Effetto Guarnizione

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La locuzione “Effetto guarnizione” viene utilizzata per descrivere i principi di funzionamento e le condizioni operative dei collegamenti mediante giunzioni bullonate. Escludendo il caso, non significativo per la meccanica, nel quale gli elementi di collegamento lavorino al taglio, nelle giunzioni bullonate ad alta resistenza, la solidalità tra gli elementi collegati viene ottenuta esercitando tra di essi un’azione di compressione ottenuta mediante organi filettati (viti) che, grazie all’attrito sulle le superfici, impedisce il movimento relativo. Quando il collegamento deve esercitare anche una funzione di tenuta, si interpone tra gli elementi da collegare una guarnizione, che generalmente ha una rigidezza a compressione assai minore di quella degli elementi da collegare ed è da questa condizione specifica che deriva, alla lettera, l’espressione “effetto guarnizione”. Tuttavia, essa viene utilizzata in generale, anche in assenza di una guarnizione, per descrivere il funzionamento dei collegamenti mediante organi filettati, nei quali il rapporto tra le rigidezze tra gli elementi tesi (viti o bulloni) e gli elementi compressi determina le condizioni di esercizio della giunzione.

effetto guarnizione
Figura 1.  Collegamento bullonato sottoposto a forze di esercizio traversali (FK = precarico, FQ = forza di esercizio trasversale)

Le giunzioni bullonate

Al fine di comprendere il principio di funzionamento, senza introdurre ulteriori complicazioni, si considera il caso semplice di collegamento con un singolo bullone. Nelle giunzioni bullonate, al carico iniziale, o precarico, costituito dalla forza imposta mediante il serraggio, si aggiunge in condizioni operative un carico esterno, statico o dinamico. Per descrivere il funzionamento del giunto, sarà considerato il caso di carico esterno in direzione assiale (parallelo all’asse del bullone) perché significativo per comprendere l’effetto guarnizione, ma evidentemente, possono essere applicate anche forze trasversali o momenti.

Tuttavia, il caso di giunti soggetti a forze trasversali (eventualmente anche derivanti dall’applicazione di un momento torcente), rappresentato in figura 1, non necessità di particolari considerazioni perché, grazie al precarico applicato, le forze esterne vengono trasmesse con una forza di attrito, proporzionale al precarico applicato, senza che ciò generi sollecitazioni di taglio nelle viti.

Invece, nel caso di forze assiali, come negli esempi di figura 2, le condizioni di esercizio devono essere determinate mediante un’analisi che tenga conto della deformabilità degli elementi coinvolti nel collegamento e possono essere visualizzate mediante il diagramma di funzionamento del giunto (o dell’effetto guarnizione), che verrà introdotto a breve.

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Figura 1.  Collegamento bullonato con forze assiali (FV = precarico, FA = forza di esercizio assiale)

Parametri che influenzano la giunzione

I principali parametri che influenzano la giunzione sono i seguenti:

· proprietà dei materiali del bullone e degli elementi collegati;

· caratteristiche geometriche e comportamento elastico dei bulloni (cioè delle parti in trazione);

· caratteristiche geometriche, tolleranze e comportamento elastico delle parti collegate, inclusa la eventuale guarnizione (cioè delle parti in compressione);

· precarico applicato al serraggio.

Sulla base di tali parametri, si può visualizzare il comportamento della giunzione mediante il diagramma riportato in figura 3, che rappresenta le forze nei componenti coinvolti, in presenza del solo serraggio: il grafico evidenzia come la forza di trazione sul bullone sia equilibrata da una forza di compressione dello stesso valore sulle parti collegate; il diagramma evidenzia anche l’allungamento del bullone e l’accorciamento degli elementi compressi, l’entità dei quali dipende dalla pendenza delle rispettive curve, cioè dalle rigidezze.

effetto guarnizione
Figura 3. Esempio qualitativo del diagramma del giunto in assenza di forze esterne
FForza
fVariazione di lunghezza
FVForza di serraggio sul bullone e sugli elementi compressi
fSVVariazione di lunghezza del bullone al montaggio
fPVVariazione di lunghezza degli elementi compressi al montaggio
Legenda di figura 3

Invece la figura 4 mostra le condizioni di esercizio, cioè ciò che accade quando viene applicate una forza assiale di trazione sul giunto, che tende a separare le parti collegate. L’applicazione della forza FA produce un aumento del carico sul bullone FSA, e conseguentemente un carico totale FS sullo stesso; il carico sulle parti collegate si riduce della quantità FPA e scende al valore FKR. È perciò evidente che il carico esterno FA non si aggiunge in toto al precarico ma si traduce in un sovraccarico solo parziale del bullone e in un contestuale scarico degli elementi collegati.

effetto guarnizione
Figura 4. Diagramma del giunto con forza esterna presente
FForza
fVariazione di lunghezza
FVForza su bullone e parti compresse al serraggio
fSVVariazione di lunghezza del bullone al montaggio
fPVVariazione di lunghezza delle parti compresse al montaggio
FACarico esterno applicato al giunto
FPARiduzione del carico sulle parti comprese
FSAIncremento del carico sul bullone
FSCarico massimo sul bullone
FKRCarico di compressione residuo sulle parti compresse
fSV=fSAAllungamento del bullone e delle parti compresse rispetto alla condizione di montaggio iniziale
Legenda di figura 4

La pendenza della caratteristica del bullone è data dalla rigidezza dello stesso, che può essere calcolata in funzione della sezione del gambo e della sua lunghezza, tenendo anche conto del contributo dei filetti e della deformabilità del dato e della testa della vite. Analogamente, si può calcolare la rigidezza delle parti collegate, che deve essere valutata tenendo conto dei volumi di materiale effettivamente soggetti a deformazione, eventualmente mediante schemi semplificati. La guarnizione, se presente, diventa l’elemento determinante nel calcolo della pendenza, perché  in genere risulta assai più cedevole rispetto  alle altre parti compresse.

Il diagramma visualizza in modo grafico le condizioni di esercizio, che vengono determinate imponendo le condizioni di equilibrio e di congruenza: quest’ultima consiste nell’imporre che le variazioni di lunghezza del bullone e delle parti compresse sono uguali rispetto alle condizioni al serraggio

Il diagramma è valido purché non si abbia il completo scarico delle parti compresse in esercizio. A tale scopo, è fondamentale che il precarico prescritto sia effettivamente introdotto al montaggio perché, solo a questa condizione, il sovraccarico sul bullone corrisponde a quello indicato dal grafico, cioè ad una quota generalmente limitata del carico esterno. Qualora la giunzione debba effettuare anche una funzione di tenuta, la riduzione della forza residua sulle parti compresse (guarnizione) al di sotto del limite stabilito compromette tale funzione, anche senza arrivare al completo scarico.

Figura 5. Carico esterno applicato variabile nel tempo

Come mostra la figura 5, qualora il carico esterno applicato sia variabile nel tempo, ad esempio pulsante dallo zero, l’ampiezza del ciclo della forza sul bullone è pari solamente alla metà del sovraccarico determinato dalla forza esterna: se, per errore al serraggio (o nei calcoli), il precarico introdotto non fosse sufficiente, si avrebbe invece un’oscillazione assai più ampia, potenzialmente in grado di determinare il cedimento del bullone. La vite infatti è un componente meccanico in grado di sopportare sforzi statici anche molto elevati ma sensibile a sforzi di fatica anche di ampiezza limitata.

Per approfondimenti sul tema e per il calcolo dettagliato, si rimanda al Manuale degli Organi delle Macchine [1]

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