Come si verifica una staffa o un telaio saldato: carichi reali, coefficienti, cordoni di saldatura, freccia e fatica, con un calcolo svolto a mano.

Come si verifica una staffa o un telaio?

Tre passi: fissare i carichi reali, urti compresi; calcolare la tensione nel punto peggiore, quasi sempre un attacco o un cordone e non la sezione centrale; confrontarla con la resistenza del materiale divisa per un coefficiente di sicurezza. Poi si controllano la freccia e, se il carico si ripete, la fatica.

Il resto è dettaglio, ma è il dettaglio che decide se il pezzo regge o si strappa al primo collaudo.

Dove si sbaglia di solito

Il caso tipico: una staffa porta un motoriduttore o un serbatoio, il progettista controlla la sezione piena con il peso nominale e il risultato è comodo, magari al 40% del limite. In esercizio il carico non è fermo. Una partenza a pieno regime, un urto di movimentazione, una vibrazione moltiplicano la forza, e il cedimento arriva dove nessuno ha guardato: il piede del cordone di saldatura o il foro del bullone.

Succede spesso nelle officine di carpenteria e nelle aziende che costruiscono macchine in piccola serie, dove la staffa nasce in fretta, si salda in giornata e si scopre il problema sul campo. Rifarla costa più che verificarla prima.

Un calcolo svolto a mano

Esempio dichiarato, non un lavoro reale: una staffa a mensola in S235 (EN 10025-2), piatto 60 × 12 mm, sporgenza 250 mm, carico nominale 4 kN all'estremità.

Modulo di resistenza W = 12 × 60² / 6 = 7.200 mm³. Momento all'incastro M = 4.000 N × 250 mm = 1.000.000 N·mm. Tensione nominale σ = 139 MPa. Con un coefficiente dinamico di 1,5 (stima di buona pratica per carichi con urti lievi, da giustificare caso per caso) la tensione sale a 208 MPa.

La resistenza di progetto, con fy = 235 MPa e γM0 = 1,05, è 224 MPa. Utilizzo 0,93: passa, ma con poco margine. Passare a S355 (fy = 355 MPa) porta la resistenza a 338 MPa e l'utilizzo a 0,62.

La freccia, col carico nominale, è δ = F·L³ / (3·E·I) con E = 210.000 MPa e I = 216.000 mm⁴: circa 0,46 mm, cioè L/545. Se la staffa regge un cuscinetto o una guida, quella freccia può contare più della tensione.

Coefficienti e valori di riferimento

Valori che servono davvero, con la fonte. Dove è scritto "pratica" non c'è un obbligo di norma.

  • NTC 2018 (DM 17/01/2018) ed EN 1993-1-1: γM0 = 1,05 sulla resistenza della sezione; γM2 = 1,25 su saldature e bulloni.
  • Carichi: γG = 1,3 sui permanenti e γQ = 1,5 sui variabili (NTC 2018). Per macchine con norma di prodotto, come le gru con EN 13001, valgono i coefficienti di quella norma.
  • Cordone d'angolo a 90° con lati uguali: gola a = 0,7 × lato. Resistenza a taglio fu / (√3 · βw · γM2) secondo EN 1993-1-8; per S355 (fu = 470 MPa, βw = 0,9) fa circa 241 MPa sulla gola.
  • Bulloni: classe 8.8 con fub = 800 MPa, classe 10.9 con fub = 1000 MPa (ISO 898-1).
  • Coefficiente dinamico: 1,2 – 2 per urti e movimentazione (pratica, stima da motivare).
  • Fatica (EN 1993-1-9): un giunto a croce con cordone d'angolo portante sta tra le categorie più basse, intorno a 36 MPa di escursione a 2 milioni di cicli. Una saldatura che regge benissimo in statico può non reggere a fatica.

Cosa chiedere al progettista

Per capire se la verifica è stata fatta o solo dichiarata, bastano poche domande:

In un caso come questo CPPrototype ricostruirebbe i carichi con chi usa il pezzo, verificherebbe sezione, saldature e freccia, e restituirebbe il calcolo insieme al disegno.

  • Quali carichi ha usato, e da dove vengono: peso, forze di spinta, urti, vibrazioni?
  • Quale coefficiente dinamico e quale coefficiente di sicurezza, con quale norma?
  • Il punto più sollecitato è il cordone, il foro o la sezione? Mi mostra il calcolo di quel punto?
  • Quanto vale la freccia, e il pezzo accoppiato la tollera?
  • Il carico si ripete? Quanti cicli prevede nella vita del pezzo?

Domande frequenti

Che coefficiente di sicurezza serve per una staffa in acciaio?

Dipende dalla norma applicabile. Nelle NTC 2018 si usa γM0 = 1,05 sulla resistenza e γQ = 1,5 sui carichi variabili. Senza norma di prodotto, in pratica si lavora spesso con 1,5-2 sullo snervamento per carichi statici e di più dove ci sono urti.

Basta un calcolo a mano o serve una FEM?

Per una mensola o un telaio a travi il calcolo a mano è sufficiente. La FEM serve per geometrie complesse, concentrazioni di tensione e carichi combinati, come spieghiamo nella nota su quando serve davvero una FEM.

Come si calcola la sezione resistente di un cordone d'angolo?

Con la gola a, pari a 0,7 volte il lato del cordone a 90°, moltiplicata per la lunghezza efficace. Su quella sezione si verifica la tensione risultante secondo EN 1993-1-8.

Quando serve la verifica a fatica?

Quando il carico si ripete molte volte e il pezzo è saldato o ha intagli: vibrazioni di un motore, cicli di apertura e chiusura. Come stima, da qualche decina di migliaia di cicli in su conviene farla.

Servizio collegato: Progettazione meccanica 3D.

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