Temperatura e forza di serraggio: una relazione chiave per la sicurezza

Effetti dell’azione termica sulle giunzioni bullonate

Nel contesto infrastrutturale, le giunzioni bullonate rappresentano elementi fondamentali nella continuità strutturale di travature metalliche e carpenterie pesanti. Esse assicurano la trasmissione dei carichi assiali, di taglio e dei momenti flettenti tra le diverse parti dell’infrastruttura attraverso il loro tensionamento e la pressione di contatto generata tra le parti assemblate. Tuttavia, le variazioni di temperatura — anche escursioni ambientali giornaliere e stagionali — introducono variazioni nello stato tensionale nei bulloni e negli elementi collegati, modificando la forza di serraggio effettiva e la conseguente capacità portante.

Si consideri infatti che in una giunzione bullonata strutturale, le procedure di serraggio vengono tipicamente definite per uno sfruttamento massimizzato della capacità di carico, determinando agli effetti pratici, un incastro “semi-rigido”. La presenza di un elevato precarico e l’attrito statico tra le parti, genera localmente un effetto “iperstatico” con elevate pressioni hertziane (300 ÷ 600MPa) ed impedimento allo scorrimento. Inoltre, la presenza di una molteplicità di elementi di fissaggio adiacenti, a precarichi ragionevolmente diversi e mutualmente influenti tra loro, rende il sistema complesso e non linearmente prevedibile nella risposta quando si manifestano variazioni di temperatura con dilatazioni termiche differenziali.

Gli effetti dell’azione termica sui collegamenti bullonati possono esser analizzati in una duplice prospettiva: “macro” (visione d’insieme) e “micro” (interazione termo meccanica non lineare di contatto).

A livello “macro”, l’effetto principale deriva dalle differenze di dilatazione termica tra il bullone e gli elementi collegati, che comportano una modifica dello stato di sollecitazione e relativa ridistribuzione dello stato tensionale. La risposta complessiva è infatti governata dal precarico e dal coefficiente di attrito statico tra le parti metalliche collegate. Essa è dipendente dalla rigidezza relativa dei componenti– si considerino travi, piastre e pacchi serrati, incluse rondelle, bulloni - ingegneristicamente schematizzata attraverso i triangoli di rigidezza. Per questo motivo le sollecitazioni da carico di esercizio e da escursioni termiche, generate da deformazioni dello stesso ordine di grandezza, si ridistribuiscono tra il bullone e il pacco serrato in relazione alla ripartizione delle loro rigidezze.

Per le escursioni termiche ambientali tipiche delle strutture metalliche, l’effetto rimane prevalentemente e parzialmente elastico e reversibile. Quando però ai cicli termici si sovrappongono i carichi di esercizio, possono manifestarsi fenomeni di rilassamento progressivo (embeddings). Tali fenomeni sono dovuti a microplasticizzazioni locali nelle superfici di contatto e determinano una perdita graduale del precarico originario.

A livello “micro”, si tratta dunque di una interazione termo-meccanica non lineare di contatto, in cui le variazioni di temperatura producono un rilascio parziale dell’energia elastica immagazzinata nel precarico, ergo l’elasticità globale del bullone si combina con la plasticità locale del pacco serrato. La presenza di numerose superfici di contatto con relativa rugosità, rivestimenti anticorrosivi con spessori micrometrici, abbinata ad elevate pressioni Hertziane, genera un meccanismo irreversibile di perdita di precarico.

In sintesi:

• le dilatazioni termiche producono sovrasollecitazioni locali sulle zone di contatto, governate dal precarico e dal coefficiente d’attrito statico;
• i microspostamenti risultanti generano strain e plasticizzazioni locali (meccanismo di embedding) associate alle elevate pressioni hertziane;
• l’ordine di grandezza di tali deformazioni è comparabile con gli allungamenti elastici associati al precarico e contribuisce alla perdita irreversibile di pretensione;
• pertanto, la giunzione evolve nel tempo verso un nuovo stato di equilibrio con minore forza di serraggio residua.

L’influenza del rapporto tra temperatura e forza di serraggio sulla stabilità delle giunzioni bullonate è spesso sottovalutata in fase di progettazione, portando a valutazioni non complete riguardo il rischio strutturale. Un monitoraggio costante e in tempo reale ( “real time SHM”) di questi parametri, diventa quindi strategico e cruciale per individuare e compensare tempestivamente meccanismi di degrado con perdite di serraggio che, se trascurate, potrebbero compromettere la sicurezza e l’affidabilità dell’intera struttura. Inoltre, in un contesto di “digital twin”, l’integrazione di queste telemetrie rappresentative del comportamento reale della infrastruttura con modelli FEM, abilita un paradigma di controllo completo, continuo e predittivo per una gestione attiva dell’“infrastructure life-cycle”.

Un contributo innovativo nel campo del monitoring è fornito da Tokbo, startup italiana nata dal Gruppo Agrati – multinazionale leader nelle soluzioni di fissaggio per il settore automotive.

L’azienda ha sviluppato un sistema di monitoraggio proprietario multidimensionale, flessibile e scalabile, capace di garantire controllo costante e da remoto. Grazie a bulloni sensorizzati distribuiti sulle giunzioni significative direttamente connessi alla piattaforma cloud Tokbo, è possibile raccogliere in tempo reale le telemetrie riguardanti lo stato di salute dell’infrastruttura. La piattaforma cloud espone dati live, dashboard di sintesi ed analisi avanzate, ed è progettate per generare automaticamente due livelli di notifiche in caso di superamento di soglie critiche (adattive e riconfigurabili) mediante e-mail e SMS inviati al personale designato.

Oltre a incrementare la sicurezza, questa tecnologia consente di ottimizzare i costi di gestione e di abilitare strategie di manutenzione predittiva: algoritmi di Machine Learning permettono di prevedere guasti o deterioramenti grazie all’analisi di pattern e trend comportamentali.

Quando la temperatura influisce sulla forza di serraggio: rilevazioni significative da un progetto di monitoraggio industriale

Il caso in esame si riferisce al monitoraggio di strutture metalliche a portale incaricate di sostenere la copertura di un capannone industriale di grandi dimensioni.

Su ciascuna di queste strutture a portale, in nodi e giunzioni considerate significative (quali i giunti tra colonna e traversa), sono stati montati e distribuiti una trentina di bulloni sensorizzati EN14399-4, M24 ed M27 HV.

Si prende ora in esame il periodo da Gennaio a Settembre 2025, durante il quale è proseguito costantemente il monitoraggio delle strutture mediante l’acquisizione delle grandezze rilevate dai sensori Tokbo: forza di serraggio, temperatura, accelerazioni e frequenze di vibrazione.

Nello specifico, considerando l’andamento della temperatura media ambientale nell’area in cui sono collocate le strutture, si osserva un incremento prossimo al +300%.

Analizzando l’impatto di questi cambiamenti sulle forze di serraggio dei giunti monitorati, si registrano delle correlazioni significative.

In particolare, si rilevano cambiamenti maggiori nel periodo Giugno ÷ Settembre, coincidenti con il caldo estivo e con periodi prolungati di mantenimento alle più elevate temperature stagionali.

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