Collegamento di controventi e IDEA StatiCa

Questo è l'articolo di approfondimento che fa seguito a quello dedicato alle travature reticolari scritto dal mio collega – Ralph Pullinger. Prima di tutto, la domanda fondamentale è: qual è la differenza tra controvento e travatura reticolare? C'è una certa sovrapposizione tra questi argomenti, come si potrebbe immaginare. 

In sostanza, un controvento è un singolo elemento che supporta, rinforza o consolida qualcosa, mentre una travatura reticolare è solitamente un'intera parte della struttura ed è formata da molti elementi. In altre parole, il controvento può essere parte di una struttura reticolare. Naturalmente, alcuni sistemi reticolari richiedono necessariamente controventi per essere completi – specialmente nel settore residenziale. Persino alcuni elementi all'interno delle travature reticolari fungono da controventi.

Ma dove si trovano, e il sistema di controventi viene utilizzato solo nelle strutture in acciaio? Assolutamente no. Li si trova solitamente sia negli edifici in acciaio che in quelli a telaio in legno. Meno frequentemente in un telaio in calcestruzzo, a meno che non vi siano ragioni specifiche, come un intervento di adeguamento o rinforzo.

Sistemi di controventi nelle strutture in acciaio

Nei sistemi strutturali in acciaio, un controvento è solitamente definito come un elemento che trasferisce solo carico assiale (sia di compressione che di trazione). Se un controvento dovesse trasferire un momento, ciò significherebbe che dovrebbe essere definito come una trave o una colonna. I controventi non sono limitati all'asse orizzontale o verticale. Vengono utilizzati anche in piani inclinati (come un piano di copertura). I controventi trasferiscono invariabilmente le azioni. Principalmente, mirano a trasferire il carico orizzontale, come il vento, verso un meccanismo di supporto – solitamente le fondazioni.

I controventi possono assumere la forma di cavi, piatti, angolari, barre, sezioni cave e persino sezioni a I. Tradizionalmente erano sempre concepiti per essere nascosti, ma esistono anche diversi esempi in cui vengono esposti e valorizzati.

Un bellissimo esempio di simbiosi tra architettura e ingegneria strutturale che mette in mostra i controventi e i dettagli dei loro collegamenti sulla facciata si trova in Spagna nell'edificio oggi noto come Hotel Arts Barcelona. Qui, i collegamenti in acciaio strutturale sono quasi abbastanza vicini da poter essere toccati e sono osservabili dagli ospiti dell'hotel. Scopri come abbiamo eseguito questo calcolo di progettazione dei controventi in uno dei nostri webinar.

Nei tempi passati del 2D (sia analogico che digitale) e, a causa del piano in cui operano, i controventi venivano spesso dimenticati finché non si scopriva che passavano davanti a una finestra (involontariamente) o bloccavano l'accesso a una porta. Quanti ricordano quelle situazioni?

Ora, con l'avvento del BIM, questi problemi di coordinamento sono praticamente scomparsi (si spera). L'adozione del Metodo degli Elementi Finiti ha portato anche a un uso più efficiente del materiale, e metodi di analisi più rigorosi consentono agli ingegneri di posizionare i sistemi di controventi dove funzioneranno meglio.

Nella sua forma più semplice, un controvento è un elemento che va da un punto a un altro. Può essere un controvento singolo o far parte di un sistema più ampio di controventi che forma uno schema. Naturalmente, esiste una grande varietà di sistemi di controventi utilizzati nelle strutture, dai tipici controventi a X fino a sistemi avanzati che rispettano i requisiti architettonici.

La formazione e l'esperienza di un ingegnere lo guidano solitamente a trovare posizioni e forme adeguate per i controventi. Questo può essere ulteriormente affinato con l'analisi. È durante questa analisi che effetti aggiuntivi, come le eccentricità, vengono assunti come trascurabili. Come sostengo sempre – un ingegnere ama mantenere le cose semplici.

Nell'analisi strutturale globale (telai 2D o 3D), si vedono travi, colonne e controventi che si incontrano tutti in un unico nodo. In realtà, questo non può essere il caso poiché è sempre presente una certa eccentricità. Questo può essere modellato anche con il Metodo degli Elementi Finiti e il BIM in modo che questi effetti vengano considerati – solitamente, uno spostamento verso l'alto/basso o sinistra/destra sarà sufficiente.

Leggi di più nel blog di Jan Kubicek sulle eccentricità strutturali e i loro problemi – Cosa succede se non va nella direzione giusta?

Tipi di collegamenti di controventi nelle strutture in acciaio

Ora, abbiamo una serie di controventi in grado di sopportare il carico di progetto – come li colleghiamo alla struttura principale? È qui che entra in gioco l'arte dei progettisti esecutivi e la loro conoscenza. Quali sono i limiti in questo caso? In parole povere, quanti tipi di collegamenti nelle strutture in acciaio il progettista ha memorizzato nel suo ippocampo, naturalmente la sua creatività, ma anche quali sono i limiti degli strumenti software utilizzati?

Esistono molti esempi di configurazioni tipiche che svolgono questo compito. La maggior parte non si distingue dalla massa, ma alcune sì. L'esempio seguente è tratto dal caso di studio e dal webinar Facade connections at Midland Metropolitan hospital.

Il cliente voleva valorizzare il sistema di controventi e ha utilizzato IDEA StatiCa per creare un collegamento funzionale e accattivante.

Questo sarebbe un ottimo esempio di come IDEA StatiCa potrebbe utilizzare sia un modello geometrico (BIM) da, ad esempio, Tekla Structures per ottenere il posizionamento degli elementi e le forme delle varie piastre, utilizzando gli effetti del carico tramite il Metodo degli Elementi Finiti da, ad esempio, SCIA Engineer (sono disponibili altre soluzioni CAD e FEM😊). Ma ehi, questo è davvero possibile!

Dettagli dei collegamenti di controventi in IDEA StatiCa

L'applicazione per la progettazione e la verifica normativa dei collegamenti IDEA StatiCa Connection è, naturalmente, pienamente in grado di gestire qualsiasi tipo di geometria e carico, a partire da collegamenti semplici come quelli per il tipico sistema di controventi a V. Il punto di forza rispetto, ad esempio, ai fogli di calcolo Excel è la rapida generazione della forma del dettaglio, la possibilità di ottimizzazione rapida, il pieno controllo visivo e, non da ultimo, l'analisi di instabilità!

Leggi di più sull'instabilità non solo per i collegamenti di controventi nell'articolo Buckling needs critical thinking! dell'autrice Jana Kaderova.

Oltre a quelli standard, la nostra applicazione ha dimostrato le sue capacità anche con collegamenti di livello avanzato. Qui entra in gioco la situazione in cui l'architetto realizza i suoi sogni, e l'ingegnere strutturale vive un incubo. Tali anelli centrali per controventi a X vengono utilizzati in molte varianti, da quelli standardizzati, prodotti e collaudati, a quelli completamente personalizzati che devono essere completamente analizzati e sottoposti a verifica normativa.

Nell'ambito dei controventi, vediamo anche una delle ragioni più frequenti per i messaggi al nostro helpdesk. Gli esempi precedenti mostrano anche un collegamento a bullone singolo dal controvento alla struttura. Come tale, questo elemento non può trasferire alcun momento, ma solo una forza normale e forze di taglio.

Nel software per collegamenti in acciaio IDEA StatiCa Connection, il parametro dell'elemento controvento denominato Tipo di modello deve essere modificato dal valore predefinito N-Vy-Vz-Mx-My-Mz a N-Vy-Vz (senza momenti). Altrimenti, si verificherà una singolarità a causa del meccanismo che si forma attorno al bullone.

Soluzione ampiamente verificata

Qualche giorno fa, nell'ambito del mio turno all'helpdesk, stavo risolvendo un problema con un collegamento che era standard/non standard. Dipende dal punto di vista. Il modello di collegamento era un semplice giunto K completamente saldato in sezioni cave (RHS), e il cliente discuteva della minore capacità portante di questo collegamento di controvento calcolata nell'applicazione Connection rispetto ai calcoli manuali.

In questa parte della storia, è importante sottolineare che la soluzione basata su CBFEM nel software è completamente verificata su più livelli, inclusi test di laboratorio e numerosi esempi utilizzati. Ciononostante, abbiamo risposto con un'ispezione approfondita del problema e fornendo un modello indipendente agli elementi finiti composto da elementi solidi 3D con comportamento elastoplastico geometricamente non lineare nel software midas FEA NX.

Le ipotesi per entrambi i modelli:

• Acciaio S355 – diagramma bilineare con incrudimento
• Analisi geometricamente e materialmente non lineare

In generale, i calcoli manuali forniti dalla normativa tendono ad essere piuttosto conservativi. In questo caso specifico, è il contrario, e la soluzione agli elementi finiti verificata due volte, che fornisce un modello preciso, mostra semplicemente una capacità inferiore di circa il 20% in entrambi i modelli numerici rispetto ai calcoli manuali. In conclusione, ciò è dovuto alle deformazioni spaziali e alla punzonatura della trave principale.

Inoltre, nel nostro Support center, tra l'elenco degli articoli di verifica e ricerca, ve ne sono alcuni che trattano esclusivamente i controventi.

Uno di questi, Sezioni cave rettangolari, include anche il preciso esempio del giunto K saldato progettato secondo l'Eurocode. Il lavoro mostra i risultati della ricerca sul confronto dei risultati dell'applicazione Connection rispetto al metodo tradizionale, in altre parole, la resistenza determinata con CBFEM rispetto al metodo FMM per il giunto K uniplanare SHS.

Per la normativa americana AISC, sono stati preparati alcuni esempi di verifica da Mahamid Mustafa nell'ambito di un progetto congiunto tra The University of Illinois in Chicago e IDEA StatiCa. Il testo Chevron Brace Connection in a braced frame (AISC), così come gli altri, rivela molto bene il concetto sicuro ma efficiente del metodo CBFEM.

La fine?

Grazie per aver dedicato del tempo alla lettura di questo articolo, e speriamo di rivedervi presto nel blog di IDEA StatiCa!

PS: Un quiz bonus 😊. Prova a contare quanti controventi in acciaio riesci a trovare nella nostra galleria di progetti campione!

3,2,1,...

... bene, ecco il elenco completo filtrato per il download, l'ispezione e l'utilizzo gratuito.