Proprietà meccaniche dell’acciaio

L’acciaio strutturale si presenta come un materiale molto resistente, al quale sono affidate sollecitazioni molto importanti nel campo dell’ingegneria civile e non solo. Trattandosi di un materiale isotropo, il suo comportamento è il medesimo nei confronti degli sforzi di trazione come in quelli di compressione. Tuttavia, quando un elemento in acciaio caratterizzato da una certa snellezza viene compresso, la sua risposta non è più analoga a quella mostrata nella condizione in cui esso viene teso, a causa dei fenomeni di instabilità che si generano sull’elemento (Figura 3.4³¹).

Figura 3.4 – Comportamento dell’acciaio Diagramma tensione-deformazione acciaio

L’instabilità che interessa i profili in acciaio può essere distinta in:

- instabilità globale, se interessa l’elemento in tutta la sua lunghezza;

- instabilità locale, se interessa le parti compresse della sezione trasversale dell’elemento.

31 Huu-Tai, Brian Uy, Mahbub Khan (2015) – A modified stress-strain model accounting for the local buckling of thin-walled stub columns under axial compression

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Le due tipologie di instabilità possono essere tra loro indipendenti oppure manifestarsi in maniera combinata. Tra i compiti del progettista rientra quello di evitare che vi siano interazioni tra esse, in modo da scongiurare una risposta dell’elemento o del sistema strutturale di difficile previsione.

Gli acciai strutturali si differenziano quindi principalmente in funzione della classe di resistenza meccanica, identificata dal valore caratteristico associato allo snervamento del materiale. In Tabella 3.3 si elencano alcune classi di resistenza di laminati a caldo, con profili a sezione aperta piani e lunghi, per i quali gli spessori “t” non superano i 40 mm. Per la modellazione del comportamento dell’acciaio, è possibile adottare uno dei due diagrammi di progetto proposti dal legislatore, caratterizzati da un andamento bilineare finito con incrudimento, rappresentato in Figura 3.5 a), o elastico-perfettamente plastico indefinito come quello descritto dalla Figura 3.5 b). Nel primo caso il modello considera anche la fase incrudente dell’acciaio, che ha luogo a partire dal superamento della condizione di snervamento; l’incrudimento è descritto dall’omonimo coefficiente k, ottenuto dal rapporto tra la tensione di rottura e quella di snervamento del materiale.

TIPO ^{Resistenza [MPa]}

fyk ftk

S 235 235 360

S 275 275 430

S 355 355 510

S 450 440 550

Tabella 3.3 – Esempi di acciai strutturali

Figura 3.5 – Legami costituitivi bilineari di progetto da NTC 2018: a) Elastico, con incrudimento; b) Elastico-perfettamente plastico

Relativamente alla valutazione delle resistenze di progetto, i coefficienti di sicurezza stabiliti dal legislatore con riferimento all’acciaio strutturale sono definiti in tabella 3.4.

Coefficienti di sicurezza per la resistenza delle membrature e la stabilità

Resistenza delle sezioni di Classe 1-2-3-4 γM0 = 1,05

Resistenza all’instabilità delle membrature γM1 = 1,05 Resistenza all’instabilità delle membrature di ponti stradali e ferroviari γM1 = 1,10 Resistenza, nei riguardi della frattura, delle sezioni tese indebolite dai fori γM2 = 1,25

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Oltre alla resistenza, una delle più importanti proprietà che si riconosce all’acciaio strutturale è la duttilità, ossia la capacità del materiale di deformarsi in campo plastico. L’indicatore di tale proprietà è dato dal rapporto tra le deformazioni εu e εy, che rappresentano, rispettivamente, le deformazioni ultime e di snervamento indicate nei diagrammi tensione-deformazione. La duttilità è una caratteristica che può essere descritta non solo al livello del materiale, ma anche al livello della sezione dell’elemento strutturale considerato, considerando il comportamento della stessa in termini di momento-curvatura. Per tale ragione, al § 4.2.3. le NTC forniscono le modalità per la classificazione semplificata delle sezioni in acciaio, in cui si tiene conto della snellezza dei piatti che costituiscono l’anima o le ali di ciascun profilo (Figura 3.6), nei quali si possono manifestare fenomeni di instabilità locale che impediscono il pieno sviluppo delle capacità prestazionali della sezione in campo plastico. prestazionali della sezione in campo plastico. prestazionali della sezione in campo plastico.

La classificazione è dettata quindi dal rapporto di snellezza tra la lunghezza e lo spessore delle flange o dell’anima, rispettivamente, che deve essere confrontato con il parametro ε, valutato attraverso la seguente relazione, in funzione della classe di acciaio utilizzata.

f = g²³⁵_h

i?

Dal confronto effettuato è quindi possibile distinguere le seguenti classi di sezione, per le quali si osserva in Figura 3.7 la variazione della caratteristica di duttilità in termini di momento-curvatura (M-):

- Classe 1: sezioni trasversali in grado di sviluppare completamente una cerniera plastica ed aventi la capacità rotazionale richiesta per l’analisi plastica (sezioni plastiche o duttili);

- Classe 2: sezioni trasversali in grado di sviluppare completamente il proprio momento resistente plastico, ma con capacità rotazionale limitata (sezioni compatte);

- Classe 3: sezioni trasversali nelle quali le tensioni calcolate nelle fibre esterne compresse possono raggiungere la resistenza allo snervamento, ma l’instabilità locale impedisce lo sviluppo del momento resistente plastico (sezioni semi-compatte); - Classe 4: sezioni trasversali per le quali è necessario mettere esplicitamente in conto gli

effetti dell’instabilità locale nel determinare il loro momento resistente, inferiore al momento al limite elastico, o la loro resistenza a compressione, inferiore alla forza che provoca la completa plasticizzazione della sezione (sezioni snelle).

Dal tipo di sezione trasversale di ogni elemento monodimensionale impiegato nella realizzazione di una struttura intelaiata in acciaio e dalle dimensioni delle sue componenti quali ali, anime e irrigidimenti, dipende poi anche la scelta dei metodi di analisi da utilizzare per la

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risoluzione dei sistemi intelaiati in acciaio, che non viene fatta ricadere dunque solo sulla tipologia strutturale e sulla sensibilità del telaio agli effetti del secondo ordine³².

Figura 3.7 – Relazione momento-curvatura per le differenti classi di sezione