Studio tecnico: controllo del coefficiente di scorrimento e verifica sul campo per collegamenti bullonati ad alta resistenza in magazzini in acciaio

Introduzione

1. Specificare innanzitutto il tipo di connessione: consentire lo scorrimento e vietarlo non sono la stessa cosa

I collegamenti di tipo a contatto e quelli critici rispetto allo scorrimento possono entrambi utilizzare bulloni ad alta resistenza, ma i loro percorsi di carico sono diversi. Sottoposti a taglio, i collegamenti di tipo a contatto possono inizialmente presentare un assorbimento del gioco e uno scorrimento minimo; successivamente il carico è sopportato congiuntamente dal taglio dei bulloni, dal contatto (bearing) sulla parete del foro e dalla sezione netta dell’elemento. Un collegamento critico rispetto allo scorrimento, al contrario, richiede che le superfici di contatto non subiscano alcun movimento relativo tale da compromettere l’idoneità all’uso o la sicurezza nelle condizioni di progetto specificate. La norma RCSC 2020 definisce un giunto critico rispetto allo scorrimento come quello in cui l’attrito, generato dalla forza di serraggio di gruppi di bulloni pretesi, resiste al carico di progetto e impedisce ogni movimento sulle superfici di contatto. ^[1]

Di conseguenza, una nota di disegno che recita semplicemente «Utilizzare bulloni ad alta resistenza classe 10.9» omette comunque informazioni progettuali essenziali. Al minimo, devono essere specificati la categoria di collegamento, il trattamento delle superfici di contatto, il coefficiente di scorrimento di progetto, il metodo di pretesa dei bulloni e il livello di ispezione. Per i giunti di magazzino che supportano gru, nastri trasportatori, piattaforme vibranti, fori ovalizzati o componenti sensibili alle deformazioni, la possibilità o meno dello scorrimento influisce direttamente sull’altezza delle rotaie, sulla rigidezza dei controventi e sulle interfacce dei rivestimenti. In una revisione progettuale specialistica, il primo compito non è verificare la coppia; è confermare che i documenti di progetto dichiarino chiaramente l’obiettivo prestazionale «nessuno scorrimento».

2. Il coefficiente di scorrimento non è una costante materiale; è il risultato dello stato della superficie

Molti progetti considerano il coefficiente di scorrimento come una proprietà intrinseca del tipo di acciaio oppure assumono semplicemente che una superficie sabbiata sia migliore solo perché è «più ruvida». In realtà, la resistenza allo scorrimento dipende dalla classe della superficie di contatto, dal profilo di rugosità, dal livello di contaminazione, dal sistema di rivestimento, dalle condizioni di indurimento, dalla pressione di assemblaggio, dal rilassamento a lungo termine e da altri fattori. Lo stesso acciaio può comportarsi in modo molto diverso dopo diversi processi di sabbiatura, primer o ambienti di stoccaggio.

L'RCSC stabilisce requisiti distinti per le superfici di contatto non rivestite, sabbiate, zincate a caldo e rivestite qualificate, e richiede che il sistema di rivestimento venga sottoposto a prova prima dell’uso in un giunto critico per lo scorrimento. Avverte inoltre che la sovrapittura proveniente da un rivestimento non qualificato nell’area del gruppo di bulloni può ridurre notevolmente la resistenza allo scorrimento. ^[1]La norma EN 1090-2:2018+A1:2024 tratta la preparazione, l’assemblaggio e il serraggio delle superfici di collegamento dal punto di vista dell’esecuzione delle strutture in acciaio. ^[2]Per il reparto di fabbricazione, il controllo delle superfici di contatto non può limitarsi a una nota sulla scheda di processo come «sabbiatura fino a Sa 2.5». I documenti devono inoltre definire le aree che devono rimanere non verniciate, la protezione temporanea ammessa, il tempo massimo consentito prima del montaggio e l’intervento richiesto in caso di ruggine lampo, contaminazione da olio o esposizione alla pioggia.

Uno degli errori più comuni nella valutazione del sito è considerare un sottile e uniforme strato di ruggine superficiale come uno strato antiscivolo naturale. Se tale ruggine sia accettabile dipende dalla classe di superficie e dallo standard di progetto specificati in fase di progettazione; non può essere deciso in base al colore soltanto. Un altro problema ricorrente è una mascheratura insufficiente durante la verniciatura completa, che consente alla nebbia di vernice finita o di primer ricco di zinco di penetrare sul bordo della superficie di contatto. Anche se la contaminazione può apparire discontinua, può generare un’interfaccia debole. L’approccio corretto consiste nel definire la superficie di contatto come una zona separata per il controllo qualità, utilizzare maschere resistenti alla sabbiatura e alla spruzzatura e collegare i numeri dei componenti, i numeri delle piastre di collegamento e i registri di ispezione.

3. Il cuore del controllo produttivo: proteggere la finestra temporale tra una «superficie qualificata» e un «montaggio completato»

Una volta che una superficie di giunzione è stata sabbiata o trattata con getto abrasivo, la sua qualità non rimane permanentemente garantita. Durante le operazioni di movimentazione, marcatura, reinspezione dei fori, stoccaggio all’aperto e attesa del montaggio, la superficie può comunque essere contaminata da sudore, fluido da taglio, fumi diesel, fango, acqua o olio anticorrosione. In ambienti costieri, ad alta umidità o in condizioni invernali caratterizzate da condensa, lo stato di una lamiera trattata può modificarsi già dopo poche ore.

Il piano di produzione deve prevedere il trattamento delle superfici di contatto in prossimità dell’assemblaggio provvisorio o della spedizione, anziché eseguirlo con settimane di anticipo unicamente per massimizzare l’efficienza della linea di sabbiatura. Le piastre di collegamento e i profilati principali devono essere immagazzinati in zone separate e la carta separatrice oleata non deve essere posta direttamente tra le superfici di contatto. Il sollevamento deve avvenire mediante occhielli di sollevamento o funi morbide che non entrino in contatto con l’area controllata. Per i progetti che utilizzano superfici di contatto rivestite, i registri devono indicare il produttore del rivestimento, il nome del prodotto, il numero di lotto, lo spessore del film secco, le condizioni ambientali di applicazione e il tempo di indurimento; un primer dello «stesso colore» non costituisce una valida sostituzione della documentazione di qualifica.

La qualità geometrica della superficie di contatto è altrettanto importante. I bordi taglienti intorno ai fori, le scorie da taglio al plasma, le deformazioni locali o gli schizzi di saldatura possono generare un contatto puntuale tra i vari strati. La pretensione del bullone viene quindi assorbita per appiattire tali difetti anziché trasformarsi in modo uniforme in forza di serraggio. Prima del montaggio, verificare la planarità della superficie, l’aderenza tra gli strati e la concentricità dei fori. Non utilizzare mai il serraggio finale per forzare in posizione lastre palesemente non allineate; in tal caso alcuni bulloni agiscono inizialmente come dispositivi di allineamento e, successivamente, la pretensione si ridistribuisce man mano che vengono serrati i bulloni adiacenti.

4. Perché non è possibile applicare una generica "Tabella Coppia–Pretensione"

La coppia è soltanto un parametro di ingresso nel processo di serraggio; il pretensionamento è invece il risultato richiesto da un collegamento critico rispetto allo scorrimento. La maggior parte della coppia applicata viene assorbita dall’attrito filettato e dall’attrito sotto la superficie di appoggio del dado. La percentuale convertita in allungamento assiale del bullone varia in funzione della lubrificazione, del rivestimento, della tolleranza filettata, della corrosione, della durezza della rondella e dello stato dell’attrezzatura. La norma ISO 16047 specifica le condizioni di prova per la relazione tra coppia e forza di serraggio dei dispositivi di fissaggio filettati proprio perché tale relazione deve essere misurata in condizioni controllate. ^[3]

Il commentario RCSC chiarisce che, a meno che la relazione non venga stabilita per il particolare lotto di bulloni, per il diametro specifico e per le condizioni di montaggio effettive, la dispersione tra coppia e pretensionamento può risultare molto elevata. La specifica non accetta pertanto un pretensionamento dedotto direttamente da una tabella generica o da una semplice formula. ^[1]Questa è la causa radice di alcuni casi in cui «tutte le letture della coppia sono risultate conformi, ma il collegamento ha comunque ceduto»: il record ha registrato l’uscita della chiave invece delle effettive condizioni del sistema di serraggio.

Il metodo della chiave tarata non è intrinsecamente errato, ma la sua taratura deve riferirsi allo stesso giorno, lotto, diametro, condizione di assemblaggio e utensile. La contaminazione da polvere dopo la rimozione dei bulloni dall’imballaggio sigillato, le variazioni della carica della batteria o della pressione dell’aria e l’usura della bussola possono invalidare la taratura originale. Il lubrificante non deve essere applicato sui bulloni ad alta resistenza sul campo, a meno che il sistema di fissaggio e la procedura del progetto non lo consentano espressamente. Una quantità insufficiente di lubrificante può causare grippaggio o frattura torsionale; un’eccessiva quantità di lubrificante può generare una pretensione eccessiva alla stessa coppia.

5. Verifica preinstallazione: non un controllo a campione del materiale, ma una prova generale delle effettive condizioni di installazione

La verifica preinstallazione deve essere eseguita sul sito di installazione utilizzando gli interi gruppi di viti e gli utensili per il serraggio previsti per il lavoro. L’obiettivo non è la resistenza a trazione di una singola vite, bensì la capacità della combinazione «vite + dado + rondella + condizione della superficie + utensile + metodo di serraggio» di raggiungere in modo costante la pretensione specificata. L’RCSC richiede la verifica preinstallazione per il metodo di installazione selezionato e l’uso di un dispositivo di misurazione della tensione delle viti per confermare le prestazioni dell’assemblaggio, identificando al contempo lubrificazione insufficiente, dadi sovratappezzati, componenti non compatibili e capacità insufficiente dell’utensile. ^[1]

Durante l’esecuzione, verificare innanzitutto che viti, dadi e rondelle siano di classe e dimensione abbinata approvata, e che l’identificazione dell’imballaggio e del lotto non sia stata miscelata. Successivamente controllare la portata dello strumento di misurazione della tensione, le dimensioni del dispositivo di fissaggio e lo stato di taratura. Il personale addetto al montaggio deve quindi eseguire il serraggio secondo il metodo previsto: turn-of-nut, chiave tarata, viti di controllo della tensione a torsione, indicatori diretti della tensione oppure una combinazione approvata. La registrazione deve includere, come minimo: data, dimensione del collegamento, lotto, quantità del campione, identificativo dello strumento, operatore, valore target, risultati misurati e qualsiasi condizione anomala.

La verifica della preinstallazione ha un altro valore spesso trascurato: prima che i componenti vengano montati, fornisce a installatori e ispettori una comprensione comune dello "stato di serraggio appena sufficiente", dei "segni di allineamento", della "rotazione richiesta", del "gap DTI" o della "condizione di uscita dallo splin". Se le parti attendono che il lavoro sia in quota per discutere se il serraggio sia accettabile, i costi di ritorno e i rischi per la sicurezza aumentano esponenzialmente. La verifica deve essere ripetuta secondo la procedura del progetto ogni qualvolta il lavoro si prolunghi su più giorni, gli utensili vengano sostituiti, i lotti cambino o le condizioni di stoccaggio subiscano variazioni significative; un singolo test non deve mai essere considerato un'esenzione valida per l'intero progetto.

6. Selezionare congiuntamente il metodo di serraggio e la sua ispezionabilità

Il metodo del serraggio mediante rotazione del dado controlla il serraggio attraverso l’allungamento del bullone. Dopo che il giunto è stato portato nella corretta condizione di contatto stretto, viene applicata la rotazione specificata. L’RCSC ritiene che questo metodo sia generalmente in grado di produrre una pretensione più affidabile rispetto a un metodo basato esclusivamente sulla coppia, ma richiede che gli strati siano completamente a contatto, che l’elemento da ruotare sia chiaramente identificato e che il serraggio avvenga in modo sistematico partendo dalla parte più rigida del collegamento verso l’esterno. ^[1]Per i giunti la cui lunghezza del bullone, le condizioni di inclinazione o la disposizione delle rondelle ricadono al di fuori dei normali limiti tabulati, la rotazione richiesta deve essere verificata con un opportuno dispositivo di misurazione della tensione.

Il metodo della chiave dinamometrica tarata è adatto a progetti con organizzazione del lavoro stabile e gestione rigorosa degli utensili. La frequenza di taratura, l'elemento ruotato e la potenza dell'utensile devono rimanere entro le condizioni verificate. I bulloni a controllo di tensione di tipo twist-off forniscono un segnale visibile in cantiere al momento della rottura della scanalatura ed sono efficienti per installazioni in grande quantità; tuttavia, la rottura della scanalatura non dimostra automaticamente la conformità della superficie di contatto, né sostituisce il serraggio a contatto e il controllo per lotto di montaggio. Gli indicatori diretti di tensione forniscono una prova visibile della pretensione mediante compressione della protuberanza e ispezione con spessimetro, ma l'orientamento della rondella, lo spessore dello spessimetro, lo stato della superficie di contatto e il punto di ispezione devono essere costanti.

Nessun metodo di serraggio può garantire la qualità indipendentemente dalla gestione sul campo. Nella scelta di un metodo, il progetto deve chiedersi se l’equipaggio è in grado di eseguirlo in modo coerente, se gli ispettori possono osservarlo durante il lavoro, se il risultato lascia prove tracciabili e se i bulloni non conformi possono essere identificati e isolati rapidamente. Per i supporti delle contropareti, la parte inferiore delle piattaforme per attrezzature o i giunti vicini al rivestimento, dove l’accesso è limitato, l’ispezione risulta spesso più importante della produttività teorica dello strumento.

7. L’ispezione deve concentrarsi sul processo, non su un “ritorsione” post-installazione

Dopo l’installazione dei bulloni ad alta resistenza, molti progetti applicano abitualmente una chiave dinamometrica su ogni dado, ritenendo che l’assenza di movimento del dado indichi una pretensione adeguata. Questa pratica non consente di ricostruire in modo affidabile la pretensione effettiva applicata in fase di installazione, poiché l’attrito statico, lo stato dei filetti e le variazioni superficiali nel tempo influenzano tutti il momento di distacco. L’RCSC tratta specificamente i limiti dell’arbitrato del momento torcente successivo all’installazione ed evidenzia che gli ispettori devono osservare la verifica preinstallazione, confermare lo stato di serraggio a contatto e assistere regolarmente all’esecuzione del metodo di serraggio scelto. ^[1]

Un registro efficace di ispezione deve costituire una catena di prove: i documenti di progettazione definiscono la categoria di collegamento; i certificati dei materiali stabiliscono le specifiche di assemblaggio; i registri di stoccaggio confermano l’imballaggio e la protezione; l’ispezione delle superfici di contatto conferma che la zona controllata è priva di spruzzi di vernice, olio e corrosione anomala; la verifica preinstallazione dimostra che gli elementi di fissaggio e gli utensili appartenenti allo stesso lotto possono raggiungere la pretensione target; i registri di processo mostrano che l’equipaggio ha eseguito il serraggio iniziale e quello finale nella sequenza richiesta; e i rapporti di non conformità indicano che gli elementi di fissaggio bloccati, con filettatura danneggiata, non corrispondenti o contaminati sono stati isolati.

Per i collegamenti critici rispetto allo scorrimento, gli ispettori devono inoltre considerare i lavori secondari eseguiti dopo il montaggio. Riparazioni saldate, ritocchi della verniciatura, tagli o rettifiche nelle vicinanze delle superfici di contatto possono reintrodurre polvere, vernice o effetti termici nella zona del collegamento. Lasciare gli elementi all’aperto per un periodo prolungato prima del serraggio finale può inoltre modificare le condizioni delle superfici e dei filetti. La firma sul campo non deve limitarsi a indicare «bulloni serrati»; deve certificare che «il sistema di collegamento specificato nel progetto è stato completato nelle condizioni verificate.»

8. Inserire i Controlli Speciali nei documenti di progetto, affinché le responsabilità non vengano trascurate.

I problemi di qualità nei collegamenti critici allo scorrimento non sono spesso causati dal fatto che un operaio dimentichi una sola rotazione. Essi sorgono perché i documenti di progettazione, approvvigionamento, fabbricazione e montaggio non utilizzano lo stesso linguaggio. Le note di progettazione specificano un coefficiente di scorrimento, ma l’ordine di acquisto indica soltanto la classe del bullone; il disegno di officina contrassegna la superficie di contatto, ma il programma di rivestimento omette il limite di mascheratura; la procedura di montaggio specifica il metodo della rotazione del dado, ma il registro sul campo prevede soltanto un campo «valore di coppia». Ciascun documento può apparire completo se considerato isolatamente, tuttavia il sistema non risulta coerente quando tali documenti vengono combinati.

Il progetto deve utilizzare un foglio di controllo per i bulloni ad alta resistenza su una sola pagina, che elenchi il numero del giunto, la categoria di collegamento, il tipo di foro, la classe della superficie di contatto o la qualifica del rivestimento, lo standard di assemblaggio dei bulloni, il metodo di pretesatura, la frequenza della verifica pre-installazione, i punti di controllo del processo e il nome del documento finale. Prima che i componenti lascino lo stabilimento, il personale di produzione deve verificare le superfici di contatto e l’identificazione confrontandole con il foglio; prima della spedizione, la zona controllata deve essere sigillata o coperta; in cantiere, il lotto e l’imballaggio devono essere controllati al momento della ricezione; la verifica deve essere completata prima dell’installazione; dopo il serraggio finale, l’accettazione deve essere documentata mediante segni di corrispondenza, prove ottenute con indicatori di coppia (DTI) o altre prove richieste dal metodo scelto.

Lo scopo di questo foglio di controllo speciale non è creare un altro modulo; piuttosto, consiste nel trasformare il concetto vago di «qualità dei bulloni ad alta resistenza» in oggetti ingegneristici concreti e consegnabili. Per i progetti di magazzini in acciaio realizzati da Shenyang Zhongwei Heavy Industry Steel Structure Engineering Co., Ltd., i collegamenti bullonati ad alta resistenza possono essere gestiti come un pacchetto qualitativo autonomo: i parametri di progettazione hanno fonti dichiarate, le superfici di produzione presentano confini definiti, i lotti di assemblaggio sono tracciabili, i metodi di posa in opera sono verificati e le conclusioni ispettive si basano su prove documentali. Solo allora il coefficiente di scorrimento cessa di essere semplicemente un numero presente nel rapporto di calcolo; diventa una prestazione del collegamento in grado di funzionare per tutta la vita utile della struttura.

Conclusione

L'affidabilità di un collegamento critico allo scorrimento non è mai determinata soltanto da una «classe di bullone più elevata» o da un «valore di coppia maggiore». Essa si basa su tre condizioni interdipendenti: le superfici di contatto rimangono nello stato verificato; gli insiemi di bulloni sviluppano una pretensione sufficiente e stabile; il processo di costruzione e ispezione dimostra che entrambe le condizioni sono state raggiunte contemporaneamente.

Per i capannoni in acciaio, l'approccio più economico non consiste in un serraggio ripetuto estensivo dopo il completamento, bensì nella definizione dei limiti di controllo prima della fabbricazione e del montaggio: gestire le superfici di contatto separatamente, non mescolare lotti, verificare innanzitutto gli utensili, utilizzare un metodo documentabile e isolare immediatamente le anomalie. Quando questi controlli vengono eseguiti tempestivamente, un collegamento bullonato ad alta resistenza passa da «apparentemente serrato» a «prestazione confermata».

Norme di riferimento e note