Le proprietà dell’acciaio strutturale derivano sia dalla sua composizione chimica che dal suo metodo di fabbricazione, compresa la lavorazione durante la fabbricazione. Gli standard di prodotto definiscono i limiti di composizione, qualità e prestazioni e questi limiti sono usati o presunti dai progettisti strutturali. Questo articolo passa in rassegna le proprietà principali che sono di interesse per il progettista e indica le norme pertinenti per prodotti particolari. Le specifiche della carpenteria sono trattate in un articolo separato.
Stress - Strain graph.png
Proprietà dei materiali necessarie per la progettazione
Le proprietà che devono essere considerate dai progettisti quando specificano i prodotti in acciaio da costruzione sono:
- Resistenza
- Durezza
- Duttilità
- Saldabilità
- Durabilità.
Per la progettazione, le proprietà meccaniche sono derivate dai valori minimi specificati nel relativo standard di prodotto. La saldabilità è determinata dal contenuto chimico della lega, che è regolato da limiti nella norma di prodotto. La durata dipende dal particolare tipo di lega – acciaio al carbonio ordinario, acciaio alle intemperie o acciaio inossidabile.
Fattori che influenzano le proprietà meccaniche
L’acciaio deriva le sue proprietà meccaniche da una combinazione di composizione chimica, trattamento termico e processi produttivi. Mentre il principale costituente dell’acciaio è il ferro, l’aggiunta di quantità molto piccole di altri elementi può avere un effetto marcato sulle proprietà dell’acciaio. La resistenza dell’acciaio può essere aumentata dall’aggiunta di leghe come manganese, niobio e vanadio. Tuttavia, queste aggiunte di leghe possono anche influenzare negativamente altre proprietà, come la duttilità, la tenacità e la saldabilità.
Minimizzare il livello di zolfo può migliorare la duttilità, e la tenacità può essere migliorata dall’aggiunta di nichel. La composizione chimica di ogni specifica di acciaio è quindi attentamente bilanciata e testata durante la sua produzione per garantire che vengano raggiunte le proprietà appropriate.
Gli elementi di lega producono anche una risposta diversa quando il materiale è sottoposto a trattamenti termici che comportano un raffreddamento ad una velocità prescritta da una particolare temperatura di picco. Il processo di fabbricazione può comportare combinazioni di trattamenti termici e lavorazioni meccaniche che sono di fondamentale importanza per le prestazioni dell’acciaio.
La lavorazione meccanica avviene mentre l’acciaio viene laminato o formato. Più l’acciaio viene laminato, più forte diventa. Questo effetto è evidente negli standard dei materiali, che tendono a specificare livelli di snervamento decrescenti con l’aumentare dello spessore del materiale.
L’effetto del trattamento termico è meglio spiegato facendo riferimento ai vari processi di produzione che possono essere utilizzati nella fabbricazione dell’acciaio, i principali sono:
- Acciaio laminato a caldo
- Acciaio normalizzato
- Acciaio laminato normalizzato
- Acciaio laminato termomeccanicamente (TMR)
- Acciaio bonificato (Q&T).
L’acciaio si raffredda quando viene laminato, con una tipica temperatura di laminazione di circa 750°C. L’acciaio che viene poi lasciato raffreddare naturalmente è definito materiale ‘as-rolled’. La normalizzazione avviene quando il materiale laminato a caldo viene riscaldato fino a circa 900°C e mantenuto a quella temperatura per un tempo specifico, prima di essere lasciato raffreddare naturalmente. Questo processo raffina la dimensione del grano e migliora le proprietà meccaniche, in particolare la tenacità. Il laminato normalizzato è un processo in cui la temperatura è superiore a 900°C dopo il completamento della laminazione. Questo ha un effetto sulle proprietà simile alla normalizzazione, ma elimina il processo extra di riscaldamento del materiale. Gli acciai normalizzati e laminati normalizzati hanno una designazione ‘N’.
L’uso di acciaio ad alta resistenza può ridurre il volume di acciaio necessario, ma l’acciaio deve essere resistente alle temperature d’esercizio, e dovrebbe anche mostrare una duttilità sufficiente per resistere a qualsiasi propagazione di cricche duttili. Pertanto, gli acciai ad alta resistenza richiedono una migliore tenacità e duttilità, che può essere ottenuta solo con acciai puliti a basso tenore di carbonio e massimizzando la raffinatezza del grano. L’implementazione del processo di laminazione termomeccanica (TMR) è un modo efficiente per ottenere questo risultato.
L’acciaio laminato termomeccanicamente utilizza una particolare chimica dell’acciaio per permettere una temperatura di laminazione più bassa di circa 700°C. È necessaria una forza maggiore per laminare l’acciaio a queste temperature più basse, e le proprietà vengono mantenute se non vengono riscaldate sopra i 650°C. L’acciaio laminato termomeccanicamente ha una designazione ‘M’.
Il processo per l’acciaio temprato e rinvenuto inizia con un materiale normalizzato a 900°C. Viene raffreddato rapidamente o ‘quenched’ per produrre un acciaio con alta resistenza e durezza, ma bassa tenacità. La tenacità viene ripristinata riscaldandolo a 600°C, mantenendo la temperatura per un tempo specifico, e poi lasciandolo raffreddare naturalmente (rinvenimento). Gli acciai da bonifica hanno una designazione “Q”.
La tempra consiste nel raffreddare rapidamente un prodotto per immersione diretta in acqua o olio. È spesso usato insieme al rinvenimento, che è un secondo stadio di trattamento termico a temperature inferiori all’intervallo di austenitizzazione. L’effetto del rinvenimento è quello di ammorbidire le strutture precedentemente indurite e renderle più dure e duttili.
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Resistenza
Resistenza allo snervamento
La resistenza allo snervamento è la proprietà più comune di cui il progettista avrà bisogno in quanto è la base utilizzata per la maggior parte delle regole date nei codici di progettazione. Negli standard europei per gli acciai strutturali al carbonio (compresi gli acciai resistenti agli agenti atmosferici), la designazione primaria si riferisce al carico di snervamento, ad esempio l’acciaio S355 è un acciaio strutturale con un carico di snervamento minimo specificato di 355 N/mm².
Le norme di prodotto specificano anche la gamma di valori consentiti per il carico di rottura (UTS). L’UTS minimo è rilevante per alcuni aspetti della progettazione.
Acciai laminati a caldo
Per gli acciai al carbonio laminati a caldo, il numero citato nella designazione è il valore del carico di snervamento per materiali fino a 16 mm di spessore. I progettisti dovrebbero notare che il carico di snervamento si riduce con l’aumentare dello spessore della piastra o della sezione (il materiale più sottile viene lavorato di più di quello spesso e la lavorazione aumenta la resistenza). Per i due tipi più comuni di acciaio usati nel Regno Unito, i carichi di snervamento minimi specificati e la resistenza alla trazione minima sono mostrati nella tabella sottostante per gli acciai secondo BS EN 10025-2.
| Grado | Resistenza allo snervamento (N/mm2) per spessore nominale t (mm) | Resistenza a trazione (N/mm2) per spessore nominale t (mm) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| t ≤ 16 | < t ≤ 40 | < t ≤ 63 | < t ≤ 80 | < t ≤ 100 | < t ≤ 150 | ||
| S275 | 275 | 265 | 255 | 245 | 410 | 400 | |
| S355 | 355 | 345 | 335 | 325 | 470 | 450 | |
L’allegato nazionale britannico alla BS EN 1993-1-1 permette di utilizzare il valore di snervamento minimo per uno spessore particolare come carico di snervamento nominale (caratteristico) fy e il carico di rottura minimo fu da utilizzare come carico di rottura nominale (caratteristico).
Valori simili sono dati per altri gradi in altre parti della BS EN 10025 e per sezioni cave secondo la BS EN 10210-1.
Acciai formati a freddo
C’è una vasta gamma di gradi di acciaio per nastri adatti alla formatura a freddo. I valori minimi del carico di snervamento e della resistenza alla trazione sono specificati nella relativa norma di prodotto BS EN 10346.
BS EN 1993-1-3 elenca i valori del carico di snervamento di base fyb e del carico di rottura fu che devono essere usati come valori caratteristici nella progettazione.
Acciai inossidabili
I gradi di acciaio inossidabile sono designati da un ‘numero di acciaio’ numerico (come 1.4401 per un tipico acciaio austenitico) piuttosto che dal sistema di designazione ‘S’ degli acciai al carbonio. La relazione sforzo-deformazione non ha la chiara distinzione di un punto di snervamento e le resistenze allo snervamento per gli acciai inossidabili sono generalmente citate in termini di una resistenza di prova definita per una particolare deformazione permanente di offset (convenzionalmente la deformazione dello 0,2%).
Le resistenze degli acciai inossidabili strutturali comunemente usati vanno da 170 a 450 N/mm². Gli acciai austenitici hanno un carico di snervamento inferiore a quello degli acciai al carbonio comunemente usati; gli acciai duplex hanno un carico di snervamento superiore a quello dei comuni acciai al carbonio. Sia per gli acciai inossidabili austenitici che per quelli duplex, il rapporto tra carico di rottura e carico di snervamento è maggiore di quello degli acciai al carbonio.
BS EN 1993-1-4 elenca i valori nominali (caratteristici) del carico di snervamento fy e del carico di rottura minimo fu per gli acciai secondo BS EN 10088-1 da usare nella progettazione.
Tenacità
Image of V-notch impact test piece.jpg
È nella natura di tutti i materiali contenere alcune imperfezioni. Nell’acciaio queste imperfezioni prendono la forma di piccolissime crepe. Se l’acciaio non è sufficientemente tenace, la “cricca” può propagarsi rapidamente, senza deformazione plastica e provocare una “frattura fragile”. Il rischio di frattura fragile aumenta con lo spessore, le tensioni di trazione, gli innalzamenti di tensione e alle temperature più fredde. La tenacità dell’acciaio e la sua capacità di resistere alla frattura fragile dipendono da una serie di fattori che dovrebbero essere considerati in fase di specifica. Una misura conveniente della tenacità è il test d’impatto Charpy V-notch – vedi immagine a destra. Questo test misura l’energia d’impatto richiesta per rompere un piccolo campione intagliato, ad una temperatura specificata, da un singolo colpo d’impatto da un pendolo.
I vari standard di prodotto specificano i valori minimi di energia d’impatto per diversi sottogradi di ogni grado di resistenza. Per gli acciai strutturali non legati, le denominazioni principali dei sottogradi sono JR, J0, J2 e K2. Per gli acciai a grano fine e gli acciai bonificati (che sono generalmente più duri, con un’energia d’urto più alta) si usano designazioni diverse. Un riassunto delle designazioni di tenacità è riportato nella tabella sottostante.
| Standard | Subgrade | Resistenza all’impatto | Temperatura di prova |
|---|---|---|---|
| BS EN 10025-2 BS EN 10210-1 |
JR | 27J | 20oC |
| J0 | 27J | 0oC | |
| J2 | 27J | -20oC | K2 | 40J | -20oC |
| BS EN 10025-3 | N | 40J | -20oc |
| NL | 27J | -50oc | |
| BS EN 10025-4 | M | 40J | -20oc |
| ML | 27J | -50oc | |
| BS EN 10025-5 | J0 | 27J | 0oC |
| J2 | 27J | -20oC | |
| K2 | 40J | -20oC | J4 | 27J | -40oC |
| J5 | 27J | -50oC | |
| BS EN 10025-6 | Q | 30J | -20oc |
| QL | 30J | -40oc | |
| QL1 | 30J | -60oc |
Per gli acciai sottili per formatura a freddo, nessun requisito di energia d’urto è specificato per materiali di spessore inferiore a 6 mm.
La selezione di un sottofondo appropriato, per fornire un’adeguata tenacità in situazioni di progetto, è data dalla BS EN 1993-1-10 e dal suo associato UK NA. Le regole mettono in relazione la temperatura di esposizione, il livello di stress, ecc, con uno “spessore limite” per ogni sottogrado di acciaio. PD 6695-1-10 contiene utili tabelle di ricerca e la guida alla selezione di un sottogrado appropriato è data in ED007.
Queste regole di progettazione sono state sviluppate per strutture soggette a fatica come ponti e strutture di supporto per gru, e si riconosce che il loro uso per edifici dove la fatica gioca un ruolo minore è estremamente sicuro.
La pubblicazione SCI P419 presenta limiti di spessore dell’acciaio modificati che possono essere usati in edifici dove la fatica non è una considerazione progettuale. Questi nuovi limiti sono stati derivati usando esattamente lo stesso approccio dietro le regole di progettazione dell’Eurocodice, ma riducono in modo cruciale la crescita delle cricche dovuta alla fatica. La parola “ridurre” è usata, poiché assumere che non ci sia alcuna crescita significherebbe eliminare del tutto l’effetto della fatica. Una certa fatica (20.000 cicli) è consentita sulla base di una guida indicativa di una norma DIN.
Il termine “quasi-statico” coprirebbe tali strutture – in realtà ci possono essere alcuni cicli limitati di carico, ma questo non sarebbe normalmente considerato – l’approccio progettuale è quello di considerare tutti i carichi come statici. La chiave del nuovo approccio è la formula per esprimere la crescita della crepa sotto 20.000 cicli. Gli esperti dell’Università di Aachen (che sono stati coinvolti nello sviluppo dell’Eurocodice) hanno fornito questa espressione fondamentale.
Ulteriori informazioni sono disponibili in un articolo tecnico nel numero di settembre 2017 della rivista NSC.
Gli acciai inossidabili sono generalmente molto più resistenti degli acciai al carbonio; i valori minimi sono specificati nella BS EN 10088-4. La BS EN 1993-1-4 afferma che gli acciai austenitici e duplex sono adeguatamente tenaci e non suscettibili di frattura fragile per temperature di servizio fino a -40°C.
Duttilità
La duttilità è una misura del grado in cui un materiale si può deformare o allungare tra l’inizio dello snervamento e l’eventuale frattura sotto carico di trazione, come dimostrato nella figura sottostante. Il progettista si affida alla duttilità per una serie di aspetti della progettazione, tra cui la ridistribuzione delle sollecitazioni allo stato limite ultimo, la progettazione di gruppi di bulloni, la riduzione del rischio di propagazione delle cricche da fatica e nei processi di fabbricazione di saldatura, piegatura e raddrizzamento. Le varie norme per i gradi di acciaio della tabella precedente insistono su un valore minimo per la duttilità, quindi le ipotesi di progettazione sono valide e se questi sono specificati correttamente il progettista può essere sicuro delle loro prestazioni adeguate.
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Saldabilità
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(Immagine per gentile concessione di Mabey Bridge Ltd)
Tutti gli acciai strutturali sono sostanzialmente saldabili. Tuttavia, la saldatura comporta la fusione locale dell’acciaio, che successivamente si raffredda. Il raffreddamento può essere abbastanza veloce perché il materiale circostante, per esempio la trave, offre un grande “dissipatore di calore” e la saldatura (e il calore introdotto) è di solito relativamente piccola. Questo può portare all’indurimento della ‘zona colpita dal calore’ (HAZ) e alla riduzione della tenacità. Maggiore è lo spessore del materiale, maggiore è la riduzione della tenacità.
La suscettibilità all’infragilimento dipende anche dagli elementi di lega, principalmente, ma non esclusivamente, dal contenuto di carbonio. Questa suscettibilità può essere espressa come “valore equivalente di carbonio” (CEV), e le varie norme di prodotto per gli acciai al carbonio forniscono espressioni per determinare questo valore.
BS EN 10025 stabilisce limiti obbligatori per il CEV per tutti i prodotti in acciaio strutturale coperti, ed è un semplice compito per chi controlla la saldatura assicurarsi che le specifiche delle procedure di saldatura usate siano qualificate per il grado di acciaio appropriato e il CEV.
Altre proprietà meccaniche dell’acciaio
Altre proprietà meccaniche dell’acciaio strutturale che sono importanti per il progettista includono:
- Modulo di elasticità, E = 210.000 N/mm²
- Modulo di taglio, G = E/ N/mm², spesso preso come 81.000 N/mm²
- Rapporto di Poisson, ν = 0,3
- Coefficiente di espansione termica, α = 12 x 10-6/°C (nell’intervallo di temperatura ambiente).
Durabilità
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(Immagine per gentile concessione di Hempel UK Ltd.)
Un’altra importante proprietà è quella della prevenzione della corrosione. Sebbene siano disponibili acciai speciali resistenti alla corrosione, questi non sono normalmente utilizzati nella costruzione di edifici. L’eccezione è l’acciaio resistente agli agenti atmosferici.
Il mezzo più comune per fornire protezione dalla corrosione all’acciaio da costruzione è la verniciatura o la galvanizzazione. Il tipo e il grado di protezione del rivestimento richiesto dipende dal grado di esposizione, dall’ubicazione, dalla durata del progetto, ecc. In molti casi, in situazioni interne asciutte non sono richiesti rivestimenti di protezione dalla corrosione, a parte un’adeguata protezione antincendio. Sono disponibili informazioni dettagliate sulla protezione dalla corrosione dell’acciaio strutturale.
Acciaio alle intemperie
L’acciaio alle intemperie è un acciaio a bassa lega ad alta resistenza che resiste alla corrosione formando una “patina” protettiva di ruggine aderente, che inibisce l’ulteriore corrosione. Non è necessario alcun rivestimento protettivo. È ampiamente usato nel Regno Unito per i ponti ed è stato usato esternamente su alcuni edifici. È anche usato per elementi architettonici e strutture scultoree come l’Angelo del Nord.
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Acciaio inossidabile
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L’acciaio inossidabile è un materiale altamente resistente alla corrosione che può essere utilizzato strutturalmente, in particolare quando è richiesta una finitura superficiale di alta qualità. I gradi adatti per l’esposizione in ambienti tipici sono indicati di seguito.
Il comportamento sforzo-deformazione degli acciai inossidabili differisce da quello degli acciai al carbonio per una serie di aspetti. La differenza più importante è nella forma della curva sforzo-deformazione. Mentre l’acciaio al carbonio mostra tipicamente un comportamento elastico lineare fino alla tensione di snervamento e un plateau prima di incontrare l’incrudimento, l’acciaio inossidabile ha una risposta più arrotondata senza una tensione di snervamento ben definita. Pertanto, i carichi di snervamento degli acciai inossidabili sono generalmente definiti per una particolare deformazione permanente di offset (convenzionalmente la deformazione dello 0,2%), come indicato nella figura a destra che mostra le tipiche curve sperimentali di sforzo-deformazione per i comuni acciai inossidabili austenitici e duplex. Le curve mostrate sono rappresentative della gamma di materiali che possono essere forniti e non dovrebbero essere usate nella progettazione.
| Descrizione | Grado | Minimo 0.2% di resistenza alla prova (N/mm2) | Resistenza alla trazione (N/mm2) | Allungamento alla frattura (%) |
|---|---|---|---|---|
| Acciai austenitici al cromo-nichel di base | 1.4301 | 210 | 520 – 720 | 45 |
| 1.4307 | 200 | 500 – 700 | 45 | |
| Acciai austenitici al molibdeno-cromo-nichel | 1.4401 | 220 | 520 – 670 | 45 |
| 1.4404 | 220 | 520 – 670 | 45 | |
| Acciai duplex | 1.4162 | 450 | 650 – 850 | 30 |
| 1.4462 | 460 | 640 – 840 | 25 |
Le proprietà meccaniche si applicano alla lamiera laminata a caldo. Per i nastri laminati a freddo e a caldo, le resistenze specificate sono superiori del 10-17%.
| BS EN ISO 9223 Classe di corrosione atmosferica | Ambiente esterno tipico | Acciaio inossidabile adatto |
|---|---|---|
| C1 (Molto bassa) | Deserti e zone artiche (umidità molto bassa) | 1.4301/1.4307, 1.4162 |
| C2 (Basso) | Arido o basso inquinamento (rurale) | 1.4301/1.4307, 1.4162 |
| C3 (Medio) | Aree costiere con bassi depositi di sale Aree urbane o industrializzate con inquinamento moderato |
1.4401/1.4404, 1.4162 (1.4301/1.4307) |
| C4 (Alto) | Aree urbane e industrializzate inquinate Aree costiere con moderato deposito di sale Ambienti stradali con sali antighiaccio |
1.4462, (1.4401/1.4404), altri duplex o austenitici più altamente legati |
| C5 (Molto alto) | Atmosfere industriali fortemente inquinate con alta umidità Atmosfere marine con alto grado di depositi e schizzi di sale |
1.4462, altri duplex più altamente legati o austenitici |
I materiali adatti ad una classe superiore possono essere utilizzati per classi inferiori ma potrebbero non essere convenienti. I materiali tra parentesi potrebbero essere considerati se una certa corrosione moderata è accettabile. L’accumulo di inquinanti corrosivi e cloruri sarà maggiore in luoghi riparati; quindi potrebbe essere necessario scegliere un grado raccomandato dalla classe di corrosione immediatamente superiore.
- 1.0 1.1 1.2 BS EN 10025-2:2019 Prodotti laminati a caldo di acciai strutturali. Condizioni tecniche di fornitura per acciai strutturali non legati, BSI.
- NA+A1:2014 a BS EN 1993-1-1:2005+A1:2014, UK National Annex to Eurocode 3: Design of steel structures General rules and rules for buildings, BSI
- 3.0 3.1 BS EN 10210-1:2006 Hot finished structural hollow sections of non-alloy and fine grain steels. Requisiti tecnici di consegna, BSI.
- BS EN 10346:2015 Prodotti piatti in acciaio rivestiti a caldo in continuo per formatura a freddo. Condizioni tecniche di fornitura. BSI
- BS EN 1993-1-3:2006 Eurocodice 3: Progettazione di strutture in acciaio. Regole generali – Regole supplementari per membrature e lamiere formate a freddo, BSI.
- 6.0 6.1 BS EN 1993-1-4:2006+A1:2015 Eurocodice 3. Progettazione di strutture in acciaio. Regole generali. Regole supplementari per gli acciai inossidabili, BSI
- BS EN 10088-1:2014Acciai inossidabili. Elenco degli acciai inossidabili, BSI
- BS EN 10025-3: 2019, Prodotti laminati a caldo di acciai strutturali, Parte 3: Condizioni tecniche di fornitura per acciai strutturali a grano fine normalizzati / normalizzati laminati saldabili, BSI
- BS EN 10025-4: 2019, Prodotti laminati a caldo di acciai strutturali, Parte 4: Condizioni tecniche di fornitura per acciai strutturali a grano fine saldabili laminati termomeccanici, BSI
- BS EN 10025-5: 2019, Prodotti laminati a caldo di acciai strutturali, Parte 5: Condizioni tecniche di fornitura per acciai strutturali con migliore resistenza alla corrosione atmosferica, BSI
- BS EN 10025-6: 2019, Prodotti laminati a caldo di acciai strutturali, Parte 6: Condizioni tecniche di fornitura per prodotti piani di acciai strutturali ad alto limite di snervamento allo stato bonificato, BSI
- BS EN 1993-1-10:2005 Eurocodice 3. Progettazione di strutture in acciaio. Tenacità del materiale e proprietà attraverso lo spessore, BSI.
- NA alla BS EN 1993-1-10: 2005, allegato nazionale britannico all’Eurocodice 3: progettazione di strutture in acciaio. Resistenza del materiale e proprietà di spessore passante. BSI
- PD 6695-1-10:2009 Raccomandazioni per la progettazione di strutture secondo BS EN 1993-1-10. BSI
- 15.0 15.1 BS EN 10088-4:2009 Acciai inossidabili. Condizioni tecniche di fornitura per fogli/piastre e nastri di acciai resistenti alla corrosione per scopi di costruzione, BSI.
- BS EN ISO 9223:2012 Corrosione di metalli e leghe, Corrosività delle atmosfere, classificazione, determinazione e stima. BSI