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Trucchi e consigli

L’importanza dei giunti flangiati

La progettazione dei giunti flangiati, in particolare dei bulloni che uniscono le due flange, presuppone un’attenta analisi delle condizioni di sollecitazione e un’attenta scelta della tipologia di bulloni da utilizzare.

Schema di un giunto flangiato con i suoi principali componenti.

La progettazione a fatica dei giunti flangiati ha, come tallone d’Achille, la resistenza dei bulloni in presenza di carichi ciclici. Analiziamo di seguito il comportamento del giunto, evidenziando come, giocando sulla rigidezze relative di vite e bullone, sia possibile ridurre l’ampiezza del ciclo di fatica sui bulloni. Se questo non dovesse essere sufficiente è possibile adottare bulloni con configurazioni geometriche pensate ad hoc per la fatica, che consentono di distribuire più uniformemente il carico sulla filettatura, evitando rudi effetti di concentrazione degli sforzi.

La progettazione di un giunto flangiato inizia con la scelta dell’altezza delle flange e del numero di bulloni. Per quanto riguarda l’altezza delle flange, deve essere sufficiente a rendere trascurabili, o, comunque, modeste, le rotazioni dovute al serraggio dei bulloni. In altre parole, le flange devono essere sufficientemente rigide per evitare una marcata inflessione delle stesse che, per congruenza, indurrebbe una rotazione dei bulloni. Come noto, questi ultimi sono progettati per sollecitazioni assiali, mentre la loro resistenza flessionale è limitata: risulta evidente che tale condizione è da evitare. Dando per scontato, quindi, che tale requisito sia soddisfatto e rimandando il calcolo dell’inflessione delle flange a testi specializzati, il problema della determinazione del numero di bulloni da utilizzare viene risolto considerando lo spazio necessario per permettere di serrare i bulloni con le apposite chiavi e la necessità di distribuire il più uniformemente possibile sulle flange le reazioni dovute al serraggio dei bulloni, garantendo una condizione di lavoro uniforme alla guarnizione. Esistono formule empiriche che vengono utilizzate a tal fine; tra queste vi è quella che assume che il numero minimo di bulloni, nmin, come il multiplo di quattro, arrotondato per eccesso, del risultato che deriva dalla seguente formula:

nmin = D/40+4

con D pari al diametro interno del recipiente espresso in mm.

Una volta fissato il numero minimo di bulloni è necessario determinare il carico di serraggio, V0, che deve essere tale da garantire il completo contatto della guarnizione sulle flange senza, allo stesso tempo, causare la plasticizzazione (o la rottura) del bullone. In base a queste condizioni si determina il diametro dei bulloni (e si verifica che sia compatibile con l’ingombro degli stessi e con i requisiti di montaggio messi in evidenza poc’anzi).

Funzionamento schematico di un giunto flangiato: (a) a serraggio avvenuto, (b) con pressione interna

La situazione tensionale su bullone e guarnizione si modifica quando il fluido in pressione viene inserito nel recipiente: infatti, a causa di questo fattore, il carico sul bullone aumenta mentre la guarnizione tende a scaricarsi.

Diagramma forze-spostamenti

In figura 3 si illustra schematicamente il funzionamento del giunto per effetto di V0 e del carico sui bulloni dovuto alla pressione, indicato con P. Come si può notare, dal punto di funzionamento a serraggio avvenuto, i punti di lavoro di bullone e guarnizione si spostano, per effetto del fluido in pressione, sulle rispettive rette caratteristiche, nei punti A e B, rispettivamente. Sinteticamente, ai può affermare che, per effetto del carico P dovuto alla pressione, il bullone si sovraccarica di una quantità ∆Pb, mentre la guarnizione si carica di ∆Pg. In tale modo, infatti, si rispettano le condizioni di equilibrio e congruenza.

A questo punto si deve verificare che il carico effettivamente agente sui bulloni sia inferiore a quello ammissibile e che il carico minimo sulla guarnizione sia superiore a quello minimo che garantisce la tenuta, e che è funzione della guarnizione attraverso un coefficiente indiato nelle norme usualmente come m.

L’analisi critica della figura 3 rende anche evidente che l’entità di ∆Pb e ∆Pg è legata al rapporto delle rigidezze di bulloni e guarnizione: bulloni molto rigidi tenderanno a sovraccaricarsi maggiormente senza scaricare la guarnizione, mentre guarnizioni molto rigide si scaricheranno di più senza indurre sostanziali modifiche nel carico sul bullone. Su tali valutazioni si basa il corretto progetto del giunto flangiato sollecitato staticamente.

 

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