Con acciaio strutturale o acciaio da costruzione si indica il tipo di acciaio utilizzato come materiale da costruzione nel campo dell'ingegneria civile e adoperato per la realizzazione di: costruzioni metalliche: travi reticolari, tralicci, utilizzato come elemento strutturale portante; opere in calcestruzzo armato ordinario: acciaio da armatura ordinaria o lenta; opere in calcestruzzo armato precompresso: acciaio da carpenteria per la cosiddetta "armatura lenta" ed acciaio da precompressione per cavi, barre, trefoli (pre-tesi e post-tesi).
In particolare la resistenza meccanica, la duttilità, la fragilità, la resistenza fisico-chimica e la durabilità dell'acciaio influenzano pesantemente lo specifico settore di impiego ideale.
Descrizione Produzione Tra i prodotti siderurgici quelli principalmente utilizzati nelle costruzioni sono i prodotti finiti laminati a caldo.
Classificazione in base alla composizione chimica Al variare del contenuto di carbonio, nell'acciaio si modificano alcuni parametri fisico - meccanici importanti. Nello specifico, minore è il tasso di carbonio minore è la resistenza meccanica e la fragilità mentre crescono la duttilità e la saldabilità del ferro.
In base al tasso di carbonio gli acciai si dividono in: extra dolci: carbonio compreso tra lo 0,05% e lo 0,15%; semidolci: carbonio compreso tra lo 0,15% e lo 0,25% dolci: carbonio compreso tra lo 0,25% e lo 0,40%; semiduri: carbonio tra lo 0,40% e lo 0,60%; duri: carbonio tra lo 0,60% e lo 0,70%; durissimi: carbonio tra lo 0,70% e lo 0,80%; extraduri: carbonio tra lo 0,80% e lo 0,85%.
Gli acciai da carpenteria metallica di solito sono di tipo dolce perché così l'acciaio ha la caratteristica di duttilità molto importante ad esempio nelle strutture antisismiche. Nella lega ferro-carbonio si possono trovare elementi chimici accessori, alcuni dei quali non voluti (ad esempio manganese, silicio) altri invece aggiunti appositamente per modificare alcune proprietà (ad esempio il cromo negli acciai inox e il rame in quelli Corten). In base a quanto sopra, gli acciai si distinguono in: acciai non legati sono acciai nel quale i tenori degli elementi di lega rientrano nei limiti indicati dal prospetto I della UNI EN 10020: acciaio al carbonio, acciaio neroacciaio al carbonio con finitura nera all'ossido di ferro. acciai legati sono acciai per i quali almeno un limite indicato del suddetto prospetto I viene superato. Per convenzione gli acciai legati si suddividono in: bassolegati: nessun elemento al di sopra del 5%: ad esempio acciaio Corten altolegati: almeno un elemento di lega al di sopra del 5%. Le UNI EN 10 020 indicano il tenore massimo degli elementi chimici di lega che caratterizzano l'acciaio non legato, ad esempio: manganese: 1,65%; silicio: 0,50%; rame: 0,40%; piombo: 0,40%; cromo e nichel: 0,30%; molibdeno: 0,08%; tungsteno: 0,10%.
Designazione dell'acciaio strutturale
La norma UNI EN 10027-1 fissa i sistemi di designazione alfanumerica degli acciai.
La designazione in base all'impiego ed alle caratteristiche meccaniche o fisiche (gruppo 1) prevede che l'acciaio strutturale sia definito con una sigla alfanumerica la cui prima è: B: per acciaio da utilizzare per le opere in calcestruzzo armato ordinario; Y: per acciaio da utilizzare per le opere in calcestruzzo armato precompresso; S: per acciaio da utilizzare per le carpenterie metalliche. Successivamente viene riportato il valore della tensione di snervamento minima in N/mm2 (MPa). Infine la sigla riporta altre lettere che individuano le caratteristiche dell'acciaio, ad esempio per gli acciai da carpenteria può essere riportato il valore di resilienza:
Temperatura [°C] min 27 J min 40 J 20 JR KR* 0 J0 K0* -20 J2 K2 -30 J3* K3 -40 J4* K4* Non usato
Pertanto una sigla S235JR indica un acciaio da carpenteria metallica con tensione di snervamento di 235 N/mm2 e resilienza non inferiore a 27 J a 20 °C
Diagramma tensione - deformazione
La differenza fra gli acciai duri e quelli duttili è evidenziata dai diagrammi σ-ε di un provino sottoposto a prova di trazione.
Per un acciaio duttile, il primo tratto del diagramma è rettilineo, con legge σ = E ε, e pertanto l'andamento del materiale è elastico lineare. Questo comportamento vale fino al raggiungimento della tensione di proporzionalità σp. Segue una fase elastica, ma non lineare (il diagramma si incurva), fino al raggiungimento del limite di elasticità σe. Oltre σe il materiale entra in una fase elasto-plastica fino al raggiungimento del limite di snervamento σy. In questa fase lo scarico del provino comporta l'insorgere di deformazioni permanenti. Oltre il limite di snervamento il provino denuncia uno stato di instabilità interna: si ha una fase plastica, caratterizzata da grandi deformazioni a tensioni praticamente costanti e diagramma quasi orizzontale. La lunghezza di tale fase è funzione della duttilità dell'acciaio. Alla fine della fase di snervamento, il provino si stabilizza, e segue una nuova crescita delle tensioni (tratto crescente del diagramma) fino a raggiungere il valore massimo σr. In questa fase il materiale si incrudisceIl materiale riacquista la sua resistenza meccanica ma con grandi deformazioni.. Dopo aver raggiunto σr il provino ha una strizione con decremento della tensione (tratto decrescente del diagramma) fino alla rottura fisica del provino. I valori σp, σe e σy sono molto vicini fra loro per cui normalmente si considera i tre valori coincidenti e il comportamento elastico lineare fino al limite di snervamento. Per gli acciai duri, poiché il valore del modulo di Young è uguale per tutti gli acciai, il tratto iniziale del diagramma è coincidente con quello degli acciai duttili. In questo caso il limite di snervamento è superiore. Superato il limite di comportamento elastico, la fase plastica è molto corta o in alcuni acciai praticamente assente. Il provino raggiunge il valore di σr, superato il quale si rompe senza strizione.
Spesso nei diagrammi per acciai duri non è individuabile il limite di snervamento; in questi casi si considera quel valore della tensione che allo scarico ha provocato una determinata deformazione residua, ad esempio dello 0,2%. In questo caso la tensione di snervamento viene indicata con σy,0,2.
Acciaio per strutture in calcestruzzo armato
L'acciaio per costruzione in calcestruzzo armato è costituito principalmente da barre tonde, della lunghezza standard di 12 m, denominati comunemente tondini.
Le NTC - Norme Tecniche per le Costruzioni richiedono che il laboratorio incaricato delle prove sugli acciai da calcestruzzo armato effettui il riconoscimento del marchio del prodotto e lo attesti nel certificato conseguente alle prove previste dalle stesse norme.
Il marchio del prodotto “acciai da calcestruzzo armato” significa quindi che il prodotto è stato sottoposto in stabilimento alla procedura di qualificazione definita dalla norma in vigore (D.M. in vigore all'epoca della qualificazione) e che l'istruttoria conseguente ha avuto esito positivo in quanto le caratteristiche del prodotto sono risultate coerenti con quanto richiesto dalla norma.
Classi e caratteristiche meccaniche
In merito all'acciaio da cemento armato normale, o acciaio per armatura lenta, il Decreto Ministeriale 14 gennaio 2008, in vigore dal 1º luglio 2009 prevede l'utilizzo solo delle seguenti classi di acciaio nervato (ad aderenza migliorata): B450C (acciaio laminato a caldo): caratterizzato da una tensione di rottura non inferiore a 540 N/mm2; da una tensione di snervamento non inferiore a 450 N/mm2 e da un allungamento totale a carico massimo non inferiore al 7,5%; B450A (acciaio trafilato a freddo): caratterizzato da una tensione di rottura non inferiore a 540 N/mm2; da una tensione di snervamento non inferiore a 450 N/mm2 e da un allungamento totale a carico massimo non inferiore al 3% (minore duttilità rispetto al precedente). La normativa prevede inoltre per l'acciaio B450A una tensione di progetto fyd inferiore a quella dell'acciaio B 450 C infatti per quest'ultimo la tensione di snervamento fyk viene divisa per il solo coefficiente parziale di sicurezza dell'acciaio γms =1,15 secondo la formula: fyd = fyk/γms mentre il secondo anche per un ulteriore coefficiente di modello γe = 1,20 secondo la formula: fyd = fyk/(γms*γe) L'acciaio B 450 C è più duttile ed è l'unico ammesso in zona sismica.
Tipologia
Il Decreto Ministeriale 14 gennaio 2008 prevede i seguenti tipi di acciaio da cemento armato ordinario: barre: in acciaio tipo B450C (6 mm ≤ Ø ≤ 40 mm) e tipo B450A (5 mm ≤ Ø ≤ 10 mm); rotoli: in acciaio tipo B450C (Ø ≤ 16 mm) e tipo B450A (Ø ≤10 mm); reti e tralicci elettrosaldati: in acciaio tipo B450C (6 mm ≤ Ø ≤ 16 mm) e tipo B450A (5 mm ≤ Ø ≤ 10 mm).
Acciai per strutture precompresse Gli acciai da precompressione o acciai armonici sono contraddistinti da un comportamento nettamente diverso rispetto a quello degli acciai da cemento armato ordinario (acciai per armatura lenta). Infatti gli acciai armonici sono caratterizzati da una elevata resistenza meccanica (elevato valore del carico di snervamento) e da una deformazione plastica relativamente bassa all'atto della rottura. Comunque, tali acciai devono avere adeguata duttilità all'allungamento. Non essendo necessario garantire proprietà di saldabilità, si utilizzano tenori di carbonio più elevati rispetto agli acciai per cemento armato ordinario.
Produzione L'elevata resistenza è dovuta principalmente alla composizione chimica e precisamente ai seguenti quattro provvedimenti: aumento della percentuale di carbonio nella lega: si passa dallo 0,2% circa degli acciai per cemento armato ordinario (acciai dolci) allo 0,6% di un acciaio armonico (acciai duri); aggiunta di elementi alliganti: manganese (0,6-1,7%), silicio (0,2-1,6%), vanadio (0,3%), cromo (0,3%); incrudimento mediante lavorazione a freddo (processo di trafilatura); trattamento termico di tempra o di patentamento.
Tipologia L'armatura per precompressione può essere fornita sotto forma di: filo: prodotto trafilato a sezione piena con diametro variabile tra 5 e 8 mm che viene fornito in rotoli lisci o anche muniti di tacche che servono a migliorare l'aderenza con il calcestruzzo e a favorire l'ancoraggio. Per le strutture ad armatura pretesa non possono essere utilizzati i fili lisci; barra: prodotto laminato a sezione piena che viene fornita in rotoli o in elementi rettilinei di 25 m di lunghezza. Sono in genere fornite di risalti per favorire l'aderenza; treccia: fornita in rotoli costituite da gruppi di 2 o 3 fili avvolti ad elica intorno al loro comune asse longitudinale; diametro, passo e senso di avvolgimento dell'elica sono uguali per tutti i fili della treccia; trefolo: fornito in rotoli, realizzato da gruppi di fili avvolti ad elica in uno o più strati intorno ad un filo rettilineo disposto secondo l'asse longitudinale dell'insieme e completamente ricoperto dagli strati. Il passo e il senso di avvolgimento dell'elica sono uguali per tutti i fili di uno stesso strato.
Caratteristiche meccaniche
Le caratteristiche meccaniche degli acciai per armature di precompressione possono variare a seconda della tecnologia produttiva, della composizione chimica dell'acciaio, delle dimensioni e della geometria. Di norma le tensioni di rottura sono da 1,9 a 3,3 volte maggiori a quelle fornite da un FeB44k. Indicativamente, con barre di diametro 12 ÷ 40 mm si può ottenere una resistenza a trazione nominale di 900 ÷ 1400 MPa; con fili trafilati a freddo di diametro 3 ÷ 12 mm si ottengono valori di 1500 ÷ 1800 MPa; con trefoli a 7 cavi di diametro 7 ÷ 18 mm si può arrivare a 1700 ÷ 2000 MPa. Nel sistema di precompressione a cavi aderenti, per migliorare l'aderenza tra acciaio e calcestruzzo, si usano trecce di fili di piccolo diametro, mentre nel sistema di precompressione a cavi scorrevoli sono molto diffusi i cavi costituiti da fili di 5 ÷ 7 mm e le barre da 26 mm.
Classificazione