La progettazione dell'ancoraggio tra acciaio e calcestruzzo | Idea Statica Web Eshop
La piastra di base è sufficientemente rigida?
Le connessioni acciaio-cls sono fondamentali per trasferire con successo le forze dalla struttura principale al terreno. In questo articolo vedremo come IDEA StatiCa Connection aiuta a modellare, progettare e verificare questi tipi di connessione con, piastra di base, saldature, irrigidimenti, ancoraggi e blocchi di calcestruzzo.
Perché le chiusure sono così importanti?
I fissaggi svolgono un ruolo cruciale per l'integrità e la sicurezza degli elementi strutturali e non strutturali. Per questo motivo sono stati sviluppati standard dedicati, come la EN1992-4. Esse affrontano le sfide delle connessioni acciaio-calcestruzzo e forniscono un metodo di progettazione affidabile che garantisce una trasmissione sicura del carico tra elementi in acciaio e calcestruzzo. La norma EN1992-4 copre diversi tipi di elementi di fissaggio (elementi di fissaggio intestati gettati in opera, elementi di fissaggio meccanici e incollati post-installati), nonché diverse categorie di azione.
La progettazione di elementi di fissaggio da utilizzare nel calcestruzzo
La progettazione di elementi di fissaggio nel calcestruzzo, secondo la norma EN1992-4, per carichi statici/quasi-statici comporta molteplici verifiche del codice:
Fig. 1 Controlli del codice per elementi di fissaggio in trazione
Fig. 2 Verifiche del codice per i dispositivi di fissaggio a taglio
Fig. 3 Verifiche del codice per tenere conto dell'interazione dei carichi di trazione e di taglio
Il processo di progettazione, come delineato nella norma (Fig. 1 - Fig. 3), richiede un approccio dettagliato per garantire che tutte le verifiche del codice siano soddisfatte. Ogni tipo di fissaggio richiede considerazioni specifiche. Ad esempio, gli ancoraggi meccanici si basano sull'interblocco meccanico, mentre gli ancoraggi incollati dipendono dalle proprietà adesive del materiale di incollaggio. Il processo di progettazione deve tenere conto di queste differenze per garantire una connessione affidabile.
Esaminiamo più da vicino una di queste verifiche del codice. Prenderemo come esempio la resistenza caratteristica dell'elemento di fissaggio, o di un gruppo di elementi di fissaggio nel caso di un cedimento del cono di calcestruzzo (Fig. 4), che mostra quanto sia sofisticato il modello di progettazione:
Fig. 4 La resistenza caratteristica del dispositivo di fissaggio o di un gruppo di dispositivi di fissaggio nel caso di rottura del cono di calcestruzzo
Nell'equazione sono inclusi quattro fattori che tengono conto di effetti come lo spalling del guscio, il disturbo della distribuzione delle tensioni, la presenza di un'armatura supplementare e altro. Questo rivela che non solo le proprietà dei materiali da costruzione (acciaio, calcestruzzo), ma anche altri fattori, come la geometria del blocco di calcestruzzo, la griglia di ancoraggio, la profondità dell'annegamento, l'armatura supplementare e così via, hanno un'influenza sulla resistenza finale, cioè sulla modalità di rottura che governa una determinata combinazione di carico. Ciò dimostra che la progettazione di connessioni acciaio-calcestruzzo può essere piuttosto noiosa e complessa se eseguita manualmente, in quanto comporta numerosi calcoli e iterazioni per ottimizzare il progetto. IDEA StatiCa Connection consente all'utente di progettare connessioni acciaio-calcestruzzo utilizzando elementi di fissaggio meccanici post-installati o ancoraggi gettati in opera con piastre a rondella. A seconda del tipo di ancoraggio, è necessario calcolare molte verifiche del codice. La maggior parte delle verifiche di codice elencate nelle Fig. 1 - Fig. 3 sono calcolate in IDEA StatiCa Connection in base agli input dell'utente e ai parametri indicati nella norma. Alcuni di essi non sono forniti in quanto richiedono fattori specifici per il prodotto, che si basano su test effettuati con un setup standardizzato e valutati secondo le specifiche tecniche armonizzate applicabili. Questi fattori si trovano nelle approvazioni tecniche come la Valutazione Tecnica Europea (ETA). Oltre ai fattori richiesti per il calcolo della resistenza di progetto, vi sono altre caratteristiche importanti incluse nell'approvazione, come la distanza minima tra i bordi cmin, la distanza minima tra gli ancoraggi smin, l'altezza minima del blocco di calcestruzzo hmin, i fattori di sicurezza e altro ancora. Le informazioni sulle verifiche del codice non fornite sono descritte nella scheda dei risultati, come mostrato nella Fig. 5.
Fig. 5 Elenco delle verifiche del codice che richiedono caratteristiche specifiche del prodotto
Rigidezza della piastra di base in acciaio
Oltre all'elenco dei controlli di codice richiesti, lo standard specifica ulteriori regole che devono essere rispettate. Tra queste vi sono le regole per la derivazione delle forze che agiscono sugli elementi di fissaggio. Quando un momento flettente e/o una forza di trazione agiscono su un fissaggio, come in una connessione acciaio-acciaio, possono verificarsi forze prying forces oer effetto leva. Queste forze devono essere prese in considerazione nella progettazione della piastra di base, in quanto determinano forze di trazione più elevate negli ancoraggi. Questo requisito è descritto nella Clausola 6.1 (4) e illustrato nella Fig. 6.1 b della EN1992-4:
Fig. 6 Clausola 6.1 (4) della norma EN1992-4
Fig. 7 Amplificazione delle forze di trazione che agiscono su un elemento di fissaggio a causa dell'effetto leva Cpr
Il codice fornisce indicazioni su come calcolare i carichi di trazione di progetto che agiscono su un elemento di fissaggio, a condizione che il dispositivo sia sufficientemente rigido, il che significa che è valida l'ipotesi di una distribuzione lineare delle deformazioni (come nella teoria delle travi). Tuttavia, se i requisiti di cui all'articolo 6.2.1 non sono soddisfatti, si tiene conto del comportamento di deformazione elastica della piastra di base in acciaio. Questo effetto è considerato in IDEA StatiCa Connection, in quanto il calcolo con il metodo CBFEM consente di catturare il comportamento flessionale della piastra di base, compresa la rigidità del profilo collegato, delle saldature e della platea di fondazione (modellata con il modello Winkler del sottosuolo). Nella prossima sezione, esamineremo più da vicino l'influenza dello spessore della piastra sulle forze di trazione risultanti negli ancoraggi, sulle sollecitazioni equivalenti nella colonna e sulle sollecitazioni di compressione in un blocco di calcestruzzo.
Alcuni esempi in IDEA StatiCa
Vediamo alcuni esempi che ho messo insieme utilizzando IDEA StatiCa
In questo caso, la disposizione degli ancoraggi (due file con tre ancoraggi), la profondità di infissione, le dimensioni del blocco di calcestruzzo e le proprietà del materiale rimangono invariate per entrambi i casi analizzati. Ciò che verrà modificato è lo spessore della piastra di base (10, 20 e 30 mm) e gli effetti del carico applicato - per il caso n. 1, una forza di trazione. 1, cioè una forza di trazione dove N = 100 kN, e per il caso n. 2, una forza di compressione dove N = -100 kN. Queste ipotesi ci permetteranno di verificare facilmente l'influenza dei parametri sui risultati, cioè le forze assiali dei dispositivi di fissaggio, la sollecitazione equivalente nella colonna e la sollecitazione di compressione nel calcestruzzo. Il modello è mostrato nella seguente Fig. 8.
Fig. 8 Modello in IDEA StatiCa Connection
Cominciamo con il caso n. 1, ecco i risultati per gli esempi esaminati:
Fig. 9 Caso n. 1, spessore della piastra di base = 10 mm, sollecitazioni equivalenti
Fig. 10 Caso n. 1, spessore della piastra di base = 10 mm, forze di trazione negli ancoraggi
Fig. 11 Caso n. 1, spessore della piastra di base = 20 mm, sollecitazioni equivalenti
Fig. 12 Caso n. 1, spessore della piastra di base = 20 mm, forze di trazione negli ancoraggi
Fig. 13 Caso n. 1, spessore della piastra di base = 30 mm, sollecitazioni equivalenti
Fig. 14 Caso n. 1, spessore della piastra di base = 30 mm, forze di trazione negli ancoraggi
Tab. 1 Riassunto dei risultati del caso n. 1 (N = 100 kN). 1 (N = 100 kN)
Come previsto, aumentando lo spessore della piastra, le forze di trazione diminuiscono; con tfix = 30 mm, non sono presenti forze di trazione e il carico è uniformemente distribuito tra tutti gli ancoraggi del gruppo. Confrontando le forze per gli ancoraggi più sollecitati del gruppo, c'è una differenza del 67% tra una piastra di base elastica (tfix = 10 mm, NEd,1 = 27,9 kN) e una piastra di base rigida (tfix = 30 mm, NEd,1 = 16,7 kN). La considerazione del comportamento flessionale della piastra di base in acciaio influisce anche sulla distribuzione delle sollecitazioni nelle piastre collegate e nelle saldature che collegano gli elementi. Questo dimostra quanto sia importante la verifica della rigidezza della piastra di base nel processo di progettazione.
I risultati del caso n. 2 mostrano l'influenza dello spessore della piastra sulla distribuzione delle sollecitazioni di compressione nel calcestruzzo:
Caso n. 2, spessore della piastra di base = 10 mm, tensioni equivalenti, sollecitazione nel calcestruzzo
Fig. 16 Caso n. 2, spessore della piastra di base = 20 mm, sollecitazioni equivalenti, sollecitazione nel calcestruzzo
Fig. 17 Caso n. 2, spessore della piastra di base = 30 mm, sforzi equivalenti, tensione nel calcestruzzo
Tab. 2 Riassunto dei risultati per il caso n. 2 (N = -100 kN)
Si può notare che con l'aumento dello spessore, le sollecitazioni si distribuiscono in modo più uniforme, riducendo così la sollecitazione massima di compressione nel calcestruzzo.
Riassumendo
Con IDEA StatiCa Connection, l'utente può modellare accuratamente il comportamento a flessione della piastra di base in acciaio e verificare il suo impatto sulla connessione modellata. Il software utilizza il metodo CBFEM per simulare la deformazione della piastra di base sotto gli effetti del carico. Ciò consente agli ingegneri di visualizzare la distribuzione delle forze e di identificare potenziali problemi legati al comportamento elastico della piastra di base in acciaio, o di confermare la correttezza dell'ipotesi di una distribuzione lineare delle deformazioni indicata nella norma EN1992-4. Si tratta di una parte cruciale del processo di progettazione delle connessioni acciaio-calcestruzzo, poiché anche piastre di base relativamente spesse possono non soddisfare i requisiti di una piastra di base rigida e l'omissione di questa verifica potrebbe portare a una sottostima delle forze di trazione negli ancoraggi, come mostrato negli esempi precedenti.
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