Fatica nelle strutture di acciaio: il nuovo Eurocodice EN1993-1-9:2025 per le strutture civili di acciaio

L’uscita del nuovo Eurocodice sulla fatica è un’occasione per fare il punto per un dominio di sicurezza la cui insidiosità risiede nell’idea che la sua manifestazione sia a un termine così lungo da non riguardarci.

Ma le stesse conoscenze e tecniche che risolvono la fatica policiclica dominano anche quella oligociclica da cicli plastici, sismici, ma non solo, anche da vento frequente o termici su schemi statici interni o esterni impropri, sicché, abbandonate prematuramente le prassi tecniche dei maestri in cambio della promessa computazionale è necessario uno sforzo per portare la nuova generazione di ingegneri al traguardo di una manutenzione tempestiva, precisa ed economica, quindi scientifica e non scientista.

📌 Nota introduttiva di Vincenzo Nunziata
Il Prof. Ing. Vincenzo Nunziata (Università dell’Aquila) ha voluto dedicare una corposa introduzione a questo articolo, sottolineando come il nuovo EN 1993-1-9:2025 rappresenti un punto di svolta nello studio della fatica delle strutture civili in acciaio e nella gestione della vita residua delle opere esistenti.
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Un dominio strutturale forse non più di nicchia

Nel grande e articolato mondo delle costruzioni civili, la fatica è stato un argomento di nicchia in un campo, quello del progetto delle strutture di acciaio, che di per sé era già per specialisti.

Se poi realizziamo che il primo libro dato alle stampe al mondo sull’argomento è solo del 1924 [1] e il primo libro italiano è del 1950 [2], aventi per oggetto naturalmente la meccanica, suo habitat naturale, e non certo le strutture civili, si chiarisce il motivo per il quale si è dovuto attendere che il tempo facesse il suo lavoro sulle strutture costruite all’indomani della seconda guerra mondiale, per porre davanti agli amministratori italiani e del mondo intero il problema con improvvisa urgenza.

Problema, in primo luogo, per le strutture esistenti, delle quali stimare la vita residua è un lavoro non da poco, e poi, naturalmente per quelle nuove da costruire.

Al crescere dell’interesse, ricerche, corsi e pubblicazioni aumentano, non solo a livello accademico, ma anche ordinistico, di associazioni e aziendale, ma l’occasione dell’uscita del nuovo Eurocodice EN1993-1-9:2025, un documento ufficiale destinato ad essere il punto di riferimento sull’argomento in Europa e, nella prassi, anche in giro per il mondo, è un momento cruciale molto importante per fare il punto della situazione.

L’evoluzione dell’EN1993-1-9 rispetto alla versione del 2005

Senza voler ripercorrere gli ultimi vent’anni di normative ufficiali sulla fatica, nei diversi campi di impiego dell’acciaio, nella costruzione meccanica, offshore, navale, aereonautica, delle giostre e civile, che sono stati molto affollati, è necessario dire che la nuova versione dell’Eurocodice sulla fatica, sempre destinata a un progettista almeno erudito se non esperto sullo specifico argomento, si presenta con oltre cento pagine in più rispetto alla precedente, senza poi considerare i rimandi specifici presenti nella ulteriore grande novità rappresentata dell’EN1993-1-14, relativo alla simulazione e alla modellistica computazionali.

Dovendo dire dove queste energie sono state spese, è evidente che, riprendendo il lavoro pregevole dell’IIW [3] [4], si è lavorato sul fronte della illustrazione di concetti e terminologie dibattuti anche aspramente proprio dagli specialisti [5], a causa dell’erompere degli elementi finiti sui tavoli di calcolo di tutti i progettisti.

La nuova versione, infatti, si occupa del passaggio epocale dal modello a “trave”, che tutto perdonava e tutto nascondeva, a quello a “shell” o addirittura “solid”, i quali, invece della promessa precisione e determinatezza, hanno recato con sé non solo il problema del luogo di lettura dello stress nominale in funzione della modellazione, laddove la modellistica fosse stata uniformata, ma anche dell’interpretazione, che proprio con la modellistica si interconnette indissolubilmente nei diversi metodi.

La pretesa elastica, necessaria per l’infrastruttura del metodo, si accoppia a coefficienti kt/kf di concentrazione della tensione, di tipo geometrico-metallurgico, espresso dalle diverse curve di resistenza, che sono il punto davvero importante per la determinazione della vita utile.

I meta problemi degli ingegneri civili in relazione alla fatica

Nel momento in cui i carichi variabili provocano oscillazione di tensioni o sono le strutture stesse a muoversi o ad avere parti in movimento, la fatica diventa il dominio da indagare, quello da soddisfare in termini di verifiche di sicurezza o addirittura dimensionante della struttura intera o delle parti più costose di essa, come i giunti, i nodi, le connessioni, costituiti di saldature, bullonature, perni, elementi di contatto, cioè ciò che ha bisogno di molte e diverse fasi di lavoro di trasformazione, determinando l’aumento esponenziale dei costi di produzione, in particolare se non si maneggiano adeguatamente i concetti.

Un esempio su tutti è la credenza assai diffusa che la piena penetrazione di una saldatura porti alla stessa capacità del metallo base, esentando dal calcolo, cosa vera per la resistenza, ma falsa a fatica: la differenza di durabilità per un giunto testa a testa è di (2.25)^3=11.39 volte in meno, a parità di tutti gli altri fattori.

Quando allora nelle righe precedenti si è fatto riferimento agli altri campi di impiego dell’acciaio, lo scopo era quello di introdurre i problemi ulteriori che il mondo civile ha in comune con alcuni di tali settori della costruzione di acciaio.

Il primo di questi problemi è che le strutture civili sono prototipi in unico esemplare, che non possono essere provati in laboratorio verso la fatica, come si fa in meccanica su molti pezzi uguali, non solo per il numero di volte che il metodo empirico-statistico richiederebbe, ma nemmeno una volta sola.

Quest’unico esemplare non può essere collaudato alla fatica, quindi il progetto alla fatica, inteso come modello globale che per disegno e calcolo giunge a definire il dettaglio, è l’unica via.

Il secondo problema è che le strutture civili sono enormi rispetto a quelle meccaniche, per un problema che si sviluppa attorno a un intaglio in tre decimi di millimetro, potenzialmente in ogni punto, e per un input di sollecitazione di tipo spettrale, cosicché le verifiche a fatica da fare sono tantissime, con l’accoppiamento delle nuove tecniche con i modi di modellazione computazionale che fanno numericamente esplodere il problema piuttosto che risolverlo, come detto.

Il terzo problema è che nell’attuale post-modernità, in caso di fatica, si ritiene che con il giusto software, laddove lo si acquisti, un ingegnere civile possa dall’oggi al domani occuparsi di strutture che presentano caratteristiche di sfida totale, con gli strumenti teorici, procedurali, risorse economiche e di tempo, destinati alla progettazione di ieri, cosa che per campi emergenti, come l’eolico galleggiante, non è affatto.

La nuova EN1993-1-9:2025

Poiché per i motivi detti prima, la meccanica della frattura massivamente è inapplicabile in una grande struttura, nell’intento didascalico, ma evidentemente anche applicativo, di grande importanza è l’insieme di definizioni date al paragrafo 3 della norma, tra cui spicca doverosamente la definizione di “stress concentration factor”.

Attorno a questo fattore si muove tutto il sistema di verifica.

Probabilmente con l’intento di semplificare, si è definito “parte computabile del coefficiente di concentrazione delle tensioni”, senza più menzionare il kt, né l’intimo legame teorico [6] tra i due coefficienti.

Ma la definizione di kt, coefficiente teorico di concentrazione delle tensioni, è importante proprio per comprendere cosa può essere modellato a FEM direttamente e cosa no e perché è necessario cambiare tecnica quando il kt raggiunge il valore critico, trasformandosi in kf e segnando il passaggio dal criterio di punto, che permette di procedere con una semplice lettura della tensione, a un criterio di campo, dove la lettura dovrebbe essere un integrale in un intervallo o in un volume, con implicazioni procedurali molto significative, oggi ancora non riportate nella norma.

Di conseguenza, la parte non computabile, è affidata all’intaglio espresso nelle tabelle 10.1÷10.12, per l’occasione rinnovate non solo nell’aspetto grafico, molto più chiaro e preciso, ma anche in molte novità sostanziali che meglio definiscono posizione di lettura della tensione, tipo di particolare, note di validità, necessità o meno di controlli.

Lo sforzo enciclopedico di revisione critica della letteratura esistente [7] e quello comunicativo che sono stati fatti non sono presenti in nessuna normativa precedente. Però, nella logica detta, sarebbe stato di aiuto poter avere il kf espresso anche come rapporto rispetto al valore della lamiera con bordi da laminatoio (Δσc=180 Mpa a 2.0E6 cicli, kf=1.0): ad esempio per una saldatura a completa penetrazione CJP, di testa non rasata con angolo maggiore di 110° (tab. 10.4 – 3, Δσc=80 Mpa a 2.0E6 cicli) si avrebbe avuto kf=180/80=2.25 da compararsi immediatamente con quella rasata (tab. 10.4 – 1, Δσc=112 Mpa a 2.0E6 cicli), con un miglioramento a kf=180/112=1.61, mettendo in luce il permanere dell’effetto metallurgico della piena penetrazione, una volta sterilizzato quello geometrico mediante la costosissima lavorazione di rasatura.

Nel mondo dello stress nominale, già innovato nella versione 2005 dal “modified nominal stress”, compaiono ora i due problemi immediatamente successivi, quello della forma della tensione nello spessore (tensione puramente membranale, puramente flessionale o gradualmente mista) e poi il suo impennarsi a valori altamente variabili al variare delle condizioni al contorno man mano che ci si avvicina al piede della saldatura. Nella figura 3.2 della norma si riassumono questi due problemi.

L’effetto della flessione, calcolata a “una certa distanza”, cioè nominale, prima che la geometria della saldatura cambi la forma della tensione, è benefico. Dunque, prendere la tensione massima composta è conservativo all’allontanarsi dalla tensione puramente membranale verso una tensione puramente flessionale.

Questo effetto viene computato per esempio in [8] perché non è trascurabile e la tensione di prova delle tabelle 10.1÷10.12 già citate è membranale, se non diversamente specificato. Oppure è necessario usare metodi specifici, in particolare l’hot spot a forma polinomiale fissa e l’effective notch stress a raggio fittizio, che sono presentati nell’Annesso B e C, rispettivamente, in forma normativa. La loro eventuale applicazione massiva per una grande struttura pone una serie di problemi di modellazione che si palesano proprio nella EN1993-1-14 e che le figure 8.5 e 8.9 di tale norma illustrano a colpo d’occhio.

Infatti, se la conoscenza dell’esistenza di questi metodi è doverosa per finalità di indagine accademica o di ECA (Engineering Critical Assesment), tuttavia il loro uso massivo da parte del neofita può porre seri problemi operativi e di costo.

Doverosa l’attenzione riservata dalla norma ad aspetti operativi importanti che generano sempre incomprensioni o arbitrii, per esempio relativi al calcolo nominale delle tensioni sulla gola della saldatura per il momento fuori piano, alla definizione degli spettri e agli eventuali fattori  per l’equivalenza del danno, poiché nella versione 2005 la guida all’operatività era meno dettagliata.

Mentre il lato delle curve di resistenza è sostanzialmente immutato, salvo ricalibrature che hanno coinvolto un lavoro statistico scientificamente poderoso che potrà essere apprezzato anche come benchmark internazionale, sull’importante tema dei nodi di tubi saldati quadri e tondi, proprio accanto ai metodi locali introdotti, permane la teoria di Efthymiou (Table 10.8 e tabelle D.1 e D.2 in Appendice D) risalente a studi degli anni ’80, che dava dal solo sforzo assiale di un modello ad aste, l’effetto flessionale su complessi nodali precalcolati.

Forte, da una parte, è la limitazione delle casistiche a situazioni piane e non tridimensionali, tipiche invece per questo tipo di strutture, ma proprio alla luce dei metodi locali introdotti, con mesh dell’ordine del decimo di millimetro, il coefficiente k1 rappresenta un passato glorioso, cui si deve guardare con rispetto, ma poco coerente con l’attualità scientifica.

Effetti di pretensione nel bullone, effetti benefici di trattamenti meccanici, e molto altro, già presenti in altre normative, e oggetto di lunga sperimentazione anche sul campo, sono ora finalmente compendiati anche nel nuovo Eurocodice.

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DALLA REDAZIONE Questo contributo sintetizza con taglio operativo le novità dell’EN 1993-1-9:2025, guidando il lettore tra lettura delle tensioni, catalogo dei dettagli e metodi locali, con continui rimandi alla modellazione FEM (EN 1993-1-14) e all’esecuzione (EN 1090-2). Il valore dell’articolo risiede nell’equilibrio tra inquadramento teorico e applicazioni pratiche, utile a chi progetta, verifica e gestisce strutture in acciaio soggette a carichi variabili. La competenza degli autori e la chiarezza espositiva lo rendono un riferimento autorevole per aggiornare procedure interne e capitolati tecnici