L'allentamento non rotazionale si verifica quando non si verifica alcun movimento relativo tra la filettatura interna ed esterna, ovvero non si verifica alcuna rotazione, ma si verifica una perdita di precarico.
Una parziale perdita di precarico tende a verificarsi su tutte le giunzioni bullonate; alcuni tipi di giunzione sono tuttavia più soggetti a perdite significative rispetto ad altri.
L'allentamento non rotazionale può verificarsi a causa della deformazione del dispositivo di fissaggio stesso, o del giunto, dopo il montaggio. Normalmente, l'allungamento del dispositivo di fissaggio e la compressione articolare sono di tipo elastico, tendenti quindi a riportare l'elemento alla condizione iniziale.
Dopo il montaggio, i cambiamenti nell'estensione del dispositivo di fissaggio e nella compressione del giunto possono causare una perdita di precarico. Le modifiche possono essere reversibili, a causa della dilatazione termica differenziale del bullone rispetto al giunto, o permanenti, a causa della deformazione plastica, dello scorrimento o del rilassamento delle sollecitazioni.
Le cause principali dell'allentamento non rotazionale
I termini rilassamento e assestamento sono talvolta usati come termini generali per includere alcuni tipi di allentamento non rotazionale che possono verificarsi nel bullone e nel giunto. Le cause principali di tale allentamento sono:
Incasso: si tratta di una deformazione plastica localizzata che si verifica sotto la faccia del dado, nelle facce del giunto e nelle filettature a causa dell'appiattimento plastico della rugosità superficiale.
Rilassamento: questa è una forma di rilassamento del materiale dovuta a condizioni esterne, solitamente a una temperatura elevata. Il precarico diminuisce con conseguente riduzione del precarico del bullone.
Scorrimento viscoso: è la caratteristica di un materiale di deformarsi permanentemente in condizioni di stress continuo. Lo scorrimento viscoso può verificarsi nel materiale del giunto stesso, in eventuali guarnizioni all'interno del giunto e sulle eventuali verniciature.
Eccessiva sollecitazione sotto la testa del bullone: se la sollecitazione superficiale (tra testa del bullone e giunto) causata dal precarico è troppo elevata, si verifica un collasso della superficie con conseguente perdita di allungamento del bullone e quindi perdita di precarico.
Espansione termica differenziale: i bulloni vengono generalmente serrati a temperatura ambiente anche se possono funzionare a temperature elevate o criogeniche. Se i materiali del giunto e del bullone differiscono, il precarico del bullone può aumentare o diminuire a seconda delle caratteristiche di espansione/contrazione dei materiali del giunto e del bullone.
Allentamento non rotazionale per appiattimento delle asperità sulle superfici a contatto
L'allentamento non rotazionale può verificarsi a seguito della deformazione dell'elemento di fissaggio stesso, o del giunto, dopo il montaggio. Ciò può avvenire a seguito di un parziale collasso plastico delle superfici a contatto nel giunto.
Quando due superfici entrano in contatto l'una con l'altra, le asperità su ciascuna superficie sostengono il carico complessivo. Poiché l'area di contatto effettiva può essere sostanzialmente inferiore all'area apparente, le sollecitazioni localizzate molto elevate sono sostenute dalle asperità che, anche sotto carico moderato, sono maggiori della resistenza allo snervamento del materiale.
Questo porta al parziale cedimento della superficie a seguito del completamento dell'operazione di serraggio. Questo collasso è in genere indicato come incorporamento (embedding).
La quantità di precarico persa a causa di questo fenomeno dipende dalla rigidità del bullone e del giunto, dal numero di interfacce presenti all'interno del giunto, dalla rugosità della superficie e dalla sollecitazione della testa del bullone sulla superficie con cui è in contatto.
In condizioni di sollecitazione superficiale moderata, il collasso iniziale si traduce tipicamente in una perdita del precarico compresa tra l'1% e il 5% entro i primi due secondi dal serraggio del giunto.
Quando il giunto viene successivamente caricato dinamicamente dalle forze applicate esternamente (vibrazioni, peso della struttura, ecc.), si verifica un'ulteriore riduzione a causa delle variazioni di pressione che si verificano sulle interfacce del giunto.
L'allentamento dovuto alla perdita di carico per appiattimento delle asperità è problematico su giunzioni che comprendono diverse superfici piuttosto sottili e una lunghezza di presa del filetto ridotta.
Se la sollecitazione sulla superficie sotto la testa del bullone viene mantenuta al di sotto della resistenza allo snervamento a compressione del materiale del giunto, è calcolabile l'entità della perdita di carico dovuta all'appiattimento delle asperità e il giunto può essere progettato in modo da compensare questa perdita.
La perdita di carico è più grave nei bulloni piccoli
Un aspetto poco conosciuto è che la perdita di carico per appiattimento delle asperità nei materiali diventa tanto più significativa quanto minore è il diametro del bullone.
I valori di rugosità superficiale possono essere simili se si utilizza un bullone M12 o un bullone M4. Se viene utilizzato lo stesso rapporto tra lunghezza e diametro, la perdita percentuale di precarico sarà molto maggiore per il bullone piccolo. Un calcolo dettagliato indica che si può prevedere che un bullone M12 perda 5 kN, o il 12% del suo precarico, mentre un bullone M4 perderà 1,7 kN, o il 38%, del suo precarico.
Essenzialmente, questo avviene perché la quantità di incorporamento è simile per entrambi i giunti, ma poiché il precarico è proporzionale all'area del bullone e l'area del bullone è una funzione del quadrato del diametro, il precarico si riduce molto più velocemente del diametro del bullone.
Per questo motivo, nei bulloni più piccoli può essere più difficile mantenere il precarico senza una significativa perdita dello stesso nel tempo, e l'utilizzo di sistemi antisvitamento non potrà risolvere il problema in quanto la perdita di carico non è dovuta alla rotazione del dado.
Per ovviare a tali circostanze potrebbero essere necessarie modifiche del design e delle caratteristiche di rigidità del giunto in modo da mitigare gli effetti della perdita di carico.
