thumb|upright=1.4|Capriata in metallo in un edificio industriale Le costruzioni metalliche sono opere edili la cui struttura portante è realizzata interamente in acciaio.

Storia

L'acciaio si è rilevato come un materiale da costruzione di importanza fondamentale sin dalla metà del XIX secolo. Per le sue alte qualità di resistenza in rapporto alla sezione impiegata, si impose come materiale sostitutivo del legno in numerose applicazioni costruttive. Infatti l'acciaio offriva il vantaggio di permettere la costruzione di strutture portanti di modesta sezione occupando quindi molto meno spazio rispetto ai materiali impiegati fino ad allora, e dava all'insieme della costruzione un aspetto di leggerezza, pur consentendo di impiegare elementi portanti di luci insolite. Quasi contemporaneamente all'acciaio è comparso, quale nuovo materiale da costruzione, il calcestruzzo armato. I progressi della siderurgia nei primi anni del XX secolo hanno messo a disposizione acciai perfettamente rispondenti alle nuove necessità specialmente nel campo degli impianti industriali. Fino al 1930, la chiodatura e la bullonatura erano i procedimenti più comuni per collegare tra loro gli elementi componenti una struttura metallica. Negli anni successivi, grazie all'evoluzione delle qualità chimiche dell'acciaio, che ha migliorato la saldabilità dello stesso, la saldatura elettrica ha preso piede apportando notevoli modifiche nell'arte del costruire in metallo. Dopo la fine della seconda guerra mondiale, le cui conseguenze avevano obbligato a ridurre la produzione di acciaio per costruzione, la qualità dei prodotti siderurgici è andata sempre più migliorando.

Vantaggi e svantaggi I principali vantaggi rispetto ad altri materiali da costruzione sono: elevato rapporto resistenza/peso specifico pertanto le strutture metalliche sono più leggere di quelle in muratura portante e in calcestruzzo armato. Questo determina una minore incidenza del peso proprio strutturale sui carichi di esercizio e quindi fondazioni più ridotte. La maggiore leggerezza degli elementi di acciaio e la loro elevata resistenza inoltre permette di realizzare strutture di grandi luce; migliore corrispondenza al modello di calcolo della struttura, poiché l'acciaio si presenta come un materiale isotropo e omogeneo e ha un comportamento elastico lineare fino allo snervamento. Tutto il contrario del calcestruzzo armato; prefabbricazione in officina; montaggio rapido; limitato costo di demolizione; possibilità di effettuare facilmente rinforzi o variazioni in sito. Gli svantaggi principali sono: elevato costo dell'acciaio; esilità della costruzione che è causa di problemi di instabilità quali carico di punta delle strutture compresse; eccessiva deformabilità; pericolo di rottura a faticaLa rottura a fatica è una rottura di tipo fragile che si manifesta quando una struttura è soggetta a cicli di carico tali da causare tensioni interne variabili da un valore minimo ad uno massimo. In questa situazione la crisi può avvenire per tensioni inferiori a quella di rottura del materiale; necessità di mano d'opera specializzata; elevato costo di manutenzione (pitturazioni anticorrosive, verifica del serraggio dei bulloni, ecc.); vulnerabilità all'azione del fuoco (tanto da indurre nascita e diffusione del calcestruzzo armato, con il calcestruzzo impiegato, in origine, a protezione dell'acciaio dal calore degli incendi); eccessive vibrazioni a causa di azioni dinamiche (sisma, vento, ecc.)

Acciai destinati alle strutture Fra i numerosi prodotti siderurgici, ve ne sono alcuni particolarmente destinati alla carpenteria metallica. Gli acciai da costruzione comprendono in genere, i tipi unificati degli acciai semplici al carbonio. Questi sono usati sotto forma di prodotti laminati a caldo. Per applicazioni particolari vengono impiegati anche acciai speciali (es. acciaio inox, Acciaio Corten, ecc.), i quali contengono piccole quantità di metalli pregiati (cromo, manganese, nichel, rame, ecc.) che migliorano notevolmente le caratteristiche dell'acciaio specialmente nei confronti della corrosione.

Prodotti siderurgici

In base al loro profilo i principali acciai laminati di uso generale utilizzati nelle carpenterie metalliche sono: le lamiere i piatti e i larghi piatti le barre i tubi anche saldati i profilati: a sezioni a doppio T IPE HE INP ISE HSH HSA HSL HSE HSD HSU. gli angolari ad ali uguali e ad ali disuguali a sezione a U UPN a U ad ali parallele a sezione a T

Costanti elastiche Per tutti gli acciai si assumono i seguenti valori delle Costanti elastiche: modulo di elasticità normale: E = 206.000 MPa; modulo di elasticità tangenziale: G = 78.400 MPa

Criterio di resistenza Il criterio per la verifica ed il progetto della sezione resistente degli elementi strutturali in acciaio è quello definito da Von Mises detto della massima energia di distorsione. Tale criterio consiste nel calcolo dello stato di tensione nei punti più sollecitati della sezione e nel confronto di tale stato di tensione con la tensione ammissibile dell'acciaio. Gli stati di tensioni più comuni sono quelli piani biassiali come ad esempio quelli che si verificano nelle sollecitazione di flessione accompagnata da taglio. Infatti la flessione determina l'insorgere di una tensione normale σ normale al piano della sezione mentre lo sforzo di taglio è causa dell'insorgere di tensioni tangenziali τ giacenti anche sul piano della sezione. Con il criterio di Von Mises si tiene conto dell'azione contemporanea delle due tensioni σ e τ e le si trasforma in una tensione normale ideale pari a: σid = ±√(σ2 + 3τ2). Pertanto la verifica in campo elastico per gli stati di tensione pluriassiali, in analogia a quella utilizzata per quelli monoassiali, è soddisfatta quando: metodo delle tensioni ammissibili: σid ≤ σamm metodo degli stati limite: σid ≤ fyk/1,05 Nella sua stesura più generale per gli stati di tensioni piani la tensione ideale vale: σid = ±√(σx2 + σy2 - σxσy + 3τ2).

Unioni nelle strutture in acciaio I collegamenti hanno lo scopo di unire tra loro i vari elementi che vanno a comporre la struttura portante in acciaio. Le unioni si dividono in: unioni chiodate unioni bullonate con bulloni che lavorano a taglio con bulloni che lavorano ad attrito (con bulloni ad alta resistenza) unioni saldate

Unioni chiodate thumb|Chiodatura Le unioni chiodate si impiegano per collegamenti di carattere permanente, molto spesso, per lavori eseguiti in officina. Tipologia dei chiodi Il chiodo è un elemento di collegamento composto da un corpo cilindrico e da una testa. Le norme UNI prevedono 7 tipi di chiodi, ma non tutti vengono utilizzati nelle carpenterie metalliche, nelle quali invece si usano di norma i chiodi: a testa tonda (o semisferica) stretta a testa svasata (o tronco-conica) piana (o rasa); a testa svasata con calotta (o colma) In funzione dello spessore s da collegare mediante chiodatura si utilizzano: chiodi a testa tonda ed a testa svasata piana di diametro d quando s/d ≤4,5; chiodi a testa svasata con calotta per 4,5 < s/d ≤ 6,5.

Tipologia di acciai Per la realizzazione dei chiodi ribaditi a caldo si dovranno utilizzare acciai conformi alle norne UNI 7356 Lunghezza del chiodo La lunghezza del chiodo deve essere tale che il metallo sia in quantità sufficiente per formare la seconda testa (testa ribadita). Questa lunghezza si misura secondo il tipo di chiodo. Dato lo spessore totale s degli elementi da unire e d il diametro del chiodo, la lunghezza del chiodo dovrà essere: l = s + 1,5 d se si deve formare una testa tonda; l = s + 0,5 d se si deve ottenere una testa svasata.

Posa in opera I chiodi sono posti in opera a caldo. Il chiodo scaldato a calore rosso chiaro, viene introdotto nel foro praticato negli elementi da unire e si ribadisce la parte del gambo che sporge. La ribaditura si fa di rado martellando a mano, più spesso utilizzando un martello pneumatico,e talvolta, in officina, mediante apposita pressa, che assicura un più stretto contatto dei pezzi collegati. La ribaditura provoca: l'ingrossamento del gambo del chiodo che così va a riempire completamente il foro. Il diametro del chiodo è minore di 1 mm del diametro del foro per facilitare l'introduzione; la formazione, nella parte inferiore, della testa ribadita che, in ultimo, si perfeziona mediante apposito stampo. Con il raffreddarsi, il chiodo tende ad accorciarsi e la testa ribadita impedisce questo accorciamento, quindi il chiodo precomprime gli elementi da unire. La testa ottenuta con la ribaditura devono risultare ben centrate sul fusto, prove si screpolature e ben combacianti con la superficie dei pezzi giuntati. Devono essere liberate inoltre dalle sbavature mediante scalpello curvo.

Unioni Bullonate

le unioni bullonate vengono realizzate con: bulloni che lavorano a taglio o non precaricati; bulloni che lavorano ad attrito o precaricati.

Nel primo caso, la stabilità del collegamento fra i due elementi è dovuta al contatto fra il gambo della vite che costituisce il bullone e le pareti degli elementi da collegare, quindi il relativo foro sarà calibrato; nel secondo caso, invece, la stabilità del collegamento è dovuta all'attrito, ed il gambo della vite lavora a trazione. Non occorre, quindi, che il foro sia calibrato, è sufficiente sia un foro passante, quindi il bullone lavorerà a trazione, grazie all'attrito, anche se il suo gambo non è a contatto con la parete del foro.

Le classi delle viti I bulloni utilizzati in carpenteria hanno viti tabellate per classi secondo UNI EN 20898, specificate da due numeri con il primo indicante la resistenza ultima ft (espressa in MPa) diviso 100, e il secondo dato dal rapporto della resistenza a snervamento fy /resistenza ultima ft (espresse in MPa) moltiplicato per 10:

Classe Resistenza a taglio (fk,V) Resistenza a trazione/compressione (fk,N) Resistenza a snervamento (fy) Resistenza ultima (ft) Allungamento % (A%) 4.6 170 MPa 240 MPa 240 MPa 400 MPa 22 5.6 212 MPa 300 MPa 300 MPa 500 MPa 20 6.8 255 MPa 360 MPa 480 MPa 600 MPa 16 8.8 396 MPa 560 MPa 640 MPa 800 MPa 12 10.9 495 MPa 700 MPa 900 MPa 1000 MPa 9 12.9 594 MPa 840 MPa 1080 MPa 1200 MPa 8

Questi valori caratteristici andranno divisi per un coefficiente di modello e uno di sicurezza del materiale per i calcoli di progetto.

Le classi 8.8, 10.9 e 12.9 sono dette ad alta resistenza mentre le classi precedenti sono dette normali

Accoppiamento vite/dado thumb|upright=0.7|Vite con dado: bullone Per qualsiasi tipologia di giunzione bullonata le viti e i dadi devono essere associati come riportato nel seguente prospetto: normali ad alta resistenza vite 4.6 5.6 6.8 8.8 10.9 dado 4.0 5.0 6.0 8.0 10.0

Diametri

I diametri d dei bulloni in genere variano dai 12 ai 30 mm (a due a due fino a 24 mm, poi 27 e 30); nel dimensionamento, a causa della loro filettatura, si considera un'area equivalente che tiene conto della filettatura e non quella effettiva ricavabile dal diametro Serraggio I bulloni di ogni classe devono essere adeguatamente serrati.

È consigliabile applicare un serraggio tale da provocare una forza di trazione Ns (in N) del gambo della vite pari a: Ns = 0,8 fk,N Ares dove: fk,N è la resistenza caratteristica di un bullone a trazione (in N/mm2); Ares è l'area resistente della vite (in mm2). La coppia di serraggio Ts (in N.m) necessaria ad indurre la forza normale Ns risulta, per filettature a passo grosso: Ts = 0,2 Ns d dove d = è il diametro nominale di filettatura del bullone (in mm).

Verifiche Per i bulloni ad attrito viene effettuata solamente la verifica ad attrito tra le superfici di contatto della lamiera e del bullone, ovvero si verifica che la forza di serraggio dei bulloni renda efficace l'unione. Per tutte le altre classi si considera il tranciamento del bullone, lo strappo e il rifollamento della lamiera.

Tipologie Le unioni bullonate si dividono in due categorie: