L’INTERAZIONE DELLE FORZE IN UN GIUNTO BULLONATO

È naturalmente auspicabile che i collegamenti filettati siano affidabili e non presentino il rischio di allentarsi spontaneamente. Per ottenere un elevato livello di affidabilità, è estremamente importante comprendere le forze presenti in un giunto bullonato, poiché ogni elemento del collegamento influenza il risultato finale.

Figura 1	Figura 2

In termini semplici, in un giunto bullonato possono verificarsi due tipi di carico statico:

Senza forza di serraggio — la forza viene trasmessa tra le piastre mediante pressioni di contatto e forze di taglio nel gambo del bullone o nella filettatura. Le piastre da collegare si spostano l’una rispetto all’altra fino a quando le pareti dei fori entrano in contatto con il gambo del bullone o con la filettatura. In questo caso, i bulloni sono sollecitati a taglio da un carico trasversale; vedere la figura 1.
Con un’elevata forza di serraggio — la forza di serraggio impedisce lo spostamento relativo delle parti serrate. La forza viene trasmessa per attrito e i bulloni sono sollecitati a trazione da un carico assiale; vedere la figura 2. Per i giunti in acciaio inossidabile, consultare la nostra guida su come prevenire il grippaggio degli elementi di fissaggio in acciaio inossidabile.

Lo spostamento relativo delle parti da collegare è generalmente indesiderato.

Nel giunto bullonato deve quindi essere applicata una forza di serraggio sufficiente. Questa forza corrisponde al precarico ottenuto dopo il serraggio del dado o del bullone.

Il precarico che può essere applicato in sicurezza dipende, tra gli altri fattori, dalla classe di resistenza e dal carico di prova del bullone. La resistenza del bullone è determinata dal trattamento termico — scoprite di più sul trattamento termico degli elementi di fissaggio.

Se le forze che agiscono sulla struttura cambiano regolarmente direzione o non sono costanti, il giunto è sottoposto a un carico dinamico. Come spiegato di seguito, un carico dinamico può provocare l’allentamento dei giunti bullonati o la rottura dei bulloni.

Affinché un giunto svolga correttamente la propria funzione, soprattutto in presenza di carichi dinamici, la forza di serraggio deve essere mantenuta.

ELASTICITÀ DI UN COLLEGAMENTO FILETTATO

Durante la progettazione e la realizzazione di un collegamento filettato, è molto importante comprendere i seguenti aspetti:

I bulloni e le parti collegate funzionano come un unico sistema elastico. Gli elementi serrati vengono compressi elasticamente, mentre il bullone si allunga durante il montaggio. Se il bullone si allunga ulteriormente a causa di un carico esterno, le parti serrate recuperano elasticamente parte della loro deformazione.
La forza di trazione nel bullone è uguale alla forza di compressione esercitata sugli elementi serrati, come illustrato nella figura 3.

Figura 3

Equilibrio delle forze in un giunto bullonato — diagramma che mostra che la forza di trazione nel bullone è uguale alla forza di compressione sugli elementi serrati

L’interazione tra forza e deformazione è rappresentata mediante un triangolo forza-deformazione, come mostrato nel grafico A riportato di seguito. La linea 1 del grafico mostra la deformazione subita dal bullone a causa della forza di trazione. La linea 2 si riferisce all’insieme delle parti serrate, che si deforma sotto l’azione della forza di compressione generata dal bullone.

Triangolo forza-deformazione (grafico A) — mostra la curva di allungamento del bullone e la curva di compressione degli elementi serrati alla forza di serraggio Fm

fsm = allungamento del bullone dovuto alla forza di serraggio Fm

fpm = compressione degli elementi serrati dovuta alla forza di serraggio Fm

Dal grafico precedente risulta che, con una forza di serraggio Fm, l’allungamento del bullone è uguale a fsm e la compressione delle parti serrate è uguale a fpm. Poiché i materiali e le configurazioni del bullone e delle parti serrate sono diversi, fsm e fpm generalmente non sono uguali.

Successivamente viene applicato al giunto bullonato un carico esterno Fa; vedere la figura 4.

Figura 4

Carico assiale esterno Fa applicato a un giunto bullonato — mostra come la forza esterna agisce sul giunto precaricato

Per rappresentare questa forza di trazione esterna Fa nel grafico A, essa deve essere inserita tra le due caratteristiche di deformazione. Se il bullone si allunga a causa della forza esterna, il materiale serrato recupera elasticamente la stessa quantità di deformazione; vedere il grafico B.

Diagramma forza-deformazione con carico esterno (grafico B) — mostra l’aumento del carico del bullone Fsa, la riduzione della forza di serraggio Fpa e la forza di serraggio residua Fkr

Effetto di un bullone elastico sulla distribuzione delle forze (grafico C) — mostra che una curva di deformazione più piatta riduce l’aumento del carico del bullone sotto una forza esterna

Fm = forza di serraggio iniziale nel giunto

Fa = carico assiale esterno

Fpa = riduzione della forza di serraggio dovuta a Fa

Fsa = aumento del carico del bullone dovuto a Fa

Fkr = forza di serraggio residua nel giunto

Fs = carico totale esercitato sul bullone

UN BULLONE PIÙ ELASTICO PROVOCA UN MINORE AUMENTO DEL CARICO SUL BULLONE

Da un lato, Fa provoca una riduzione della forza di serraggio, identificata come Fpa. Dall’altro lato, provoca un aumento del carico che agisce sul bullone, identificato come Fsa.

È opportuno mantenere l’aumento del carico sul bullone al livello più basso possibile, non soltanto per evitare di sovraccaricare il bullone. Se il carico esterno è dinamico, il bullone è soggetto alle variazioni di Fsa. Un’elevata ampiezza di Fsa può provocare rapidamente una rottura per fatica. Inoltre, la forza di serraggio residua Fkr non deve mai raggiungere lo zero. Se ciò accade, il giunto si separa e non può più funzionare correttamente.

L’aumento del carico del bullone Fsa può essere limitato utilizzando un bullone più elastico. In questo modo la curva di deformazione del bullone diventa meno ripida, consentendo di assorbire una parte maggiore della forza esterna attraverso una riduzione della forza di serraggio; vedere il grafico C.

Lo stesso effetto può essere ottenuto utilizzando materiali serrati molto rigidi. La curva di deformazione dei materiali serrati diventa più ripida e la maggior parte della forza esterna viene assorbita mediante una riduzione della forza di serraggio; vedere il grafico D.

Effetto di materiali serrati rigidi sulla distribuzione delle forze (grafico D) — mostra che una curva più ripida del materiale assorbe la forza esterna attraverso la riduzione della forza di serraggio

I materiali serrati più rigidi provocano un minore aumento del carico sul bullone.

IN SINTESI

Soprattutto in presenza di carichi dinamici, è estremamente importante mantenere il più basso possibile qualsiasi carico aggiuntivo sul bullone, poiché può verificarsi una rottura improvvisa per fatica.

Quando viene applicato un carico esterno, esistono diversi modi per limitare il più possibile la forza aggiuntiva che agisce sul bullone:

Gli elementi strutturali devono essere il più rigidi possibile.
La forza di serraggio deve essere la più elevata possibile entro i limiti di sicurezza e deve rimanere superiore alla forza esterna che tende a separare il giunto.
È possibile utilizzare bulloni più elastici. Scegliere un rapporto elevato tra lunghezza di serraggio e diametro, pari ad almeno 5×D, selezionare una lunghezza filettata maggiore quando appropriato e, se necessario, utilizzare un bullone con gambo ridotto. Per i giunti sottoposti a carichi dinamici, consultare la nostra guida sui metodi di bloccaggio degli elementi di fissaggio.

PARAMETRI DI PROGETTAZIONE DEI GIUNTI BULLONATI

Parametro di progettazione	Effetto sul carico del bullone	Effetto sulla forza di serraggio	Raccomandazione
Bullone più elastico con un rapporto L/D maggiore	↓ Riduce il carico aggiuntivo sul bullone Fsa	↓ Maggiore riduzione della forza di serraggio Fpa	Utilizzare una lunghezza di serraggio di almeno 5×D.
Materiali serrati rigidi	↓ Riducono il carico aggiuntivo sul bullone Fsa	↓ Maggiore riduzione della forza di serraggio Fpa	Utilizzare materiali rigidi, come acciaio o ghisa, ed evitare ove possibile guarnizioni morbide.
Precarico Fm più elevato	Non modifica l’ampiezza di Fsa per una determinata rigidezza del giunto	↑ Maggiore forza di serraggio residua Fkr	Quando la progettazione del giunto e il metodo di serraggio lo consentono, serrare fino a circa il 90% del carico di prova del bullone.
Diametro ridotto del gambo	↓ Rende il bullone più elastico	Vedere “bullone più elastico”	Utilizzare bulloni appositamente progettati con gambo ridotto. Quando appropriato, un bullone parzialmente filettato come DIN 931 può avere una parte liscia più lunga rispetto a un bullone DIN 933.
Maggiore lunghezza filettata all’interno della lunghezza di serraggio	↓ Rende il bullone più elastico	Vedere “bullone più elastico”	Selezionare una lunghezza filettata maggiore quando la progettazione del giunto e i requisiti di impegno della filettatura lo consentono.
Guarnizioni o rondelle morbide	↑ Aumentano le variazioni del carico sul bullone	↑ Maggiore perdita di precarico nel tempo	Evitare ove possibile gli elementi morbidi. Se inevitabili, valutare l’utilizzo di molle a tazza e di un metodo di bloccaggio adeguato.
Carico dinamico o vibrazioni	↑ Aumenta il rischio di fatica	↓ Rischio di perdita completa della forza di serraggio	Utilizzare una soluzione di bloccaggio adeguata, come rondelle di sicurezza a cunei Nord-Lock o filettature Spiralock. Consultare la nostra guida sui metodi di bloccaggio.

DOMANDE FREQUENTI SULLE FORZE NEI GIUNTI BULLONATI

Che cos’è il precarico in un giunto bullonato?

Il precarico, identificato come Fm, è la forza di serraggio iniziale creata quando un bullone viene serrato. Comprime le parti serrate e allunga il bullone, creando un sistema elastico che resiste ai carichi esterni. Senza un precarico sufficiente, le forze esterne agiscono più direttamente sul bullone, aumentando il rischio di rottura per fatica. Un precarico insufficiente o perso è associato a circa l’80% delle rotture dei bulloni durante il servizio.

Perché i giunti bullonati si allentano sotto l’effetto delle vibrazioni?

Le vibrazioni possono provocare micro-slittamenti tra le superfici serrate, riducendo gradualmente la forza di serraggio o il precarico. Man mano che la forza di serraggio residua Fkr diminuisce, una parte maggiore di ciascun ciclo di carico viene trasferita direttamente al bullone sotto forma di sollecitazione variabile. Quando Fkr raggiunge lo zero, il giunto può separarsi. I dispositivi di bloccaggio, come le rondelle di sicurezza a cunei Nord-Lock o le filettature Spiralock, aiutano a mantenere il precarico in presenza di carichi dinamici. Consultare la nostra guida sui metodi di bloccaggio degli elementi di fissaggio.

In che modo l’elasticità del bullone influenza la durata a fatica?

È possibile ottenere un bullone più elastico mediante un rapporto maggiore tra lunghezza di serraggio e diametro, pari ad almeno 5×D, una sezione filettata più lunga all’interno della lunghezza di serraggio o un gambo ridotto. Nel diagramma forza-deformazione, una curva del bullone più piatta significa che una parte minore della forza esterna Fa viene trasformata in un aumento del carico del bullone Fsa. Poiché le variazioni di Fsa contribuiscono alla fatica, ridurre tale aumento può prolungare la durata a fatica del bullone.

Che cos’è il rapporto tra lunghezza di serraggio e diametro del bullone e perché è importante?

Il rapporto tra lunghezza di serraggio e diametro del bullone, chiamato anche rapporto L/D, corrisponde allo spessore totale dei materiali serrati diviso per il diametro nominale del bullone. Si raccomanda un rapporto minimo di 5:1, poiché rende il bullone sufficientemente elastico da sopportare i carichi esterni senza eccessive variazioni delle sollecitazioni. I bulloni corti con un rapporto L/D ridotto sono relativamente rigidi e trasferiscono una parte maggiore del carico dinamico direttamente al bullone.

Come scegliere tra un giunto bullonato sollecitato a taglio e uno sollecitato a trazione?

Nei giunti sollecitati a taglio da un carico trasversale, la forza viene trasmessa attraverso il contatto del gambo del bullone o della filettatura con la parete del foro. Ciò può richiedere bulloni calibrati, fori con tolleranze ridotte o fori alesati. Nei giunti sollecitati a trazione da un carico assiale, la forza di serraggio genera attrito, impedendo lo spostamento delle piastre. I giunti a trazione con un elevato precarico sono generalmente più prevedibili, più facili da progettare contro la fatica e compatibili con fori di passaggio standard. Per gli ambienti corrosivi, consultare la nostra guida agli elementi di fissaggio in acciaio inossidabile.

Ultimo aggiornamento: 12 luglio 2026

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