La fragilità nelle strutture metalliche

a Giuseppe Albenga
La fragilità nelle strutture metalliche
Si esaminano le cause accertate di rottura fragile degli acciai nelle strutture metalliche.
Fig. 24. - Interno del serbatoio dopo la messa in tensione delle funi di acciaio agenti come catene delle volte di copertura.
si verifica infatti u n a ridistribuzione delle tensioni
nelle zone contigue già poste in tensione, n o n esistendo alcun vincolo, ove si escludano gli ancoraggi di estremità, fra l ' a r m a t u r a e la p a r e t e del
cilindro da p r e c o m p r i m e r e ( 5 ).
U n ' a l t r a critica p o t r e b b e essere mossa a questo
p r o c e d i m e n t o di precompressione, specialmente
ove si tratti di adottare funi di grosso d i a m e t r o , a
proposito della loro azione cerchiante localizzata
in p u n t i eccessivamente distanti tra loro a scapito
(4) Si vedano a questo proposito le pubblicazioni di
G. Ferrand sulle tubazioni di acciaio surpressato a blindaggio flessibile costruite dagli stabilimenti Bouchayer e Viallet.
Aspetti analoghi tra il procedimento di precompressione
qui descritto e quello adottato dai costruttori di tubazioni
in acciaio surpressato a blindaggio flessibile si ritrovano, in
un certo qual modo, anche nella realizzazione della messa
in tensione delle funi. Non sarebbe infatti possibile avvolgere attorno al tubo, sia di acciaio, sia di calcestruzzo, funi
di grosso diametro sotto la tensione definitiva, dato il valore rilevante degli sforzi che entrerebbero in gioco e che
comprometterebbero la resistenza stessa delle tubazioni. Si
tratta dunque di realizzare questa messa in tensione delle
funi dopo averle avvolte sotto una piccola tensione, sufficiente a farle aderire in modo perfetto alla superficie dei
tubi. Mentre nel caso delle condotte metalliche la messa in
tensione definitiva viene realizzata deformando plasticamente
la parete di lamiera, col sottoporre la tubazione ad una sovrapressione interna adeguata, nel caso delle condotte in
calcestruzzo tale tensione può essere ottenuta agendo direttamente sulle funi nel modo sopra descritto.
(5) Allo scopo di controllare sperimentalmente l'entità
di questa disuniformità di tensioni, ultimata l'operazione di
precompressione, si sono in più casi ripresi con la pressa
diversi punti di avvicinamento misurando al manometro la
pressione necessaria per liberare le funi dalle graffe, si sono
riscontrate per l'appunto variazioni massime dell'ordine
del 10%.
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della uniformità di precompressione nel calcestruzzo.
Esperienze accurate eseguite dall'ingegnere Coyne sulla condotta forzata in calcestruzzo precompresso d e l l ' i m p i a n t o idroelettrico di Marèges h a n n o
permesso di constatare che disponendo di cerchiat u r e i n d i p e n d e n t i ad intervalli p a r i a q u a t t r o volte
lo spessore della p a r e t e si realizza ancora sulla
faccia i n t e r n a della p a r e t e del t u b o u n a precompressione p r a t i c a m e n t e costante.
Ora nel caso del p r o c e d i m e n t o qui descritto il
passo dell'elica di avvolgimento originaria (distanza m e d i a delle a r m a t u r e in tensione) è p e r lo più
circa eguale allo spessore del cilindro da precomp r i m e r e ; se p o i , oltre a ciò, si tien conto che non
si tratta qui di anelli i n d i p e n d e n t i ma di u n a vera
e p r o p r i a maglia continua di a r m a t u r e in tensione
chiusa su tutta la superficie esterna del t u b o , si ha
ragione di r i t e n e r e , e l'esperienza lo ha conferm a t o , che in ogni p u n t o della p a r e t e si realizza u n a
b u o n a uniformità di precompressione.
Sino ad oggi questo p r o c e d i m e n t o di precompressione è stato applicato esclusivamente a strutt u r e piane e cilindriche circolari, è chiaro p e r altro
che esso p u ò essere esteso, con le modifiche del
caso, alla precompressione m e d i a n t e a r m a t u r e
esterne flessibili di s t r u t t u r e diverse.
In particolare si p u ò con esso risolvere il problema della precompressione di volte sottili di varia
foggia nonchè di s t r u t t u r e sferiche, p e r esempio di
serbatoi destinati al contenimento di gas compressi.
Giovanni Tournon
Politecnico
di
Torino.
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Alcune disavventure delle costruzioni saldate,
in particolare quelle eccezionalmente spettacolari
iniziatesi in G e r m a n i a nel 1938 con gli incidenti ai
p o n t i del Giardino Zoologico di Berlino e dell'autostrada di Rudersdorf ( 1 ), in Belgio con la rovina
del p o n t e di Hasselt ( 2 ) e proseguite in Belgio con
gli incidenti dei p o n t i di Herenthals-Oolen (19
gennaio 1940) e di Kaulille (25 gennaio 1940), sui
mari del m o n d o con 722 gravi incidenti a cargo
americani Liberty e Victory (fino a t u t t o il 1° febbraio 1945) con r o t t u r a completa di 23 navi, e perdita totale di 5 ( 3 ) h a n n o r i c h i a m a t o vivamente e a
p i ù riprese i costruttori a considerare la fragilità
che in alcuni casi presentano i materiali abitualm e n t e duttili, in particolare gli acciai p e r s t r u t t u r e .
La preoccupazione di scagionarsi da eventuali
responsabilità spinse i periti delle p a r t i interessate
ad a t t r i b u i r e la ragione degli incidenti a cause indip e n d e n t i da esse, così i fautori della saldatura l'att r i b u i r o n o alla qualità del metallo, i r a p p r e s e n t a n t i
delle acciaierie alla qualità degli e l e t t r o d i e ad errori di esecuzione, o di progetto.
Q u a n t u n q u e a tutt'oggi non sia c o m p l e t a m e n t e
chiaro il c o m p o r t a m e n t o delle s t r u t t u r e soggette a
r o t t u r e fragili, in tutti i casi pratici, p u r e i molti
studi eseguiti negli u l t i m i t e m p i p e r m e t t o n o u n a
p i ù serena valutazione delle cause principali di fragilità che veramente possono di volta in volta attribuirsi a qualità del metallo di base, a inopport u n a scelta degli elettrodi e cattiva utilizzazione di
essi, a imperfetta esecuzione e p r o g r a m m a z i o n e
delle saldature, ad e r r o r i di dettaglio nei progetti
esecutivi.
Spesso molte cause concorrono a rendere più
facile la r o t t u r a fragile.
P u ò essere interessante riassumere qui i risultati delle indagini finora c o m p i u t e p e r a d d i t a r e ai
progettisti e ai costruttori alcuni pericoli facilmente
evitabili.
Comportamento degli acciai da strutture
tensioni mono bi e triassiali.
soggetti
a
È noto da t e m p o che materiali a b i t u a l m e n t e fragili possono comportarsi come perfettamente duttili se soggetti a compressione nelle tre direzioni
p r i n c i p a l i , per contro materiali a b i t u a l m e n t e duttili, possono comportarsi come fragili se soggetti a
trazione nelle tre direzioni p r i n c i p a l i .
È noto altresì che la condizione di r o t t u r a di
Maxwell-Huber-Mises-Hencky porta ad a m m e t t e r e
(1) SCHAPER, Stählerne Brücken. 1 Band 1949 Berlin.
(2) Oss. Met. n. 7-8 - 1938.
(3) Secondo rapporto provvisorio della Commissione di
inchiesta - Maggio 1945.
che p e r i materiali duttili omogeneamente sollecitati il passaggio dal c a m p o elastico a quello plastico
avvenga, a p a r i t à di m a t e r i a l e , di velocità di a p p l i cazione dei carichi, di t e m p e r a t u r a , ecc. ad un valore d e t e r m i n a t o del lavoro specifico di cambiamento di forma p e r scorrimento
essendo
per un sistema triassale di tensioni e σ 1 , σ 2 , σ 3
le tensioni principali (σ 1 la massima, σ 2 l'intermedia, σ 3 la m i n i m a ) .
Assunto
si deve ritenere costante agli s t a t i limiti
analoghi, deve esserlo anche P p σ 1 . La stessa condizione di r o t t u r a , secondo l'interpretazione del
Ròs, equivale a stabilire
essendo :
la tensione tangenziale nelle faccette n o r m a l i alle
diagonali d e l l ' o t t a e d r o le cui faccie sono n o r m a l i
alle tensioni principali, e σ e la tensione al limite
di elasticità del materiale in esame. Ciò r e n d e la
condizione di r o t t u r a i n d i p e n d e n t e dalla teoria
dell'elasticità e dalle relazioni esistenti fra tensioni e deformazioni e, secondo l ' A u t o r e ( 4 ), applicabile anche al campo plastico fino alla r o t t u r a
p u r c h è si c a m b i a d e g u a t a m e n t e la c o s t a n t e .
Ma P p , che alcuni c h i a m a n o p o t e r e plastificante
nel p u n t o considerato (5) n o n è che la sollecitazione ideale di p a r a g o n e σ i di Ròs (6) divisa per
la tensione principale σ 1 .
T u t t o ciò autorizza il t e n t a t i v o di costruire un
(4) Ros, Les bases des contraintes admissibles dans les
constructions métalliques. Annales de l'Inst. Tech, du Bat.
June 1949, Paris.
(5) VAN MAANEN, Nouvelles méthodes d'étude et d'essai
des métaux. Institut belge de la Sudure, 1951.
(6) Opera citata.
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p e r laminazione, l a curva R f ' R p m a x copre i l c a m p o
della r o t t u r a i m p e r f e t t a m e n t e d u t t i l e o imperfettam e n t e fragile perchè si a c c o m p a g n a ad u n a sempre
minore deformazione plastica, la R f R f ' segna il
limite di r o t t u r a fragile p e r m a t e r i a l e duttile
i n c r u d i t o , la R R p m a x il c a m p o di r o t t u r a duttile
con plastificazione completa.
che
Per
si verifica,
ad esempio, per
σ 1 = σ 2 = — σ 3 i limiti di elasticità e di resistenza
per la tensione principale Σ 1 v e n g o n o r i d o t t i a
m e t à di quelli afferenti alla trazione monoassiale;
i l che avviene, a d esempio, per σ 2 = σ 3 =
per
= 0, sussistendo la sola σ 1 valgono i valori abituali, di poi i valori a u m e n t a n o per particolari
sistemi tripli di sollecitazione dei quali a b b i a m o
indizi nelle t r a v i l a m i n a t e i n c r u d i t e a v e n t i tensioni residue.
Se σ 3 = 0 il c a m p o nel quale è possibile la variazione di
si restringe perchè l i m i t a t o da
invece se
e si h a
la scala p o s t a sotto alle precedenti che corrisponde ad un caso particolare.
Se invece si a c c e t t a l'ipotesi del Guest che, ai
fini del c o m p o r t a m e n t o alla r o t t u r a dà importanza
alle sollecitazioni e s t r e m e , o l'opinione del Baes
che assegna i m p o r t a n z a trascurabile alla interm e d i a , nel definire i c a m p i di plastificazione, si
p u ò scrivere
Fig. 1.
d i a g r a m m a della sollecitazione
funzione del r a p p o r t o
principale
σ1
in
e in t a l caso la scala inferiore r a p p r e s e n t a t u t t o il
c a m p o elastoplastico e coincide s o l t a n t o a p p a r e n t e m e n t e con la p r e c e d e n t e , in q u a n t o , secondo
l'ipotesi del Ròs per σ 3 = 0 il c a m p o verrebbe a
restringersi per
potere plastificante (fig. 1).
La rappresentazione della figura è p u r a m e n t e indicativa di un'ipotesi che richiede molte verifiche
sperimentali ma che ha il m e r i t o di chiarire il comp o r t a m e n t o , a l t r i m e n t i oscuro, dei corpi duttili
soggetti a c a m p i di tensione bi e triassiali e delle
conseguenze che ne possono derivare.
Nella figura, l'iperbole e e corrisponde al limite
delle deformazioni elastiche per un acciaio A 37,
l'iperbole r r corrisponde al l i m i t e di r o t t u r a per
scorrimento dello stesso acciaio, la superficie inferiore alla c u r v a dei limiti elastici r a p p r e s e n t a il
c a m p o elastico, quella c o m p r e s a fra le d u e c u r v e
dei limiti elastici e dei limiti di r o t t u r a il c a m p o
plastico, la Rf corrisponde alla r o t t u r a fragile dir e t t a che avviene senza passaggio in plasticità,
la R p m a x la sollecitazione m a s s i m a p e r r o t t u r a
d u t t i l e in un acciaio A 37 i n c r u d i t o , ad esempio,
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e quindi la rot-
t u r a fragile risulterebbe eccezionale, m e n t r e con
l'ipotesi del Guest p o t r e b b e avvenire per l'intero
c a m p o valido per lo s t a t o triplo di tensione.
Il m e r i t o del d i a g r a m m a è di mostrare la possibilità p e r un m a t e r i a l e duttile, in particolari condizioni di sollecitazione, del c o m p o r t a m e n t o imperfettamente duttile o a d d i r i t t u r a fragile e come possa
aversi la r o t t u r a con plastificazione completa analogamente ai casi comuni, o con plastificazione incompleta come a m m e t t e il C a m p u s , o con fragilità
completa, come a m m e t t o n o altri.
Il diagramma avverte a n c o r a :
1) che se una delle tensioni principali è di
compressione il c o m p o r t a m e n t o duttile è assicurato;
2) che p u ò esservi un c a m p o nel quale, p u r
essendo le t r e tensioni principali positive e n o n
mille, p u r c h è σ 3 sia sufficiente piccola r i s p e t t o
alle a l t r e due la r o t t u r a a b i t u a l e è ancora possibile;
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3) che a u m e n t a n d o il valore di σ 3 r i s p e t t o
a quello di σ 1 la r o t t u r a p u ò a v v e n i r e nel c a m p o
i m p e r f e t t a m e n t e plastico p e r finire in quello comp l e t a m e n t e fragile;
4) l'opinione corrente che la deformazione
elastica si accompagni a quella plastica per un
valore b e n d e t e r m i n a t o di σ 1 come avviene nelle
p r o v e di tensione monoassiale n o n corrisponde alla
r e a l t à , vi sono infiniti p u n t i di transizione dipend e n t i dal valore relativo di σ 1 , σ 3 e t r a essi alcuni
implicano il passaggio brusco dal c a m p o elastico
alla r o t t u r a b r u t a l e , fragile, senza a d a t t a m e n t o ,
senza strizione, e t a l v o l t a con r a p i d i t à così elevata
d a potersi p a r a g o n a r e a d u n o scoppio.
Molte di queste conclusioni sono avallate dalla
pratica.
Sollecitazione
di trazione lungo
i
tre
assi principali.
Da qualche t e m p o molti degli incidenti inspiegabili o p e r lo m e n o non giustificabili nel c a m p o
delle s t r u t t u r e si attribuiscono ad un sistema t r i p l o
di trazione.
Alcuni pensano che in pratica non sia facile
creare u n a sollecitazione spaziale così complessa, il
B A E S osserva anzi che « salvo p e r casi molto speciali come nei pezzi cerchiati, nei cilindri ad alta
pressione, e le zone d'applicazione di forti carichi
concentrati, alla superfice degli elementi costituenti
u n a struttura, non si h a n n o che sistemi semplici
o ecceziontalmente d o p p i di tensione » ( 7 ).
A p p u n t o p e r verificare i sospetti sul comportam e n t o dei sistemi t r i p l i di tensione denunciati in
occasione dei d a n n i osservati sulle Liberty, la Smith
Corporation di Millwaukee ha eseguito la ormai
classica esperienza ( 8 ) (fig. 2) della r o t t u r a di u n a
sfera di 2 m e t r i di d i a m e t r o in acciaio m o l t o duttile soggetto a forte pressione i n t e r n a .
La sfera si è rotta in piena lamiera cioè fuori
dalle saldature con lacerazioni nette senza deformazione a p p a r e n t e e senza strizione, q u a n t u n q u e ,
a rigore nella sfera soggetta a pressione interna il
campo triplo di tensione sia costituito da due trazioni di eguale valore e da una terza di entità molto
più modesta.
R i m a n e q u i n d i dimostrata la possibilità di rott u r a fragile a causa di u n a sollecitazione t r i p l a di
trazione, in acciaio duttile non invecchiato.
Effetto
d'intaglio.
V e r a m e n t e si sapeva da t e m p o che era possibile ottenere u n a r o t t u r a senza strizione e con all u n g a m e n t o nullo o trascurabile in piatti intagliati
soggetti a trazione lenta, già ne aveva dato notizia
il L u d w i k n e l 1909, se ne occupò a lungo, dopo
altri, il K u n t z e , n a c q u e anzi così la parola T r e n n b r u c h , che i francesi tradussero in décohésion d'accordo con gli americani, q u a n d o si occuparono
(7) BAES L., Calcul des ossatures des constructions.
I Voi. Centre B. L. d'U. de l'Acier - Bruxelles, 1952.
(8) NIHOUL, Les aciers pour construction sondées. III
Congresso Ass. Int. Ponts et Chausées, 1948. Pubbl. preliminaire.
Fig. 2.
delle r o t t u r e fragili p e r sospetto c a m p o t r i p l o di
trazione.
Spettò al C a m p u s ( 9 ) di chiarire molti d u b b i e
molte incertezze in questa materia m e d i a n t e le sue
sistematiche esperienze volte a spiegare il comport a m e n t o delle s t r u t t u r e saldate, esperienze nelle
quali egli ottenne r o t t u r e di piatti lievemente intagliati senza strizione, e r o t t u r e analoghe in piatti
dotati di un t r a t t o di saldatura.
Tensioni
interne
di
origine
termica.
Ma un c a m p o t r i p l o di trazione p u ò abbastanza
agevolmente crearsi m e d i a n t e tensioni i n t e r n e dovute ad azioni t e r m i c h e p a r t i c o l a r i .
È noto che molti laminati e profilati sono soggetti a notevoli tensioni interne p e r effetto della
laminazione e c o n t e m p o r a n e o ineguale raffreddamento.
F r e q u e n t i sono i casi di profilati di grandi dimensioni che sotto u n o stimolo anche modesto, ad
esempio bassa t e m p e r a t u r a invernale ed u r t o netto
d u r a n t e u n a m a n o v r a di scarico si r o m p o n o spont a n e a m e n t e e r a p i d a m e n t e senza a l l u n g a m e n t o e
senza strizione d e n u n c i a n d o con u n a notevole deformazione delle due p a r t i staccate l'instabilità dell'equilibrio p r e c e d e n t e .
Il Dawance ( 1 0 ) ha ottenuto r o t t u r e fragili in
travi a d o p p i o T sollecitate staticamente con inizio
da un foro p u n z o n a t o , la fessura, che r a p i d a m e n t e
si estese a tutta la sezione, ha avuto evidentemente
origine dalla zona incrudita e frastagliata dal punzone.
Ma un cordone di saldatura contraendosi du(9) CAMPUS F., Recherches sur les constructions soudées - Liege 1946.
(10) DAWANCE, Nouvelles recherches espérimentales sur
la plasticité. Annales de l'Inst. Tech, du Bat. - Mai 1950.
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r a n t e il raffreddamento in t u t t e le direzioni p u ò
i n d u b b i a m e n t e c r e a r e u n c a m p o t r i p l o d i trazione
di notevole intensità se le parti connesse, essendo
sufficientemente rigide, si oppongono alla contrazione.
A ragioni del genere i Tecnici Tedeschi attribuirono nel 1938 le r o t t u r e osservate nelle grandi
travi piene saldate dei p o n t i di Berlino e Rüdersdorf, accertando che le saldature di u n i o n e dei
forti piatti formanti briglie coll'anima, realizzate
con due cordoni d'angolo avevano a p p u n t o creato
delle zone soggette a forti tensioni interne nelle t r e
direzioni principali.
Caratteristiche
degli
acciai
di
base.
È stato notato che alcuni acciai sono p i ù soggetti a r o t t u r e fragili. Si t r a t t a di acciai sensibili
alle basse t e m p e r a t u r e , aventi bassa resilienza e tendenza all'invecchiamento.
Se la struttura è saldata, alle suddette caratteristiche generali si aggiungono quelle relative alla
saldabilità, acciai inadatti alla saldatura d a n n o ,
più degli altri, pericoli di rottura fragile.
Si sa già che conviene limitare il carbonio e il
manganese, r i d u r r e il silicio, eliminare quasi comp l e t a m e n t e lo zolfo e il fosforo, ma si è i m p a r a t o
da n o n molto che l'acciaio calmato, p e r la sua minore tendenza all'invecchiamento si presta molto
meglio a queste applicazioni.
Poichè gli acciai usati nei p o n t i tedeschi e belgi
che subirono incidenti erano del tipo A52 (analoghi) alcuni Tecnici r i t e n n e r o che a questo tipo
d'acciaio, allora n o n ancora prodotto in vista della
saldatura, si dovesse in b u o n a p a r t e i m p u t a r e la
colpa di q u a n t o avvenuto.
È noto che l'invecchiamento è considerato da
molti come la precipitazione intercristallina di corpi disciolti in particelle ultramicroscopiche che,
ostacolando lo scorrimento dei cristalli, favoriscono
la rottura p e r distacco o p e r decoesione sostituendo al c o m p o r t a m e n t o duttile quello fragile. È noto
ancora che in certi acciai non calmati l'invecchiam e n t o p u ò essere r a p i d o se dopo un i n c r u d i m e n t o ,
dovuto ad esempio ad una lavorazione meccanica,
si sottopone il pezzo ad u n a t e m p e r a t u r a di circa
250 centigradi p e r qualche m i n u t o .
Ora la p r e p a r a z i o n e dei biselli si faceva spesso
m e d i a n t e operazioni meccaniche violente, ad esempio m e d i a n t e cesoie circolari, capaci di provocare
l ' i n c r u d i m e n t o , u n a successiva forte passata di
Fig. 3.
elettrodo poteva p o r t a r e la zona incrudita a temp e r a t u r a d'invecchiamento artificiale favorendo con
ciò la formazione di fessure microscopiche da considerarsi poi come inizio delle rotture fragili.
Velocità
di
Scoppio.
propagazione
della
rottura
fragile.
È noto che rottura fragile si propaga spesso
con velocità elevatissima. Hudson e Greenfield hanno denunciato velocità dell'ordine di 1000 m/
sec ( 1 1 ). Nei p i ù i m p o r t a n t i casi di r o t t u r a fragile
i testimoni h a n n o affermato di aver sentito dei rumori violentissimi simili a detonazioni ( 1 2 ), ciò vuol
dire che la r o t t u r a era stata così r a p i d a da potersi
assimilare ad u n o scoppio.
Ciò si p u ò spiegare considerando che la p r o p a gazione r a p i d a della r o t t u r a p a r t e n d o dalla fessura
iniziale ha luogo q u a n d o il complesso che cede
possiede u n ' e n e r g i a potenziale elastica sufficiente
p e r consentire la propagazione stessa; nei pezzi singoli che si r o m p o n o p e r tensioni interne esaltate
da cause concomitanti, il pericolo è tanto maggiore quanto più a u m e n t a n o gli spessori, nei complessi le rotture più violente si sono verificate nei
ponti e negli scafi cioè in travate di eccezionali dimensioni.
D ' a l t r o lato è bene ricordare che l'energia potenziale elastica è proporzionale al q u a d r a t o della
sollecitazione cosicchè utilizzando degli acciai ad
alta resistenza, che consentono sollecitazioni specifiche elevate, si a u m e n t a , a p a r i t à di altre condizioni, la probabilità di r o t t u r a violenta.
Temperatura
di
forma.
D o p o la caduta del p o n t e di Hasselt A. De Marneffe ( 13 ) richiamò l'attenzione dei costruttori sop r a l'effetto possibile di u n a fragilità di forma insita nel progetto delle strutture.
Nel caso particolare da lui esaminato, e cioè il
raccordo dei m o n t a n t i verticali della trave Vierendeel colla briglia inferiore, p u n t o n e l quale avvenne la fessurazione iniziale che dette luogo alla rot(11) HUDSON e GREENFFIELD, The speed of propagation
of brittle cracks in steel. Journal of Applied Physics n. 4,
aprile 1947.
(12) Oss. Mèt. Accidents des Ponts du Canai Albert n. 2
del 1940.
(13) Oss. Mèt. Fragilité de forme, n. 6 del 1938.
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Fig. 5.
ritmiche di vento, vento di fondo con effetto Magnus, l'occasione di un cedimento p r i m a localizzato e poi generale.
Diagnosi.
ambiente.
T u t t i i casi di r o t t u r a violenta spettacolare sono
avvenuti con t e m p e r a t u r a esterna piuttosto bassa.
Gli accidenti ai ponti del canale Alberto avvennero tutti verso le p r i m e ore del m a t t i n o in inverno
e dopo periodi di freddi molto forti, le r o t t u r e degli scafi in navigazione avvennero t u t t e , o quasi,
d u r a n t e t e m p o cattivo, in acque fredde, e con temp e r a t u r a bassa.
Ciò indica che gli acciai soggetti a rotture fragili si dimostrano p a r t i c o l a r m e n t e sensibili alle
basse t e m p e r a t u r e , o q u a n t o m e n o che il complesso
delle tensioni interne ed esterne viene sostanzialmente peggiorato dalle basse t e m p e r a t u r e .
Fragilità
tura, egli fece osservare (fig. 3) che nei m o n t a n t i
delle travi a telaio il m o m e n t o flettente è nullo all'incirca in mezzeria, e il d i a g r a m m a dei m o m e n t i
p u ò ritenersi triangolare dalla mezzeria in giù, con
valore massimo all'innesto con la briglia. Se la sollecitazione esterna a u m e n t a , la retta inclinata che
definisce il d i a g r a m m a ruota attorno al p u n t o nel
quale il m o m e n t o è n u l l o .
Nel tipo di m o n t a n t e raccordato circolarmente
usato in quel p o n t e , il m o d u l o del m o n t a n t e p e r
la resistenza a flessione, p u ò ritenersi con buona
approssimazione r a p p r e s e n t a t o dalla larghezza del
m o n t a n t e , data la presenza di un grosso piatto di
b o r d o e la relativa modesta importanza dell'anima
nella formazione del m o d u l o resistente a flessione.
Ne segue che la retta inclinata rappresentativa delle
sollecitazioni, r o t a n d o , interseca la curva r a p p r e sentativa dei m o d u l i resistenti in un p u n t o , q u a n d o
vi è tangente, in due p u n t i q u a n d o la supera, e
nella zona a’ a” debbono avvenire concentrazioni
Fig. 4.
di sforzi sfavorevoli alla resistenza. Il ragionamento
n o n è esente da critiche, alcune ne espresse il Campus nei suoi studi sperimentali sui nodi rigidi ( 14 )
basandosi sui risultati delle sue esperienze, nei riguardi delle quali p e r ò p u ò osservarsi che essendo
eseguite su elementi piarli a spessore costante, non
possono ritenersi probatorie p e r raccordi nei quali
la p a r t e di gran lunga p i ù i m p o r t a n t e è costituita
dal notevole ingrossamento p e r i m e t r a l e dovuto al
piatto di briglia.
Sta p e r ò di fatto che la forma delle strutture ha
spesso influenza notevole sulla fragilità del complesso, i costruttori meccanici conoscono la grande
importanza dei raccordi sul m o d o di resistere a fatica e agli u r t i dei loro elementi, i costruttori in
acciaio sanno q u a n t e disavventure abbiano provocato nelle strutture i p u n t i singolari nei quali concentrazioni eccezionali di sforzi forniscono a cause
esterne impreviste, come scosse sismiche, raffiche
È ora possibile t r a r r e qualche conclusione sufficientemente motivata dagli esempi disponibili,
dagli studi compiuti e dalle molte ipotesi presentate.
La rottura fondamentale nella travata princip a l e del p o n t e di Rüdersdorf si presentò come mostra la fig. 4, avvenne a t e m p e r a t u r a attorno a —12°,
interessò la p i a t t a b a n d a inferiore di mm 39 x 640 e
b u o n a p a r t e dell'anima alta 3 m e t r i . L'acciaio utilizzato era lo St 52 della produzione corrente dal
1936 al 1937, in G e r m a n i a .
La Commissione di studio attribuì la rottura ad
una formazione di tensioni interne nelle t r e direzioni principali favorevoli alla rottura fragile, dovute alla saldatura dei cordoni di collegamento
della briglia a l l ' a n i m a , furono p e r ò riscontrate anche fessurazioni microscopiche nei pressi della sald a t u r a del tipo di quelle della fig. 5.
Quali r i m e d i contro nuovi possibili incidenti
Fig. 6.
(14) Oss. Mèt. Nouveaux essais sur modèles de næuds
rigides, n. 4 del 1940.
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Fig. 7.
del genere venne proposto di usare o acciai dolci o
acciai a maggiore resistenza ma appositamente studiati p e r la saldatura, insensibili all'invecchiamento
artificiale, t r a t t a t i al forno MS, a basso tenore di
C.; di limitare lo spessore delle tavole saldate di-
rettamente sull'anima, di limitare lo spessore delle
passate, di controllare i cordoni con indagini radiografiche.
La caduta del p o n t e di Hasselt ebbe origine
dalla rottura della briglia inferiore di u n a travata
(fig. 6). A sua volta tale rottura si iniziò in u n a
saldatura D collegante il raccordo del m o n t a n t e
alla briglia e venne seguita i m m e d i a t a m e n t e dalla
fessura ab formatasi con grande r a p i d i t à (scoppio)
e interessante l'intera briglia a d o p p i o T saldata
all'arco elettrico. L'esame di altri nodi simili del
ponte caduto e di altri 5 ponti p u r e del Canale
Alberto in Belgio, dimostrò che esistevano fortissime tensioni interne nella zona A B , in 4 ponti si
constatarono anche delle fessure sia in D sia anche,
nei casi più gravi, nella briglia, di a n d a m e n t o simile alla ac. Le tensioni interne si p o t e r o n o r i d u r r e
notevolmente segando il piatto di raccordo fra D
e B, le deformazioni osservate nei due pezzi staccati h a n n o dimostrato che le tensioni in q u e l p u n t o
superavano il limite di elasticità del metallo di
base.
La ragione di tali notevoli tensioni interne app a r e chiara q u a n d o si pensi che il raccordo in esame venne eseguito saldando, p r i m a il pezzo A sulla
robustissima trave E, poi il m o n t a n t e col suo raccordo C sulla stessa trave e finalmente in D i due
tronchi del piatto di raccordo A B . Data la grande
rigidità delle due parti da u n i r e costituite da un
largo piatto di forte spessore rigidamente connesso
ad u n a grande trave, la voluminosa saldatura D
dovette esercitare, raffreddandosi, u n a forte azione
Fig. 8.
su A e su B, ma senza riuscire a deformarne il supp o r t o , t r o p p o rigido p e r cedere. Il volume notevole del cordone in r a p p o r t o alla sua lunghezza fa
prevedere come effetto della contrazione al raffredd a m e n t o il sorgere di un sistema t r i p l o di tensioni
positive tutte di notevole valore. Tali tensioni, trovate superiori al limite di elasticità dell'acciaio di
base, avranno p r o b a b i l m e n t e provocato delle fessurazioni microscopiche nella zona di transizione
che p e r l'uso dei grossi elettrodi si sarà certamente
trovata alla t e m p e r a t u r a critica detta di fragilità
al bleu.
Su questo complesso di m i n o r resistenza agli
agenti esterni, p i ù dei carichi accidentali pesarono,
p r o b a b i l m e n t e , l'invecchiamento r a p i d o , la fragilità maggiore connessa alla bassa t e m p e r a t u r a e le
tensioni interne nei nodi rigidi della Vierendeel suscitate dalle escursioni t e r m i c h e . Ciò sembra provato dal fatto che il p o n t e resistè vittoriosamente
a severi collaudi e a notevoli sovraccarichi di traffico m e n t r e cadde dopo pochi mesi dal collaudo,
essendo p r a t i c a m e n u t e scarico, in un m a t t i n o particolarmente rigido.
L'incidente al p o n t e di Hérenthals-Oolen ebbe
luogo alle 2 e ½ del m a t t i n o il 19 gennaio 1940 e
venne segnalato alle sentinelle di guardia al p o n t e
da t r e violente detonazioni. La r o t t u r a iniziale
sembra sia quella segnata nella fig. 7 col n u m e r o 1.
Essa p a r t e dalla tavola inferiore della briglia
inferiore della travata nel p u n t o in cui vi si innesta
mediante saldatura la p i a t t a b a n d a irrigidente del
montante.
La r o t t u r a 2 interessa la traversa che collega le
due travate in corrispondenza della r o t t u r a 1, la
r o t t u r a 3, che ha sezionato completamente la briglia inferiore della travata opposta, è avvenuta in
posizione quasi antisimmetrica della 1 in corrispondenza del secondo giunto di dilatazione. Si noti
che tutte le r o t t u r e sono prossime al giunto di dilatazione realizzato con u n a discontinuità delle longarine e con u n a sezione dell'impalcata in cemento
a r m a t o . Si ha q u i n d i , da un lato u n a concentrazione di tensioni interne n e l p u n t o iniziale di rott u r a a causa delle saldature che ivi si incrociano,
di più u n a discontinuità notevole del flusso di forze
nel complesso, p e r là variazione brusca del mom e n t o d'inerzia totale in corrispondenza del giunto
di dilatazione.
La m a t t i n a del 25 gennaio 1940 alle ore 7 e ½
sopravveniva l'incidente al ponte di K a u i l l e . La
r o t t u r a iniziale sembra la l d , essa p a r t e come quella
del ponte precedente dall'innesto del m o n t a n t e alla
Fig. 10.
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Fig. 9.
briglia inferiore che in questo caso, anzichè essere
una trave a d o p p i o T saldata come nei casi preced e n t i , era u n a trave Grey (fig. 8).
La fessura I I I è situata in corrispondenza di un
raccordo del m o n t a n t e colla briglia superiore, le
fessure 4 e 5 h a n n o ancora inizio all'innesto dei
m o n t a n t i con la briglia inferiore, del p a r i che la
fessura 6 la quale però ha provocato il distacco
netto di un t r a t t o di ala, indizio p r o b a b i l e di tensioni interne di laminazione e di saldatura somm a t e . La t e m p e r a t u r a esterna, al m o m e n t o dell'incidente, era di circa —20° come p e r il ponte precedente.
Gli incidenti avvenuti agli scafi dei cargo saldati n o n sono sempre perfettamente noti p e r ragioni ovvie, il n u m e r o delle fessurazioni è p e r ò
così grande che consente di t r a r r e con mezzi statistici delle conclusioni abbastanza sicure e certo interessanti.
Il secondo r a p p o r t o della Commissione di studio n o m i n a t a in seguito agli incidenti suddetti conclude affermando che tutte le rotture studiate dettagliatamente h a n n o , come origine, delle discont i n u i t à strutturali di progetto o dei difetti di esecuzione delle saldature, agenti come intagli.
I miglioramenti proposti dal p r i m o r a p p o r t o
consistevano p r i n c i p a l m e n t e :
— nel miglioramento dei dettagli del progetto ai fini di eliminare pericolosi concentramenti
di sforzi e azioni d'intaglio,
— unificazione degli elettrodi, del loro controllo e della loro utilizzazione,
— programmazione molto m i n u t a della esecuzione delle saldature,
— rinforzo del fasciame dei ponti in corrispondenza degli angoli retti dei boccaporti e altri
passaggi e raccordo degli stessi m e d i a n t e archi di
cerchio,
— diminuzione della rigidità delle unioni salFig. 11.
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Fig. 11 : Taglio di un t r a t t o del fasciame p e r
allogarvi un q u a d r o di rinforzo di u n a a p e r t u r a .
E r r o r e n e l taglio ossiacetilenico c h e invece di essere
curvo ha un regresso in corrispondenza di un raccordo circolare. Intaglio pericoloso anche se riempito con saldatura.
Fig. 12: Fessura in un p o n t e di u n a nave Liberty che ha origine da una zona nella quale varie
saldature in elementi vicini di notevole spessore
h a n n o creato, p r o b a b i l m e n t e anche a causa della
sequenza scorretta di formazione dei cordoni, una
forte concentrazione di tensioni interne nelle t r e
direzioni e un effetto d'intaglio.
Completano questi interessanti dati sul comport a m e n t o di quelle grandi travi saldate a guscio che
sono gli scafi, le esperienze condotte con molta diligenza sulla petroliera saldata Neverita, a cura dell ' A d m i r a l t y Ship Welding Committee ( 1 5 ).
Si tratta di u n a nave varata nel 1944 del dislocamento di 18.793 T o n n . nel cui progetto e nella
cui costruzione si fece tesoro degli insegnamenti
della guerra sui cargo saldati.
'
I risultati p i ù interessanti sono:
Fig. 12.
date delle chiglie di rullio alla carena sostituendo
la saldatura continua con tratti separati da alleggerimenti semicircolari dell'anima della chiglia di
rullio,
— introduzione n e l fasciame dei p o n t i , in
quello delle m u r a t e e p a r t i c o l a r m e n t e nei raccordi
dei ponti alla carena, di giunti longitudinali chiodati atti ad arrestare l'eventuale propagazione di
fessure trasversali, che, come si è visto precedentem e n t e , u n a volta iniziate, nelle lamiere in un sol
pezzo si p r o p a g a n o r a p i d a m e n t e fino alla fine della
lamiera stessa se l'energia potenziale elastica disponibile è sufficiente.
Il secondo r a p p o r t o constata che h a n n o avuto
esito positivo.
Come esempi istruttivi di particolarità costruttive sedi accertate di inizio di r o t t u r e con lunghe
fessurazioni p o t r a n n o valere le seguenti :
Fig. 9: Angolo retto in corrispondenza di u n a
a p e r t u r a , peggiorato dall'azione di intaglio del cordone di saldatura che fa capo allo spigolo. Perfez i o n a m e n t o : raccordo circolare in p i e n a lamiera,
cordone verticale spostato oltre il raccordo.
Fig. 10: Unione di t r e lamiere del fasciame. Si
deve saldare p r i m a il cordone che non prosegue
(1) se invece si salda p r i m a il cordone passante (2)
le due lamiere superiori risultano già rigidamente
collegate alla lamiera inferiore e le tensioni dovute
alla contrazione del cordone verticale che non p u ò
avvenire liberamente p e r c h é contrastata dall'incastro con la lamiera inferiore, provoca forti tensioni
interne e concentrazioni con stato triplo di trazione
nell'incontro dei cordoni. Il risultato p r o b a b i l e di
un procedimento scorretto è la fessurazione nel cordone verticale e nelle lamiere illustrato in (3).
(15) Report on hogging and sagging test on all-welded
tanker M/V Neverita, London 1944.
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Elenco delle pubblicazioni
di Giuseppe Albenga
Contributo alla teoria dei solidi a grande curvatura - Atti
della R. Accademia delle Scienze, vol. XLIV, 1908-1909.
Sul calcolo analitico degli archi elastici - Ibid., Torino.
1909.
Compensazione grafica con la figura d'errore - Ibid., Torino,
1912.
I problemi di Launhardt e di v. Schrutka - Ibid., Torino,
1912.
La inflessione laterale delle palafitte da fondazione - Ibid.,
Torino, 1913.
Su di alcune applicazioni di serie trigonometriche alla determinazione di linee elastiche - Atti del R. Istituto Veneto, 1913.
Sulla deformazione degli anelli circolari elastici - Rendiconti
della R. Accademia dei Lincei, 1913.
Sul calcolo dei volumi dei solidi stradali - Giornale del
Genio Civile, 1913.
— la distribuzione delle sollecitazioni nelle
m u r a t e a struttura prevalentemente trasversale e
nelle p a r a t i e longitudinali dello stesso t i p o , risulta
m e n o in accordo con la teoria e col calcolo prelim i n a r e di quanto n o n avvenga nel p o n t e e nel fondo che sono a struttura longitudinale.
Su di alcune teorie approssimate della lastra piana - Reale
Accademia delle Scienze di Torino, 1913-14.
— si sono verificate sollecitazioni trasversali
dell'ordine del 20% di quelle longitudinali, dotate
di considerevoli fluttuazioni finora inspiegate;
Sul profilo teorico delle funicolari - Ibid., 1915.
— gli effetti dovuti alle azioni locali p e r pressione idrostatica e preesistenti deformazioni del fasciame, sono risultati molto più considerevoli di
quelli agenti nella fibra mediana delle lamiere p e r
effetto delle azioni generali di i n a r c a m e n t o e insellamento;
— le lamiere che presentavano deformazioni
p r o p r i e iniziali p e r imperfetta foggiatura o p e r
pressione idrostatica, caricate assialmente, n o n seguivano più la legge della sovrapposizione degli
effetti ;
— la discontinuità strutturale dei fianchi nei
quali il sistema longitudinale è sostituito da un
sistema trasversale, si traduce in un peggioramento
delle condizioni di resistenza degli stessi e in una
imperfetta armonia delle sollecitazioni, corrispondente alla incompleta a r m o n i a strutturale.
Le conclusioni che si possono t r a r r e da quanto
esposto sono ovvie.
Basandosi su di esse da qualche anno i costruttori h a n n o i m p a r a t o a progettare ed eseguire grandi
opere arditissime sia nel campo dei ponti come in
quello degli scafi, completamente saldate, senza che
alcun pericolo ne mini il sicuro funzionamento.
Vittorio Zignoli
Politecnico di Torino - Istituto
nomia dei trasporti.
di
tecnica
ed eco-
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La cerchiatura delle condotte forzate - Atti della R. Accademia delle Scienze di Torino, 1914.
Calcolo di resistenza degli aeroplani:
Nota I - Le azioni esterne ed il coeff. di rottura - Annali dei Lav. Pubblici, fasc. 9 e 12, 1924.
Nota II - I rivestimenti - Ibid., fasc. 12, 1925.
Nota III - Le centine - Ibid., fasc. 1, 1927.
Nota IV - L'ala di sbalzo - Ibid., fasc. 4, 1928.
Nota V - L'ala monoplano con saettoni e la cellula biplana. Elementi tesi e compressi -' Ibid., fasc. 9,
1929.
Nota VI - L'ala monoplano con saettoni e la cellula biplana. Elementi inflessi e sollecitati assialmente Ibid., 1929.
L'analogia di Prandtl - Annali dei LL. PP., 1926.
Estensione dell'analogia di Prandll - Ibid., 1927.
Su una distorsione di Volterra usata nella costruzione dei
ponti in muratura - Memorie della R. Accademia delle
Scienze di Bologna, 1926.
Sulla chiusura delle cerniere nelle volte murarie articolate Ibid., 1927.
Su di una particolare cellula biplana - Ibid., 1928.
L'analogia di Wieghardt - Annali dei lavori pubblici, 1927.
A proposito di un teorema di Volcovic - Atti della R. Accademia delle Scienze di Torino, 1928.
Un precursore della organizzazione scientifica del lavoro:
Leonardo da Vinci - L'Ingegnere, 1922.
Le vicende del nome ingegnere - L'Ingegnere, 1928.
Sul teorema di reciprocità di Land - Ibid., 1915.
Progetti di aeroplani - L'uomo ed il velivolo - « Aerotecnica », 1928.
Sulle linee di influenza delle tensioni interne negli archi Ibid., Torino, 1916.
La scienza delle costruzioni e Leonardo da Vinci - Atti del
Congresso Internazionale dei matematici, Bologna, 1928.
Sulla trave continua inflessa e sollecitata assialmente (I) Ibid., 1916; ripubblicata nel Bollettino Direzione Tecnica dell'Aviazione Militare N. 13.
Spinte del ghiaccio contro le dighe di sbarramento - L'Ingegnere, 1929.
Sulla trave continua inflessa e sollecitata assialmente (II) Ibid., 1917-18. Ibid.
La formula di Zimmermann - Giornale Genio Civile, 1916.
Sull'attrito volvente dei veicoli ordinari - Atti della R. Accademia delle Scienze di Torino, 1917.
La evoluzione della strada - La strada antica - Annali delle
Università Toscane, 1918. Ripubblicato sul giornale
« Le Strade ».
Linee di influenza degli archi iperstatici - Giornale del Genio Civile, 1919.
Sul problema delle coazioni elastiche - Atti R. Accademia
delle Scienze di Torino, 1919.
Silvio Canevazzi - Atti Ass. Italiana per lo studio di materiali da costruzione, Pisa, 1919.
Spinte dei ghiacci contro le dighe di sbarramento - Annali
Consiglio Sup. delle Acque, 1921.
Il diagramma della pressione dell'aria nel calcolo statico
degli Aeroplani - Atti R. Acc. delle Scienze di Torino,
1924 e Notiziario del Commissariato d'Aeronautica, febbraio 1925.
L'appalto di un ponte a mezzo il trecento - Ibid., 1929.
Ancora sulla spinta del ghiaccio contro le dighe di sbarramento, L'Ingegnere, 1930.
A proposito di qualche formula approssimata per la trave
inflessa e sollecitata assialmente - Atti della R. Acc. di
Scienze di Torino, 1929. Ed anche « Aerotecnica », 1930.
Progetti di areoplani - L'atmosfera ed il velivolo - « Aerotecnica », 1929.
L'evoluzione della strada - La strada nell'evo moderno Le « strade », 1929.
Lezione di ponti - Vol. I, Utet, 1930.
Il calcolo statico degli aeroplani nei regolamenti esteri. Le
proposte tedesche del giugno 1929 - «Aerotecnica»,
1929.
Vite di Ingegneri: C. Ader, T. Agadio, Sir. J. Aird, W. A.
J. Albert, P. Alibrandi, G. A. Alberti, J. Ansler, F. Andreossi, R. Arkwright, W. G. Lord Amstrong, E. Arnold, Sir W. Arrol, L. Aspdin, F. Asthövic, G. Avanzini, J. v. Baader, Sir R. Baker, A. F. Bauer, W. S. V.
Bauer, J. Bauschinger, H. E. Bazin, L. A. Beaudemoulin, L. Beck, J. Belgrado, F. E. M. Belgrand, A. G. Bell,
G. B. Belluzzi, G. A. Belluzzi, G. B. Biadego, G. Bi-
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