Comportamento a fatica di giunzioni bullonate e saldate zincate a caldo

Analisi del comportamento sotto carichi ciclici dei particolari strutturali più comuni nei ponti di acciaio

La zincatura a caldo, sistema di protezione molto diffuso per gli elementi strutturali di acciaio prevalentemente, se non esclusivamente, soggetti a sollecitazioni di natura statica, non ha, per quanto a conoscenza degli scriventi, applicazioni in Italia nel campo dei ponti stradali e ferroviari. Un ostacolo all’impiego per tali opere, almeno fino a pochi anni orsono, è stato sicuramente costituito dalla mancanza di studi specifici sul comportamento a fatica di dettagli strutturali zincati a caldo per immersione. Con l’obbiettivo di dare un contributo alla conoscenza della vita a fatica ed alla relativa classificazione degli elementi strutturali e delle giunzioni saldate e bullonate zincate a caldo, gli scriventi hanno portato avanti, da oltre un lustro, campagne di indagini sperimentali per analizzare il comportamento sotto carichi ciclici dei particolari strutturali più comuni nei ponti di acciaio. Ulteriori importanti informazioni sono reperibili in letteratura tecnica con particolare riferimento a recenti studi condotti dalla società Arcelor e da ricercatori di alcune università tedesche. Sintetizzeremo di seguito separatamente le risultanze salienti delle indagini di laboratorio esperite sia su giunzioni saldate che su quelle bullonate. 

Elementi zincati a caldo e comportamento a fatica

Gli studi fino ad oggi disponibili in letteratura sul materiale base, hanno evidenziato che, mentre la resistenza statica dell’acciaio non è particolarmente influenzata dal rivestimento di zinco, ad eccezione della tensione di snervamento che manifesta un leggero incremento, in condizioni di stress ciclico la resistenza a fatica viene generalmente ridotta. L'effetto di un rivestimento galvanico sul comportamento a fatica di elementi strutturali di acciaio strutturale privi di intagli è stato ampiamente investigato in (Vogt et al., 2001) e uno strumento basato sul diagramma Kitagawa-Takahashi è stato impiegato per la previsione della resistenza a fatica dell'acciaio zincato a caldo. È stato dimostrato che la resistenza a fatica di un acciaio strutturale non dipende dallo strato di zinco se lo spessore dello stesso non supera il valore soglia di 60 μm. Un confronto diretto tra campioni intagliati, aventi la medesima geometria (ved. Fig. 1), rispettivamente non trattati superficialmente e zincati a caldo, assoggettati a cicli di carico aventi rapporto R=0 e R=-1 ha evidenziato, in termini di resistenza a fatica, un grado di penalizzazione dovuto al processo di zincatura a caldo per immersione, pari al 25% circa per i provini della presente indagine, indipendente, o quasi, dal rapporto di ciclo R. 60 provini, indeboliti con foro centrale, sono stati realizzati con acciaio strutturale S355 e testati sperimentalmente a fatica.

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Figura 1 - Geometria del provino.

Immagine SEM del rivestimento zincato dei provini dopo il cedimento a fatica.

Figura 2 - Immagine SEM del rivestimento zincato dei provini dopo il cedimento a fatica.

Le curve sperimentali riportate nelle Fig. 3 e 4, relative rispettivamente ai campioni non trattati superficialmente ed a quelli zincati a caldo, evidenziano per i secondi una pendenza inversa della curva k leggermente inferiore rispetto a quella dei primi. Le linee continue delle figure corrispondono, partendo dall’alto, ad una probabilità di sopravvivenza del 10%, 50% e 90%. Anche se la penalizzazione in termini di stress range Δσ non è trascurabile, la resistenza a fatica dei provini zincati a caldo è paragonabile al valore di riferimento riportato nell’Eurocodice 3 (ved. Fig. 6) per elementi forati e soggetti a sollecitazioni di flessione e sforzo assiale associato. La categoria del dettaglio strutturale (ΔσC) a 2 milioni di cicli è pari a 90 MPa e si riferisce all’acciaio non trattato superficialmente. Detto valore è confrontabile con quello ottenuto sperimentalmente pari a 95/1.1 = 86.6 MPa (probabilità di sopravvivenza Ps = 97.7%) per campioni zincati a caldo (Fig. 4).  Il coefficiente 1.1, riportato al denominatore, consente di passare dalla probabilità di sopravvivenza del 90% a quella del 97.7%. Tali risultati sono in accordo con lo studio di Huhn e Valtinat che aveva analizzato provini zincati a caldo forati sia mediante punzone che con trapano (ved. Fig. 5).

Comportamento a fatica di provini di acciaio S355 non trattati (R=0).

Figura 3 - Comportamento a fatica di provini di acciaio S355 non trattati (R=0).

Comportamento a fatica di provini di acciaio S355 zincati a caldo (R=0).

Figura 4 - Comportamento a fatica di provini di acciaio S355 zincati a caldo (R=0).

Confronto diretto dei risultati ottenuti per R=0 con quelli ottenuti da Valtinat e Huhn.

Figura 5 - Confronto diretto dei risultati ottenuti per R=0 con quelli ottenuti da Valtinat e Huhn.

Categoria di dettaglio alla quale è assimilato il provino riportato in Fig. 1. 

Figura 6 - Categoria di dettaglio alla quale è assimilato il provino riportato in Fig. 1.

In Fig. 7 è rappresentato un confronto tra due serie di provini differenziati unicamente dalla esecuzione o meno del trattamento di zincatura a caldo. Il dettaglio testato prevede, secondo le norme vigenti, una resistenza a fatica in termini di ampiezza di stress nominale pari a 125 MPa a 2E6 cicli di durata e con una probabilità di sopravvivenza del 97,7%. Nel caso dei test in questione, la resistenza mostrata dai provini testati è stata pari a 140 MPa, eccedendo la resistenza della categoria di riferimento. Nel caso invece della medesima geometria, ma a seguito dell’esecuzione del trattamento di zincatura, la resistenza cala a 117 MPa, ovvero con una riduzione del 6% rispetto al valore suggerito dalle norme europee. Il divario più significativo per valutare l’influenza del trattamento sulla resistenza a fatica di una giunzione saldata in acciaio strutturale è invece quello tra le due serie testate: la riduzione di ampiezza di stress nominale da 140 a 117 MPa costituisce infatti un indebolimento del 17%.

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Figura 7 - Confronto tra resistenza a fatica di componente non trattato e zincato a caldo (Oechsner et al.) (a) e relativa categoria di dettaglio (b).

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