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Proprietà meccaniche degli acciai strutturali e dipendenza dallo spessore
Nella progettazione e nell'esecuzione di opere in carpenteria metallica per edifici pubblici o infrastrutture, l'assunzione dei corretti parametri meccanici del materiale di base è precondizione vincolante per l'affidabilità delle verifiche strutturali. Le Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC 2018) e l'Eurocodice 3 recepiscono la famiglia di norme armonizzate di prodotto EN 10025 (da Parte 2 a Parte 6) per la definizione dei valori nominali di resistenza degli acciai laminati a caldo.
Una caratteristica fondamentale, spesso trascurata nelle modellazioni di pre-dimensionamento, è la dipendenza inversa tra la resistenza meccanica e lo spessore nominale dell'elemento. L'impiego di lamiere di spessore rilevante — la cui lavorazione richiede tecnologie specifiche come quelle adottate nel taglio ferro grandi formati Roma — comporta una riduzione fisiologica dei limiti di snervamento e rottura rispetto al medesimo grado di acciaio fornito in spessori sottili.
1. L'effetto di massa e la cinetica di raffreddamento
La riduzione delle proprietà meccaniche all'aumentare dello spessore (t) è imputabile a fenomeni metallurgici legati al ciclo termico di produzione (effetto di massa). Durante il processo di laminazione a caldo, i semilavorati di spessore maggiore subiscono una minor riduzione di sezione (minor incrudimento termomeccanico) e presentano una cinetica di raffreddamento nettamente più lenta, specialmente nel nucleo del laminato.
Un raffreddamento lento inibisce la formazione di microstrutture fini a favore di grani ferritico-perlitici più grossolani. In virtù della relazione di Hall-Petch, la dimensione del grano cristallino è inversamente proporzionale alla tensione di snervamento (fy). Di conseguenza, la normativa codifica "gradini" di riduzione della tensione di progetto in funzione dei range di spessore (t ≤ 16 mm, t ≤ 40 mm, ecc.).
2. Tabella dei valori nominali di snervamento e rottura
Il database seguente raggruppa i valori minimi garantiti dalla normativa di prodotto per gli acciai strutturali di uso più comune. È fondamentale precisare che il valore di rottura indicato (fu,min) rappresenta il limite inferiore dell'intervallo normativo (che ad esempio per l'S355 varia tipicamente tra 470 e 630 MPa a seconda della classe e dello spessore).
| Grado Acciaio (EN 10025) |
Tensione nominale di snervamento (fy) [MPa] in base allo spessore t [mm] | Resistenza minima garantita a trazione (fu,min) [MPa] per 3 ≤ t ≤ 100 mm |
||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| t ≤ 16 | 16 < t ≤ 40 | 40 < t ≤ 63 | 63 < t ≤ 80 | 80 < t ≤ 100 | ||
| S235 | 235 | 225 | 215 | 215 | 215 | 360 |
| S275 | 275 | 265 | 255 | 245 | 235 | 410 |
| S355 | 355 | 345 | 335 | 325 | 315 | 470 |
| S420 (Rappresentativo) | 420 | 400 | 390 | 370 | 360 | 520 |
| S460 (Rappresentativo) | 460 | 440 | 430 | 410 | 400 | 540 |
3. Legame costitutivo e duttilità del materiale
Nella modellazione strutturale avanzata, il comportamento del materiale è descritto dal diagramma tensione-deformazione (σ-ε). Per l'analisi globale, l'Eurocodice 3 (si veda EN 1993-1-1 e le appendici per analisi FEM in EN 1993-1-5) consente l'impiego di diversi legami costitutivi: dal modello elastico-perfettamente plastico, sino al modello elasto-plastico qualitativo con incrudimento.
Sotto l'aspetto puramente metallurgico, la duttilità — ovvero la capacità di subire ampie deformazioni plastiche prima della rottura — tende a ridursi all'aumentare della resistenza nominale della lega. Gli acciai ad alta resistenza (come S460) tendono generalmente a presentare un "plateau" di snervamento notevolmente più ristretto rispetto agli acciai dolci (S235).
