Piastra di nodo - qual è il problema?

Quando è necessario creare rapidamente un collegamento con piastra di nodo, cosa si fa? Si aggiunge semplicemente un pezzo rettangolare di lamiera alla trave principale e si collega l'elemento secondario a questa piastra. Ed è fatto. Quindi, qual è il problema?

Nessun problema quando 1. si collega un elemento sotto carico di trazione, 2. si ha spazio sufficiente per tutti i componenti del collegamento, e 3. non è necessario occuparsi dell'estetica del collegamento. Tutto diventa più complesso con la complessità dei collegamenti, con la compressione negli elementi e con la pressione sui costi e sull'aspetto visivo del lavoro. 

Tipologie di base delle disposizioni dei collegamenti con piastra di nodo

Nella figura seguente, possiamo vedere le tipiche disposizioni trasversali delle piastre di nodo nei collegamenti di strutture in acciaio. 

L'applicazione più comune delle piastre di nodo si trova nelle travi reticolari e nei sistemi di controvento laterale, dove gli elementi diagonali sono collegati tramite le piastre di nodo.

Cos'è la piastra di nodo e cos'è no

Per un occhio inesperto, potrebbe essere difficile individuare la piastra di nodo (o le piastre di nodo) tra tutti i componenti in acciaio del collegamento. Qualcuno potrebbe chiedersi: non è forse solo un altro irrigidimento? Ebbene, non lo è. 

• Le piastre di nodo sono le parti cruciali della struttura, attraverso le quali vengono trasmesse tutte le forze interne dagli elementi collegati.
• Mentre gli irrigidimenti sono parti importanti necessarie per la corretta rigidezza del collegamento e per evitare l'instabilità della piastra.
• In parole semplici, se la piastra di nodo cede, il disastro è nell'aria. Senza gli irrigidimenti, la struttura sopravvive (almeno per un certo tempo). 

Il termine piastra di nodo spesso entra sotto i riflettori solo dopo il crollo di una struttura o di una sua parte. Il crollo del ponte Interstate 35W nel 2007 è stato uno di questi sfortunati eventi.

In questo caso, il principale responsabile è stato identificato nella progettazione inadeguata delle piastre di nodo delle travi reticolari e nella mancanza di controllo di questi componenti del collegamento durante le innumerevoli ispezioni del ponte. Si era semplicemente assunto che le piastre di nodo non sarebbero state il punto più debole del progetto e che i collegamenti con piastra di nodo fossero più resistenti delle travi che confluivano nel collegamento. Purtroppo, non lo erano.

Le norme di progettazione ci forniscono alcune indicazioni su come verificare il progetto dei collegamenti con piastra di nodo. Alcuni esempi di norme con specifiche per le piastre di nodo:

• AISC 360-16 (Stati Uniti)
• CSA-S16-09 (Canada)
• EN 1993-1-8 (ambito europeo)

Queste indicazioni si basano su un approccio analitico, che è abbastanza semplice da applicare ma può richiedere molto tempo con l'aumentare del numero di tipologie di collegamento o delle alternative.

Elementi in trazione

I collegamenti degli elementi in trazione sono, diciamo, quelli più semplici. Ma l'ingegnere deve comunque eseguire una serie di verifiche sulle piastre di nodo. Ad esempio, la sezione di Whitmore deve essere verificata per le forze di trazione.

Come appare sulla carta:

E nella struttura reale:

Un'altra verifica riguarda la rottura per block shear in un collegamento, che coinvolge sia componenti di taglio che di trazione ed è specificata nell'AISC 360 Sez. J4.3. Come progettista del collegamento, è necessario verificare tutti i possibili percorsi di rottura a taglio nelle griglie di bulloni, come si può vedere nell'esempio riportato di seguito.

È possibile trovare un esempio ben preparato di valutazione della resistenza al block shear in questo articolo di verifica.

Elementi in compressione

Il progetto del collegamento con piastra di nodo può diventare uno "sport" completamente diverso quando si tratta di elementi in compressione. Dobbiamo ancora verificare tutte le rotture a taglio, ma il problema dell'instabilità inizia a svolgere un ruolo molto più importante. 

Un parametro cruciale nel progetto del collegamento di elementi in compressione è la possibilità o meno che l'elemento possa spostarsi fuori dal piano della piastra di nodo. Questo influenzerà il comportamento del meccanismo di rottura e la formazione delle cerniere plastiche nelle piastre. In IDEA StatiCa Connection, è possibile impostare questo comportamento per ogni singolo elemento semplicemente selezionando il corretto Tipo di modello.

Le modalità di rottura per queste due diverse situazioni sono mostrate nella figura seguente.

Questo potrebbe essere risolto anche con un approccio analitico, ma probabilmente si impiegherà molto tempo per ogni singola disposizione del collegamento. Più probabilmente, l'ingegnere risparmierà tempo prezioso semplicemente evitando questa situazione e aggiungendo alcuni irrigidimenti. È una soluzione comprensibile, ma costosa.

Utilizzare uno strumento intelligente che fornisca la verifica di stabilità per tali collegamenti è un'altra via. L'analisi di instabilità è una parte elementare dell'applicazione IDEA StatiCa Connection e fornisce le forme di instabilità e i fattori di carico per un numero di forme definito dall'utente.

Ricerca

Nello sviluppo di IDEA StatiCa, non c'è spazio per un approccio per tentativi ed errori. Tutti i metodi utilizzati nelle applicazioni e nei modelli di calcolo sono verificati su prove di strutture reali e ulteriormente analizzati in collaborazione con università di reputazione.

Una di queste ricerche è stata dedicata anche al progetto dei collegamenti con piastra di nodo. I risultati delle prove sono stati confrontati con la modellazione CBFEM con una correlazione molto buona. Qui è possibile trovare il nostro articolo di verifica con i risultati della ricerca.

Come essere efficaci e competitivi

Quali sono quindi le opzioni quando si ha la necessità di progettare i collegamenti in conformità con le norme, ma anche quando è necessario eseguire i propri progetti e verifiche non in mesi ma in settimane? Inoltre, è necessario essere flessibili per le revisioni durante il progetto e si vuole confrontare diverse disposizioni in un tempo ragionevole. Si desidera anche avere i propri collegamenti facilmente assemblabili e non eccessivamente costosi?

Si conosce già la risposta giusta: è necessario utilizzare strumenti del XXI secolo, che faranno la maggior parte del lavoro non creativo al posto nostro. Se vogliamo avere le mani davvero libere nella progettazione, il numero di opzioni si riduce significativamente. 

Si potrebbe semplicemente provare a utilizzare IDEA StatiCa Connection e si scoprirebbe che è tutto ciò di cui si ha bisogno per il lavoro. Oppure si può seguire il percorso di apprendimento standard: 

• Prima, utilizzare semplicemente alcuni fogli di calcolo Excel, 
• poi provare software di collegamento basati su fogli di calcolo più sofisticati, 
• quando si è ai limiti, trascorrere del tempo con esperimenti su qualcosa di ancora più sofisticato, 
• magari creare alcuni modelli a guscio dettagliati nelle proprie applicazioni FEA 
• e dopo tutti questi tentativi, optare comunque per l'applicazione IDEA StatiCa Connection.

Dopo questo percorso, si apprezzeranno appieno tutti i suoi vantaggi.  

Breve video tutorial dedicato al collegamento con piastre di nodo

Quando si tratta di stima dei costi, può essere davvero complicato calcolare il prezzo per ogni collegamento al giorno d'oggi. Nell'applicazione IDEA StatiCa, questa informazione emerge quasi come un piacevole effetto collaterale. In questo articolo, si trovano tutti i suggerimenti necessari su come utilizzare questa funzionalità.

Un altro utilizzo tipico delle piastre di nodo

Grazie all'arrivo della lavorazione CNC anche nelle officine di costruzione civile, le piastre di nodo sono uno dei principali modi per collegare non solo elementi in acciaio ma anche elementi in legno. Invece di sagomare complesse forme delle estremità degli elementi, si può semplicemente inserire una piastra in acciaio con fori. Gli elementi in legno vengono preparati con fori e scanalature realizzati a CNC, e il collegamento viene infine assemblato con perni e bulloni in acciaio.

Il livello successivo nell'evoluzione della progettazione strutturale consiste nel combinare i materiali strutturali e utilizzare al meglio le loro proprietà nel posto giusto. È così che sono nate le strutture ibride legno-acciaio. Oltre alla sua naturale bellezza visiva, ci sono molte altre ragioni per il suo utilizzo, come la riduzione dei costi, la minore necessità di protezione antincendio o la riduzione dell'impronta di carbonio.

Per coloro che sono interessati alla progettazione acciaio-legno, leggete di più sui collegamenti in legno risolti in IDEA StatiCa Connection nel nostro Support Center.

IDEA StatiCa è orgogliosa di essere in prima linea nella progettazione dei collegamenti e degli elementi strutturali. Se avete un'idea su come migliorare il progetto della piastra di nodo, fatecelo sapere.