Uno dei maggiori problemi quando si devono utilizzare o progettare delle giunzioni bullonate è sicuramente la scelta del metodo con cui si dovrà generare un precarico accurato nel bullone.
Un precarico insufficiente, causato da un metodo di serraggio poco preciso, è una delle cause principali del cedimento di un giunto bullonato. È quindi molto importante che il progettista conosca le caratteristiche dei principali metodi utilizzati per serrare i bulloni. Si noti tuttavia che, qualunque sia il metodo utilizzato per serrare un bullone, è prevedibile un grado di dispersione del precarico del bullone.
I principali metodi utilizzati per il serraggio dei bulloni sono:
- Serraggio con controllo della coppia;
- Serraggio con controllo dell'angolo;
- Serraggio con controllo del precarico applicato;
- Tensionamento diretto del tirante;
- Applicazione del carico tramite riscaldamento del tirante.
In questo articolo approfondiamo il primo e più diffuso: il serraggio con controllo della coppia.
Serraggio con controllo della coppia
Il serraggio con controllo della coppia tramite chiavi dinamometriche è il metodo più diffuso per controllare il precarico. La coppia nominale necessaria per serrare il bullone a un dato precarico può essere determinata dalle tabelle o, mediante calcolo, utilizzando una relazione tra la coppia e la risultante tensione del bullone.
Quando un bullone viene serrato, il gambo subisce una sollecitazione diretta, dovuta alla deformazione di allungamento, unitamente ad una sollecitazione torsionale, dovuta alla coppia che agisce sui filetti.
La maggior parte delle tabelle delle coppie di serraggio dei bulloni ignorano la sollecitazione torsionale e presuppongono una sollecitazione diretta nelle filettature di una certa proporzione delle sollecitazioni di snervamento dei bulloni, solitamente il 75%. Per condizioni di attrito elevato, l'entità della sollecitazione torsionale può essere tale che, quando combinata con la sollecitazione diretta, può risultare una sollecitazione equivalente molto alta che si avvicina molto al valore di snervamento, portando di conseguenza al cedimento.
Un approccio più coerente consiste nel determinare l'entità della sollecitazione diretta che, combinata con la torsione, darà una sollecitazione equivalente di una certa proporzione dello snervamento. La proporzione comunemente usata con questo approccio è del 90%.
Elementi di fissaggio a coppia prevalente
Gli elementi di fissaggio a coppia prevalente (come dadi Nyloc, Cleveloc ecc.) vengono spesso utilizzati laddove esiste il rischio di allentamento dovuto alle vibrazioni.
La coppia prevalente ha l'effetto di aumentare la sollecitazione torsionale nel gambo del bullone durante il serraggio. Ciò influisce sulla conversione della coppia di serraggio in precarico del bullone e dovrebbe essere tenuto in considerazione quando si determina il valore di coppia corretto per questo tipo di fissaggio.
Il problema dell'attrito
Un problema fondamentale con il serraggio a coppia controllata è che, poiché la maggior parte della coppia viene utilizzata per vincere l'attrito (di solito tra l'80% e il 90% della coppia applicata), lievi variazioni nelle condizioni di attrito possono portare a grandi cambiamenti nel precarico del bullone.
Per esempio, con un coefficiente di attrito di 0,08 la forza di tensionamento effettiva è circa il 20% della coppia applicata (il resto si divide tra attrito sullo stelo e sotto la testa), mentre con un coefficiente di attrito di 0,14 la forza di tensionamento scende al 12%.
Questo effetto può essere ridotto mediante l'uso dei cosiddetti stabilizzatori di attrito, sostanze che vengono applicate sugli elementi di fissaggio per ridurre la dispersione per frizione.
Tolleranza delle attrezzature e variazione dell'attrito
La tolleranza delle attrezzature di serraggio ha una influenza proporzionale sul precarico applicato alla giunzione. Più si è vicini al limite di snervamento, più pericolose possono diventare le tolleranze.
Se a parità di coppia applicata il coefficiente di attrito diminuisce, il precarico applicato aumenterà proporzionalmente, con il rischio di superare il punto di snervamento. Al contrario, se il coefficiente di attrito aumenta, il precarico applicato diminuirà, con il rischio che la forza di progetto non venga raggiunta.
Sommando tutte le tolleranze possibili (attrezzatura + variazione di attrito) si deduce una difficoltà nel raggiungimento dei valori di progetto: è evidente come l'obiettivo di riduzione delle tolleranze sia importante per la massima efficienza e affidabilità della giunzione.
Come migliorare l'accuratezza del serraggio a coppia controllata
- Non utilizzare rondelle semplici: il loro utilizzo può comportare un movimento relativo tra dado e rondella e tra rondella e superficie del giunto durante il serraggio, modificando il raggio di attrito e quindi la relazione coppia-tensione. Se necessaria una superficie della testa più grande, conviene usare dadi e bulloni flangiati.
- Determinare la coppia di serraggio corretta attraverso dei test: si possono utilizzare estensimetri fissati al gambo del bullone per eseguire il serraggio sul giunto vero e proprio verificandone l'allungamento reale. È possibile anche usare una cella di carico sotto la testa del bullone, anche se meno precisa dell'estensimetro.
- Se non è possibile stabilire mediante test la coppia effettiva, determinarla utilizzando le migliori informazioni disponibili (finitura del dispositivo, dimensione della superficie di appoggio, caratteristiche di coppia prevalente).
- Specificare sempre il valore di coppia nel disegno di assieme, citando una tolleranza del 5% in più o in meno e, se necessario, l'obbligo di controllare la coppia dopo l'installazione con chiave dinamometrica calibrata.
Il metodo utilizzato per serrare il bullone ha un'influenza significativa sulla dispersione del precarico: nei prossimi articoli vedremo gli altri metodi disponibili e come si confrontano in termini di precisione.
