazioni sismiche e d'impatto di grande entità, mentre le strutture fragili realizzate con altri materiali assorbono i carichi (e quindi collassano). I test sismici hanno dimostrato che le strutture in acciaio sopportano deformazioni superiori di oltre sette volte rispetto al limite di deformazione delle strutture in calcestruzzo. Questo fenomeno è direttamente collegato alla deformazione plastica controllata che le strutture in acciaio subiscono nei loro nodi di connessione, mantenendo comunque la stabilità complessiva. Tale duttilità conferisce alle strutture in acciaio un comportamento prevedibile, determinando un collasso duttile dei telai in acciaio che offre agli occupanti il tempo necessario per evacuare, garantendo così la sicurezza della vita durante l'evento. Questa caratteristica è in linea con le moderne norme per la sicurezza della vita ASCE 7 e AISC 341.
Strutture leggere a membrana con luci elevate, grazie al rapporto elevato tra resistenza e peso dell'acciaio
Rispetto ad altri materiali per telai, l'uso di telai in acciaio è più economico e consente luci elevate (grazie alla loro natura leggera). Il massiccio telaio strutturale in acciaio comporta una riduzione del peso delle luci di circa il 60% rispetto all'impiego di sistemi di telai in calcestruzzo armato. È possibile realizzare luci superiori a 30 m, utile per grandi strutture produttive; inoltre, grazie al ridotto peso del sistema, il telaio si presta come struttura antisismica con carichi sismici e inerzia inferiori. Per strutture di grandi dimensioni con luci inferiori a 30 m, l’impiego di telai a portale con profili massicci ha determinato un significativo miglioramento della superficie utile e dell’efficienza energetica.
Capacità portante dei profili in acciaio nei telai strutturali.
Capacità variabile dei diversi profili in acciaio di subire deformazione viscosa (creep) sotto carichi elevati derivanti da macchinari pesanti e sollecitazioni cicliche intense.
La stabilità dimensionale dei profili in acciaio rinforzato è eccellente per applicazioni industriali continue e gravose, nelle quali fenomeni di fluage, fatica e deformazione permanente non compromettono tale stabilità dimensionale. La maggior parte dei profilati industriali mantiene tale stabilità nelle condizioni operative sopra menzionate. I profilati in acciaio ad alta resistenza a snervamento (con valori compresi tra 350 e 550 MPa) subiscono flessioni che si ripristinano istantaneamente nella forma originaria di funzionamento. Il valore di riferimento per la resistenza a snervamento, secondo lo standard industriale per i profilati in acciaio, è di circa 250 MPa per la categoria di acciaio utilizzata nell’industria, che rappresenta il livello standard per la maggior parte dei profilati presenti sul mercato; questo garantisce che il sistema di controllo della stabilità non innesci fessurazioni non controllate (a livello microscopico), rimanendo al di sotto del limite critico oltre il quale il sistema operativo potrebbe innescare tali fessurazioni. Le fessurazioni stesse sono distribuite in modo diffuso sull’intera struttura e, sebbene difficili da individuare, vengono dissipate dal sistema. Il sistema di controllo di tali fessurazioni non ne determina l’insorgenza. Il sistema metallurgico di controllo è correlato alla distribuzione di tali fessurazioni sull’intera struttura.
Collegamenti resistenti al momento.
Le considerazioni relative ai telai a portale includono il bilanciamento tra resistenza al momento e stabilità alla base. Nei telai a portale, le travi ad H e ad I sono probabilmente in grado di svolgere efficacemente un ruolo integrato di supporto strutturale. Per le travette e le contropareti, le travi ad H e ad I sono preferite rispetto alle travi a T, le cui ali sono rastremate per ottimizzare la resistenza a flessione e fornire quindi una resistenza efficiente ai momenti nel tetto. Nei telai a portale, le travi ad H con spessore uniforme dell’anima e delle ali vengono utilizzate come contropareti, mentre le travi ad I vengono impiegate come travette.
Progettazione e dettaglio dei collegamenti: stabilità a livello di sistema e ruolo del profilo in acciaio
Sia i collegamenti bullonati che quelli saldati e il loro effetto sui vincoli rotazionali, sui tassi di spostamento orizzontale (drift) e sulla rigidezza flessionale dei telai
Il comportamento del telaio è influenzato dal tipo di collegamento: i collegamenti bullonati offrono vincoli rotazionali flessibili o regolabili, che facilitano l’accomodamento dell’espansione termica e la riconfigurazione del telaio, rendendoli particolarmente adatti per edifici modulari e adattabili. Nella maggior parte delle applicazioni industriali, i bulloni ad alta resistenza garantiscono la rigidità richiesta del telaio e alleviano quest’ultimo da sollecitazioni. Al contrario, i collegamenti saldati creano un telaio rigido, che contribuisce a ridurre l’entità dello spostamento laterale (drift) e dello spostamento laterale del telaio, il quale può raggiungere valori fino al 30% per i collegamenti saldati e scendere fino allo 0% per i collegamenti a telaio, aspetto fondamentale quando il limite di deformazione è particolarmente stringente, pari a ±0,2% della campata del telaio. Le saldature generano una zona termicamente influenzata (HAZ), che richiede ispezione post-saldatura e impone inoltre il trattamento di distensione del telaio per condizioni di servizio prolungate, contrariamente all’ambiente intermittente presente durante la saldatura stessa. Ogni progetto di giunto di collegamento deve prevedere l’accomodamento dell’espansione termica dell’acciaio, pari in media a 12 × 10−6/°C, mediante l’uso di fori ovalizzati o giunti di dilatazione.
Resistenza dell'acciaio profilato in ambienti corrosivi e pericolosi
I prodotti chimici, il fumo, i vapori e le particelle di polvere corrodono l'acciaio in contesti industriali, rappresentando una sfida per i produttori. Tuttavia, la natura durevole e resistente alla corrosione dell'acciaio può essere ulteriormente migliorata. La longevità e la durabilità dell'acciaio sono attribuibili a un processo denominato E-A-D. L'E-A-D a immersione calda utilizza zinco legato metallurgicamente, che funge da anodo prolungando la protezione contro la corrosione del metallo di base oltre lo strato di zinco. Per garantire una protezione potenziata dell'acciaio in ambienti caratterizzati da un’aggressività corrosiva maggiore, come gli impianti petrolchimici o quelli per il trattamento dei rifiuti, è possibile applicare uno strato aggiuntivo di E-A-D sovrapposto alla zincatura, ottenendo gli stessi effetti della zincatura senza i relativi costi. Quando combinata con ispezioni visive periodiche e interventi mirati di rimozione selettiva, questa difesa multilivello preserva l’integrità strutturale per decenni. Il risultato è un fattore E-A-D superiore rispetto ad altri materiali, quali il legno, la muratura o i metalli non trattati. Di conseguenza, l’acciaio rappresenta il materiale di scelta per l’E-A-D.
Domande frequenti (FAQ)
Perché scegliere l'acciaio come componente principale per le strutture portanti?
Grazie alla combinazione di elevata resistenza a trazione, duttilità e resistenza ai carichi dinamici e sismici, l'acciaio è il materiale da costruzione ideale.
Quali sono i vantaggi della costruzione con travi a I e travi a H?
Le travi a I vengono utilizzate come travature portanti grazie alla loro ottimizzazione rispetto ai momenti flettenti, mentre le travi a H sono impiegate nelle strutture industriali per la maggiore stabilità e capacità portante.
Come si comporta l'acciaio in condizioni sismiche?
L'acciaio può deformarsi senza rompersi e, a differenza di altri materiali da costruzione, non subisce collassi in situazioni sismiche.
Quali strategie esistono per prevenire la corrosione nelle strutture portanti industriali in acciaio?
Gli ambienti industriali aggressivi richiedono una protezione anticorrosiva più robusta, ad esempio l’impiego di sistemi doppi o la zincatura a caldo.
Per le strutture portanti industriali, sono preferibili i collegamenti bullonati o quelli saldati?
Entrambi gli approcci presentano dei vantaggi. I collegamenti bullonati sono flessibili e semplici da realizzare, mentre quelli saldati sono più resistenti e possono ridurre il cedimento del telaio, ma richiedono ispezioni accurate durante o dopo l’assemblaggio e un ulteriore trattamento termico.