Introduzione generale alla progettazione strutturale delle connessioni in acciaio

Introduzione

Nella progettazione di strutture in acciaio, gli ingegneri preferiscono l’utilizzo di membrature ad asta. Tuttavia, ci sono molti punti della struttura in cui la teoria delle membrature non è valida, ad esempio i giunti saldati, le connessioni bullonate, i piedritti, i fori nelle pareti, la rastrematura della sezione e i carichi concentrati. L'analisi strutturale in questi punti è complessa e richiede un'attenzione particolare. Il comportamento è non lineare e le non linearità devono essere rispettate, ad esempio la resistenza limite del materiale delle piastre, il contatto tra le piastre di estremità o la piastra di base e il blocco di calcestruzzo, le azioni unilaterali di bulloni e ancoraggi, le saldature. I codici di progetto, ad esempio EN1993-1-8, e la letteratura tecnica offrono metodi di soluzione ingegneristica. La loro caratteristica generale è la derivazione per forme strutturali tipiche e carichi semplici. Un metodo utilizzato molto spesso è quello delle componenti.

Metodo delle Componenti

Il metodo delle componenti (MC) risolve il giunto come un sistema di elementi interconnessi: le componenti. Per ogni tipo di giunto viene costruito il modello corrispondente per poter determinare le forze e le sollecitazioni in ogni componente. Si veda la figura seguente.

Componenti di un giunto con piastre di estremità bullonate modellate da molle

Ogni componente è verificato separatamente utilizzando le formule corrispondenti. Poiché per ogni tipo di giunto deve essere creato il modello appropriato, l'utilizzo del metodo presenta dei limiti nella risoluzione di giunti di forma generica e con carichi generici.

IDEA StatiCa, insieme a un team di progetto del Dipartimento di Strutture in acciaio e legno della Facoltà di Ingegneria Civile di Praga e dell'Istituto di Strutture in metallo e legno della Facoltà di Ingegneria Civile dell'Università Tecnologica di Brno, ha sviluppato un metodo per la progettazione avanzata di giunti strutturali in acciaio.

Il Modello agli Elementi Finiti Basato sulle Componenti (Component Based Finite Element Model - CBFEM) è:

• Generale al punto da poter essere utilizzato per la maggior parte dei giunti, collegamenti a terra e dettagli nella pratica ingegneristica.
• Semplice e veloce nella pratica quotidiana, al punto da fornire risultati in tempi paragonabili ai metodi e agli strumenti attuali.
• Completo al punto da fornire all'ingegnere strutturale informazioni chiare sul comportamento, le sollecitazioni e le deformazioni dei giunti, e sulle riserve delle singoli componenti nonché sulla sicurezza e affidabilità complessive.

Il metodo CBFEM si basa sull'idea di tenere valide la maggior parte delle parti verificate e molto utili del MC. Il punto debole del MC, ossia la sua generalità nell'analisi delle sollecitazioni dei singoli componenti, è stato sostituito dalla modellazione e dall'analisi con il metodo degli elementi finiti (FEM).

Il FEM è un metodo generale comunemente utilizzato per l'analisi strutturale. L'uso del FEM per la modellazione di giunti di qualsiasi forma risulta ideale (Virdi, 1999). È necessaria l'analisi elastoplastica poiché l'acciaio normalmente si snerva nella struttura. In effetti, i risultati dell'analisi lineare non sono utili al fine della progettazione dei giunti.

I modelli FEM sono utilizzati per scopi di ricerca sul comportamento dei giunti, e applicano solitamente elementi spaziali e valori misurati delle proprietà dei materiali.

Modello FEM di un giunto a scopo di ricerca. Si avvale di elementi spaziali 3D sia per le piastre che per i bulloni

Sia le anime che le ali degli elementi collegati sono modellate con l’uso di elementi shell nel modello CBFEM, per il quale è disponibile una soluzione nota e verificata.

Gli elementi di fissaggio, ossia bulloni e saldature, sono i più difficili dal punto di vista del modello di analisi. La modellazione di tali elementi nei programmi FEM generali è difficile perché i programmi non offrono le proprietà richieste. Pertanto, è stato necessario sviluppare componenti FEM speciali per modellare il comportamento delle saldature e dei bulloni in un giunto.

Modello CBFEM di connessione con piastra con piastra bullonata

Nell’analisi di strutture a telaio o a trave primaria in acciaio, i giunti delle membrature sono modellati come punti senza massa. Le equazioni di equilibrio vengono assemblate nei giunti e le forze interne alle estremità delle travi vengono determinate dopo aver risolto l'intera struttura. Infatti, il giunto è caricato da queste forze. La risultante delle forze di tutte le membrature del giunto è pari a zero: l'intero giunto è in equilibrio.

La forma reale di un giunto non è nota nel modello strutturale. L'ingegnere definisce solo se il giunto sia rigido o sia una cerniera.

È necessario creare un modello affidabile di giunto, che rispetti lo stato reale, per progettare il giunto in modo corretto. Nel metodo CBFEM si utilizzano le estremità delle membrature con lunghezza pari a un multiplo di 2-3 dell'altezza massima della sezione. Questi segmenti sono modellati con elementi shell.

Un giunto teorico (senza massa) e la forma reale del giunto senza le estremità modificate della membratura

Per una maggiore precisione del modello CBFEM, le forze di estremità sulle membrature 1D sono applicate come carichi alle estremità dei segmenti. Le sestine di forze del giunto teorico vengono trasferite all'estremità del segmento; i valori delle forze vengono mantenuti, ma i momenti vengono modificati dalle azioni delle forze sui bracci corrispondenti.

Le estremità dei segmenti in corrispondenza del giunto non sono collegate. La connessione deve essere modellata. Il metodo CBFEM si avvale delle cosiddette operazioni di produzione per modellare la connessione. Le operazioni di produzione sono in particolare: tagli, offset, fori, rinforzi, nervature, piastre di estremità e piatti di giunzione, coprigiunti, fazzoletti e altro. Vengono inoltre aggiunti elementi di fissaggio (saldature e bulloni).

IDEA StatiCa Connection può eseguire due tipi di analisi:

1. Analisi lineare per geometria con non linearità del materiale e di contatto per l'analisi delle tensioni e delle deformazioni,
2. Analisi degli autovalori per determinare la possibilità di instabilità.

Nel caso delle connessioni, l'analisi non lineare per geometria non è necessaria, a meno che le piastre non siano molto sottili. La snellezza della piastra può essere determinata dall'analisi degli autovalori (instabilità). Per la snellezza limite in cui l'analisi lineare per geometria è ancora sufficiente, si veda il Capitolo 3.9. L'analisi non lineare per geometria non è implementata nel software.