Progettazione di strutture in acciaio inossidabile
L’acciaio inossidabile è sempre più utilizzato nell’edilizia, non solo come rivestimento o dettaglio architettonico, ma anche come materiale strutturale a tutti gli effetti. Il suo vantaggio è l’elevata resistenza alla corrosione unita a una buona resistenza e plasticità, che si traduce in minori esigenze di manutenzione, un periodo più lungo senza necessitare di riparazioni e un aspetto stabile degli elementi nel tempo. Nelle strutture esterne, nelle infrastrutture, negli edifici con elevata umidità o nell’architettura esposta, questo è un argomento importante quanto la stessa capacità portante.
La base della “inoxidabilità” è la formazione spontanea di un sottile strato impermeabile di ossidi ricchi di cromo sulla superficie dell’acciaio. Questo strato è stabile, non poroso e impermeabile. Quando viene graffiato, si ricostruisce in presenza di ossigeno, motivo per cui in molti ambienti l’acciaio non richiede i classici rivestimenti protettivi. Tuttavia, è bene ricordare che la stabilità dello strato passivo dipende dalla composizione dell’acciaio, dalla finitura superficiale e dall’aggressività dell’ambiente. Nella pratica progettuale, ciò significa che la scelta dei materiali e dei dettagli deve tenere conto non solo del fatto che “l’acciaio si arrugginisca”, ma anche che mantenga l’aspetto previsto e che non si verifichino corrosioni localizzate in aree soggette a condizioni ambientali particolarmente difficili.
Questo articolo si basa sul libro “Podręcznik projektowania konstrukcji ze stali nierdzewnych, wydanie czwarte” pubblicato dall’Università di Tecnologia di Rzeszów, che è una traduzione accurata del “Manuale di progettazione per l’acciaio inossidabile strutturale, 4a edizione, SCI 2017”. Il seguente contenuto è solo una panoramica generale dell’argomento. A chi fosse interessato all’argomento, consigliamo vivamente di approfondire la letteratura.
Selezione del grado e identificazione dell’ambiente corrosivo
Nella progettazione di strutture in acciaio inossidabile, la decisione sulla scelta del grado è importante quanto la scelta della sezione trasversale. Gli acciai inossidabili offrono combinazioni diverse di resistenza, saldabilità e resistenza agli ambienti corrosivi, quindi l’obiettivo non è quello di scegliere l’acciaio “migliore”, ma quello più adatto all’esposizione. La scelta giusta evita sia problemi di corrosione prematura che inutili costi aggiuntivi derivanti dall’uso di un tipo troppo legato.
Tre famiglie dominano nella pratica costruttiva: gli acciai austenitici, ferritici e duplex (ferritico-austenitici). I tipi austenitici sono i più comunemente utilizzati nell’edilizia: presentano un’elevata duttilità, facilità di formatura a freddo e buona saldabilità. La loro resistenza alla corrosione può essere ulteriormente aumentata aumentando il contenuto di cromo e aggiungendo molibdeno e azoto, che possono essere cruciali in ambienti clorurati. Gli acciai ferritici hanno solitamente un contenuto di nichel inferiore e quindi spesso una minore volatilità dei prezzi; resistono bene anche alla corrosione sotto sforzo, ma in genere offrono una plasticità inferiore e una maggiore sensibilità tecnologica e di saldatura. Gli acciai duplex combinano le caratteristiche di entrambi i gruppi e sono caratterizzati da una resistenza significativamente superiore rispetto agli acciai austenitici, il che può ridurre lo spessore dei componenti e compensare in parte il costo del materiale.
L’indice PREN = %Cr + 3,3%Mo + 16%N aiuta a valutare la resistenza alla corrosione puntiforme. Facilita il confronto tra i gradi, ma deve essere considerato come un indicatore preliminare piuttosto che come una “garanzia di durata a una cifra”. Il rischio di corrosione è influenzato anche dalla temperatura, dal tipo di contaminazione, dai cicli di bagnatura e asciugatura e dalla disponibilità di ossigeno, che determina il mantenimento dello strato passivo. In ambienti ricchi di cloruri, come le zone costiere, le aree con sali antigelo, gli impianti esposti a nebbia salina o alcuni impianti industriali, aumenta la probabilità di corrosione puntiforme e interstiziale. In tali condizioni, oltre alla scelta di un grado con un PREN più elevato, diventano importanti la finitura superficiale, la geometria dei pezzi e il mantenimento della pulizia.
La scelta del materiale dovrebbe anche tenere conto dei meccanismi di corrosione associati ai dettagli e alla tecnologia. La corrosione interstiziale si sviluppa in fessure strette e parzialmente chiuse dove l’acqua e i cloruri possono penetrare ma l’ossigeno ha difficoltà ad accedere, impedendo allo strato passivo di rinnovarsi efficacemente. La corrosione da tensione richiede la presenza simultanea di sollecitazioni di trazione e fattori ambientali specifici; è improbabile in un ambiente tipico di un edificio, ma in ambienti ricchi di cloruri (ad esempio piscine coperte, zone costiere) e in presenza di elevate sollecitazioni interne, può diventare un fattore di progettazione. Infine, nei giunti saldati, è necessario prestare attenzione alla corrosione intergranulare nella zona termicamente alterata, associata alla precipitazione di carburi di cromo nell’intervallo 450-850 °C; questo rischio è mitigato dalla selezione di gradi appropriati (ad esempio, a basso tenore di carbonio o stabilizzati) e da una procedura di saldatura scelta con cura.
In pratica, molte problematiche relative alla durata non sono dovute a un “difetto dell’acciaio inossidabile”, ma a errori nella progettazione e nel processo di produzione. Tra le cause più frequenti figurano: tipi di acciaio insufficientemente resistenti selezionati per un determinato ambiente, dettagli mal progettati che favoriscono la ritenzione d’acqua o la formazione di fessure, qualità insufficiente della produzione e del trattamento superficiale, nonché pulizia e funzionamento impropri. Va inoltre notato che, se si verifica un grave problema di corrosione, questo si manifesta solitamente nei primi anni di funzionamento. Ciò rafforza l’argomento a favore della verifica dell’ambiente e dei dettagli prima dell’implementazione, piuttosto che “contare sull’acciaio inossidabile per perdonare tutto”.
Progettare tenendo conto della corrosione
Anche un tipo di acciaio ben scelto potrebbe non soddisfare le aspettative se la progettazione e la lavorazione favoriscono l’accumulo di umidità o contaminanti. Dal punto di vista progettuale, è fondamentale combinare la scelta del tipo con i dettagli giusti: garantire il drenaggio dell’acqua, limitare le “sacche” di deposito e ridurre al minimo gli spazi vuoti dove possono verificarsi deossigenazione locale e indebolimento dello strato passivo. Nelle strutture in acciaio inossidabile, la durata spesso “inizia” nel disegno dettagliato del giunto, piuttosto che nella tabella delle resistenze.
I dettagli a favore della durabilità iniziano con la geometria degli elementi. Le lamiere nominalmente orizzontali devono essere progettate prevedendo una pendenza in modo che l’acqua non rimanga sulla superficie. Laddove non è possibile evitare l’accumulo di umidità, vengono progettati fori di drenaggio con un diametro che riduce il rischio di intasamento. Nelle sezioni aperte, l’orientamento del profilo è importante; lo stesso angolo o canale può fungere da “grondaia” per trattenere l’acqua o da elemento per facilitare il drenaggio, a seconda dell’impostazione. Negli elementi tubolari, vale la pena decidere se il profilo sarà chiuso e sigillato o se sono previsti ventilazione e drenaggio; le soluzioni intermedie che consentono all’acqua di entrare ma ne ostacolano il drenaggio sono particolarmente rischiose.
Gli spazi vuoti sono pericolosi quando consentono all’acqua e ai cloruri di penetrare, bloccando conseguentemente il flusso di ossigeno. In tali condizioni, la corrosione interstiziale può progredire rapidamente, anche se l’acciaio sembra a posto “sulla superficie aperta”; pertanto, sono preferibili soluzioni che limitino il numero di giunti non chiusi e, se uno spazio è inevitabile, si utilizzano saldature di chiusura o guarnizioni di alta qualità. Ciò vale in particolare per le aree in cui l’acqua rimane per periodi di tempo più lunghi, ad esempio nei supporti, nelle depressioni, sotto i rivestimenti o vicino a elementi che ostacolano il libero drenaggio.
La durata è anche correlata alla qualità della superficie. Una finitura eccessivamente ruvida può favorire la ritenzione di contaminanti e la direzione della molatura è importante per il deflusso dell’acqua. Anche le procedure di produzione sono importanti: il ciclo termico della saldatura, il deposito di particelle di ferro “estranee” o la rimozione insufficiente di scolorimenti e spruzzi possono compromettere la resistenza alla corrosione. Pertanto, è opportuno anticipare i requisiti di pulizia, trattamento superficiale e controllo qualità nelle aree critiche in fase di progettazione, soprattutto se la struttura deve operare in un ambiente difficile o sarà visivamente esposta.
Nei punti in cui altri metalli entrano in contatto, è necessario considerare il rischio di corrosione galvanica, soprattutto in presenza di elettroliti. Nei collegamenti meccanici, si raccomanda di utilizzare viti realizzate con un metallo più resistente alla corrosione. Quando si combina l’acciaio inossidabile con l’acciaio al carbonio, spesso è efficace isolare i metalli o progettare i rivestimenti in modo da limitare la conduzione degli elettroliti. Un rapporto superficiale sfavorevole è particolarmente pericoloso in condizioni di immersione: una grande superficie in acciaio inossidabile combinata con una piccola superficie in acciaio al carbonio può accelerare la corrosione di quest’ultima. Nei progetti ibridi, vale quindi la pena considerare la disposizione dei materiali, piuttosto che un “singolo” dettaglio.
Proprietà meccaniche degli acciai inossidabili e loro implicazioni progettuali
La progettazione della capacità di carico richiede la comprensione del fatto che l’acciaio inossidabile non si comporta allo stesso modo del tipico acciaio al carbonio. La differenza più importante riguarda la forma della curva sforzo-deformazione: invece di un chiaro punto di snervamento e di una “scaffalatura” plastica, l’acciaio inossidabile presenta una curva più arrotondata e una non linearità anche in un intervallo che è quasi perfettamente elastico per l’acciaio al carbonio. In pratica, ciò significa che anche a sollecitazioni relativamente basse possono verificarsi deformazioni maggiori di quelle risultanti dall’elasticità lineare, il che è importante per la valutazione delle deflessioni, delle vibrazioni e della tenuta dei collegamenti.
Per questo motivo, nella progettazione si utilizza un limite di snervamento convenzionale Rp0,2, ovvero la sollecitazione che provoca una deformazione permanente dello 0,2%. Allo stesso tempo, il limite di proporzionalità è talvolta significativamente inferiore e può essere solo circa il 40-70% del valore Rp0,2. Ciò è importante nel contesto dello stato limite di servizio: in elementi snelli con grandi campate o che richiedono un’elevata rigidità, non è sufficiente “verificare la capacità di carico”, ma è anche necessario valutare in modo affidabile le deformazioni e, se necessario, utilizzare modelli di materiali che tengano conto della non linearità.
Le proprietà meccaniche dell’acciaio inossidabile possono cambiare in modo significativo a seguito della lavorazione plastica a freddo, che aumenta i parametri di resistenza, soprattutto negli acciai austenitici. Quando si progettano componenti a pareti sottili o formati a freddo, ciò significa che le condizioni di consegna, il processo di formatura e qualsiasi saldatura in prossimità delle aree deformate devono essere considerati parte del “modello di materiale”. Nelle prove di trazione, si raccomanda quindi di applicare il carico in modo tale da garantire l’assialità e ottenere la curva vera di sollecitazione-deformazione, senza disturbi dovuti all’eccentricità o alle precompressioni. Questo approccio è particolarmente importante quando la progettazione sfrutta le proprietà derivanti dall’incrudimento o quando gli elementi sono sensibili alla deformazione.
Stati limite, coefficienti e procedure di calcolo secondo l’Eurocodice
Nella pratica progettuale europea, le strutture in acciaio inossidabile vengono calcolate secondo la logica dell’Eurocodice e il punto di partenza fondamentale è lavorare con gli stati limite. Si distingue tra stato limite ultimo (ULS), stato limite di servizio (SLS) e stato limite di durabilità (DLS). Quest’ultimo è particolarmente naturale per l’acciaio inossidabile, poiché durabilità spesso significa non solo mantenere la capacità portante, ma anche mantenere l’estetica richiesta e limitare i punti caldi di corrosione locale nel tempo.
La condizione di verifica in LBC si riduce al confronto degli effetti calcolati delle interazioni con la capacità portante calcolata dell’elemento. La capacità portante di progetto è determinata sulla base della capacità portante caratteristica divisa per un coefficiente di sicurezza parziale, i cui valori sono adottati in conformità con la parte dell’Eurocodice 3 relativa all’acciaio inossidabile e alle norme per la progettazione dei giunti. La coerenza è importante perché un singolo progetto spesso combina norme provenienti da diverse parti dell’Eurocodice 3: norme per gli elementi a barra, norme di collegamento e requisiti aggiuntivi derivanti dalla tecnologia di produzione.
In pratica, la procedura di calcolo dovrebbe essere collegata alle ipotesi di fabbricazione. L’acciaio inossidabile è sensibile ai dettagli tecnologici e le sue diverse caratteristiche materiali possono influire sul rispetto delle SGU. Pertanto, è buona norma concordare i dettagli, le tolleranze e i metodi di protezione e pulizia delle superfici con l’appaltatore in una fase iniziale, prima che la sezione trasversale e i giunti siano “congelati” nella documentazione.
Di seguito è riportato un webinar sulla progettazione di strutture in acciaio inossidabile (elementi e collegamenti) con riferimenti alle norme di tipo Eurocodice (materiale in inglese).
Sezioni
Nella progettazione di elementi in acciaio inossidabile, molte decisioni dipendono dal comportamento della sezione relativamente all’instabilità locale. Per questo motivo, le sezioni sono classificate nelle classi da 1 a 4, con la classe che determina sia il modo in cui viene verificata la capacità portante sia la possibilità di utilizzare calcoli plastici. Anche se la capacità portante globale di una barra è elevata, la perdita locale di stabilità delle pareti sottili può limitare l’uso del materiale.
Nelle sezioni trasversali di classe 4, dove le pareti sottili possono perdere stabilità localmente prima di raggiungere la piena capacità portante del materiale, la capacità portante viene determinata utilizzando le larghezze effettive, ovvero una riduzione del contributo dei frammenti compressi al trasferimento delle sollecitazioni. Un’ulteriore sfumatura è il fatto che la classificazione della sezione trasversale può variare lungo la lunghezza della barra se il rapporto tra momento flettente e forza assiale cambia. Ciò significa che il progettista dovrebbe valutare la sezione trasversale nelle condizioni più sfavorevoli e non solo in un punto “rappresentativo”.
I criteri di classificazione sono correlati ai rapporti massimi larghezza/spessore delle singole pareti. È bene anche ricordare l’usabilità: con una maggiore snellezza possono comparire deformazioni e ondulazioni che non comportano necessariamente una perdita di capacità portante, ma possono essere visivamente o operativamente inaccettabili, soprattutto in elementi con una funzione architettonica. Pertanto, la scelta di una sezione trasversale è spesso un compromesso tra l’economia dei materiali e il controllo delle deformazioni locali.
Progettazione delle barre
Una volta determinata la classe della sezione trasversale e la sua capacità portante, si procede alla verifica delle barre. Negli elementi sottoposti a tensione, la sezione trasversale netta nell’area dei fori è tipicamente il punto critico, motivo per cui nei collegamenti bullonate vengono verificate la capacità portante lorda e netta della sezione trasversale e la possibile rottura del blocco. Per gli acciai inossidabili, la procedura è simile a quella per gli acciai al carbonio, ma richiede l’applicazione coerente dei parametri dei materiali appropriati e dei fattori parziali per il grado dato, specialmente quando nel progetto compaiono elementi formati a freddo.
L’instabilità è fondamentale negli elementi compressi. Le raccomandazioni di progettazione per gli acciai inossidabili includono curve di instabilità che in alcune situazioni possono essere più conservative di quelle indicate nella norma, poiché i test hanno dimostrato stime eccessivamente ottimistiche per alcune sezioni formate a freddo. È inoltre indispensabile porre l’attenzione sulle differenze nel comportamento di instabilità tra colonne RHS/SHS in acciaio ferritico e colonne in acciaio austenitico e duplex. In pratica, ciò porta a una selezione cauta della curva di instabilità e, nel caso di sezioni trasversali o soluzioni tecnologiche insolite, all’uso di dati di prova o delle linee guida del produttore.
Negli elementi piegati, il problema dell’instabilità è importante, soprattutto quando la flangia compressa non è rinforzata lateralmente. In tali casi, la capacità di carico di instabilità della sezione non rinforzata viene verificata in base alla snellezza di instabilità e al momento critico. Allo stesso tempo, viene verificata la possibilità di instabilità locale delle pareti sotto l’azione di una forza trasversale, poiché le anime snelle possono richiedere una riduzione della capacità di carico. Se la forza di taglio è significativa, esiste anche un’interazione tra taglio e flessione, che deve essere considerata in base alla procedura appropriata, piuttosto che presumere che “poiché la sezione trasversale è resistente alla flessione, il taglio è irrilevante”.
Giunti, collegamenti e lavorazione
I collegamenti determinano la sicurezza, la durata e i costi di installazione, quindi negli acciai inossidabili vale la pena trattarle come un elemento di progettazione di “prima classe”. Nei collegamenti bullonate si distingue tra collegamenti in lamiera spessa e sottile, perché nelle pareti sottili le deformazioni possono limitare la capacità di carico. Nelle raccomandazioni di progettazione per gli acciai inossidabili, spesso si prende come linea di demarcazione uno spessore della parete di 4 mm. È buona norma utilizzare rondelle sotto la testa e sotto il dado e considerare la capacità di carico del collegamento come il minore tra la capacità di carico delle parti collegate e la capacità di carico dei dispositivi di fissaggio. Altrettanto importanti sono le distanze dai bordi e la spaziatura dei bulloni, che influenzano la capacità di carico per compressione, taglio, rottura del blocco e il comportamento della parete vicino ai fori.
Negli acciai inossidabili, c’è un ulteriore aspetto operativo da considerare: alcuni tipi sono suscettibili al grippaggio e all’usura dei filetti sotto carico e movimento relativo. Se si prevede uno smontaggio in futuro, le specifiche di progettazione e installazione dovrebbero includere misure per ridurre il grippaggio. In pratica, ciò significa controllare la velocità di serraggio ed evitare il “serraggio forzato”, selezionare lubrificanti anti-grippaggio appropriati e, talvolta, combinare diversi tipi di viti e dadi per ridurre il rischio di incollaggio. Tali raccomandazioni hanno una dimensione progettuale: un collegamento grippato non è più “funzionante”, il che rappresenta un vero problema operativo nelle strutture a lunga durata.
I collegamenti saldati richiedono il controllo delle procedure perché il ciclo termico della saldatura influisce sulla microstruttura di tutti gli acciai inossidabili, e questo è particolarmente importante negli acciai duplex. Procedure qualificate, materiali di apporto appropriati e una modellatura consapevole della saldatura sono necessari per ottenere la resistenza e la geometria richieste e per mantenere la resistenza alla corrosione nella zona termicamente alterata. Nei componenti formati a freddo, è importante ricordare che la saldatura può “annullare” localmente l’effetto dell’incrudimento e, negli acciai austenitici, possono verificarsi deformazioni di saldatura maggiori rispetto agli acciai al carbonio, il che influisce sull’adattamento e sull’estetica.
Se la struttura sarà esposta a carichi ripetitivi significativi, è necessario considerare la fatica. I giunti saldati sono particolarmente sensibili a causa delle concentrazioni di sollecitazioni e delle discontinuità, pertanto si raccomanda di applicare regole di valutazione della fatica analoghe a quelle per gli acciai al carbonio per gli acciai austenitici e duplex. Il massimo effetto si ottiene tenendo conto della fatica in fase di progettazione, quando è possibile modellare la struttura e i dettagli per ridurre le tacche e le eccentricità. In pratica, ciò significa evitare cambiamenti improvvisi nella sezione trasversale, limitare il disallineamento, prestare attenzione alla qualità dei bordi e delle superfici ed evitare saldature inutili di elementi secondari in aree sensibili, perché anche una “piccola” staffa di montaggio può causare cricche da fatica.
I giunti devono essere progettati anche tenendo conto della lavorabilità e dell’ispezione. Sono importanti i giochi di montaggio, l’accessibilità ai bulloni e alle saldature, le tolleranze e i requisiti della tecnologia di saldatura. La documentazione dovrebbe includere disposizioni per l’ispezione delle condizioni dei componenti, la pulizia e gli eventuali lavori di manutenzione. Decisioni che possono sembrare “non strutturali”, come l’accessibilità alle saldature o la possibilità di lavare e asciugare aree difficili da raggiungere, determinano in pratica la durata e i costi di esercizio.
Progettazione relativa alle condizioni di incendio
L’impatto del fuoco negli Eurocodici è trattato come una situazione eccezionale e la progettazione deve garantire che la struttura mantenga la sua funzione portante per il tempo di esposizione richiesto. I requisiti generali sono simili a quelli per gli acciai al carbonio, ma l’acciaio inossidabile presenta alcuni vantaggi in termini di materiale. Le raccomandazioni per gli acciai inossidabili indicano che l’acciaio austenitico a temperature superiori a circa 550 °C mantiene una percentuale maggiore della sua resistenza rispetto alla temperatura ambiente rispetto all’acciaio al carbonio, e tutti i tipi di acciaio inossidabile mantengono una maggiore rigidità nell’intero intervallo di effetti termici.
I calcoli relativi al fuoco utilizzano fattori di riduzione della resistenza e della rigidità a seconda del gruppo di qualità, poiché le proprietà del materiale possono variare in modo significativo a temperature elevate, a seconda della sua composizione chimica. In pratica, ciò significa che è necessario assegnare chiaramente il tipo al gruppo appropriato e utilizzare i fattori appropriati nella verifica della resistenza al fuoco. Anche quando l’acciaio inossidabile si comporta in modo favorevole “per natura”, i requisiti di resistenza al fuoco di una struttura possono richiedere l’uso di misure passive di protezione antincendio; la loro selezione deve essere coordinata con i requisiti di durabilità (ad esempio, resistenza all’umidità) e l’estetica se l’elemento è esposto.
Progettazione di strutture in acciaio inossidabile – sintesi
La progettazione di strutture in acciaio inossidabile non consiste semplicemente nella sostituzione dell’acciaio al carbonio con un materiale “più durevole”. È fondamentale un approccio coerente, in cui la selezione del tipo si basi su una valutazione dell’ambiente e sia poi supportata da dettagli che limitano l’accumulo di umidità e la formazione di fessure. Altrettanto importanti sono le conseguenze meccaniche: la mancanza di un chiaro limite di snervamento e la tendenza all’incrudimento influenzano il corso dei calcoli e la valutazione dell’idoneità all’uso.
In termini strettamente strutturali, l’acciaio inossidabile segue la stessa logica degli Eurocodici, ma richiede maggiore attenzione nelle aree di instabilità locale, classificazione delle sezioni trasversali e stabilità delle barre. I giunti e i collegamenti devono essere progettati tenendo conto della durata e dell’utilizzo, e la lavorazione deve proteggere la resistenza alla corrosione del materiale. Quando questi elementi “lavorano insieme”, l’acciaio inossidabile consente di realizzare strutture con elevata affidabilità, estetica accattivante e bassi costi di manutenzione per tutto il loro ciclo di vita.
