La piastra di base è sufficientemente rigida?

Perché i fissaggi sono così importanti?

I fissaggi svolgono un ruolo cruciale nell'integrità e nella sicurezza degli elementi strutturali e non strutturali. Per questo motivo sono state sviluppate norme dedicate, come la EN1992-4. Esse affrontano le sfide dei collegamenti acciaio-calcestruzzo e forniscono un metodo di progettazione affidabile che garantisce una trasmissione sicura dei carichi tra elementi in acciaio e in calcestruzzo. La EN1992-4 copre vari tipi di elementi di fissaggio (elementi di fissaggio con testa gettati in opera, elementi di fissaggio meccanici e chimici post-installati), nonché diverse categorie di azioni.

La progettazione dei fissaggi per l'uso nel calcestruzzo

La progettazione dei fissaggi nel calcestruzzo, secondo la EN1992-4, per carichi statici/quasi-statici comporta molteplici verifiche normative:

Fig. 1  Verifiche normative per elementi di fissaggio a trazione

Fig. 2 Verifiche normative per elementi di fissaggio a taglio

Fig. 3 Verifiche normative per tenere conto dell'interazione tra carichi di trazione e taglio

Il processo di progettazione, come delineato nella norma (Fig.  1 - Fig.  3), richiede un approccio dettagliato per garantire che tutte le verifiche normative pertinenti siano soddisfatte. Ogni tipo di elemento di fissaggio richiede considerazioni specifiche. Ad esempio, gli ancoraggi meccanici si basano sull'interbloccaggio meccanico, mentre gli ancoraggi chimici dipendono dalle proprietà adesive del materiale legante. Il processo di progettazione deve tenere conto di queste differenze per garantire un collegamento affidabile.

Esaminiamo più da vicino una di queste verifiche normative. Prenderemo come esempio la resistenza caratteristica dell'elemento di fissaggio, o di un gruppo di elementi di fissaggio nel caso di rottura a cono nel calcestruzzo (Fig.  4), che mostra quanto sia sofisticato il modello di progettazione:

Fig.  4 La resistenza caratteristica dell'elemento di fissaggio, o di un gruppo di elementi di fissaggio nel caso di rottura a cono nel calcestruzzo

Nell'equazione sono inclusi quattro fattori per tenere conto di effetti quali lo spalling superficiale, la perturbazione della distribuzione delle tensioni, la presenza di armatura supplementare e altri. Ciò 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 degli ancoraggi, la profondità di infissione, l'armatura supplementare, ecc., influenzano la resistenza finale, ovvero il modo di rottura determinante per la combinazione di carico considerata. Questo dimostra che la progettazione dei collegamenti acciaio-calcestruzzo può essere piuttosto laboriosa e complessa se eseguita manualmente, poiché comporta numerosi calcoli e iterazioni per ottimizzare il progetto.

IDEA StatiCa Connection consente all'utente di progettare collegamenti acciaio-calcestruzzo utilizzando elementi di fissaggio meccanici post-installati o ancoraggi gettati in opera con piastre rondella. A seconda del tipo di ancoraggio, sono previste numerose verifiche normative da calcolare. La maggior parte delle verifiche normative elencate nelle Fig.  1 - Fig.  3 viene calcolata in IDEA StatiCa Connection sulla base dei dati inseriti dall'utente e dei parametri indicati nella norma. Alcune di esse non sono fornite in quanto richiedono fattori specifici del prodotto, basati su prove eseguite con una configurazione standardizzata e valutate secondo le specifiche tecniche armonizzate applicabili. Questi fattori si trovano nelle approvazioni tecniche come la Valutazione Tecnica Europea (ETA). Oltre ai fattori necessari per il calcolo della resistenza di progetto, nell'approvazione sono incluse altre caratteristiche importanti, come la distanza minima dal bordo c_min, l'interasse minimo degli ancoraggi s_min, l'altezza minima del blocco di calcestruzzo h_min, i coefficienti di sicurezza e altro ancora. Le informazioni sulle verifiche normative non fornite sono descritte nella scheda dei risultati come mostrato nella Fig.  5.

Fig.  5 Elenco delle verifiche normative che richiedono caratteristiche specifiche del prodotto

La rigidezza della piastra di base in acciaio

Oltre all'elenco delle verifiche normative richieste, la norma specifica regole aggiuntive che devono essere rispettate. Tra queste vi sono le regole per la derivazione delle forze agenti sugli elementi di fissaggio. Quando un momento flettente e/o una forza di trazione agisce su un dispositivo di ancoraggio, analogamente a quanto avviene in un collegamento acciaio-acciaio, possono insorgere forze di leva. Queste forze devono essere considerate nella progettazione della piastra di base, poiché ciò comporterà forze di trazione maggiori negli ancoraggi. Questo requisito è descritto nel Paragrafo 6.1 (4) e illustrato nella Fig. 6.1 b della EN1992-4:

Fig.  6 Paragrafo 6.1 (4) della EN1992-4

Fig.  7 Amplificazione delle forze di trazione agenti su un elemento di fissaggio a causa delle forze di leva C_pr

La norma fornisce indicazioni su come calcolare i carichi di trazione di progetto agenti su un elemento di fissaggio, a condizione che il dispositivo di ancoraggio sia sufficientemente rigido, il che significa che è valida l'ipotesi di distribuzione lineare delle deformazioni (come nella teoria delle travi). Tuttavia, se i requisiti stabiliti nel Paragrafo 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, poiché il calcolo con il metodo CBFEM consente di cogliere il comportamento flessionale della piastra di base, inclusa la rigidezza del profilo collegato, delle saldature e del plinto di fondazione (modellato utilizzando il modello di sottosuolo di Winkler). Nella sezione successiva esamineremo più da vicino l'influenza dello spessore della piastra sulle forze di trazione risultanti negli ancoraggi, sulle tensioni equivalenti nel pilastro e sulle tensioni di compressione nel blocco di calcestruzzo.

Alcuni esempi in IDEA StatiCa

Esaminiamo alcuni esempi che ho preparato 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 dei materiali rimangono le stesse 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, si tratta di una forza di trazione con N = 100 kN, e per il caso n. 2, si tratta di una forza di compressione con N = -100 kN. Queste ipotesi ci permetteranno di verificare facilmente l'influenza dei parametri sui risultati, ovvero le forze assiali degli elementi di fissaggio, la tensione equivalente nel pilastro e la tensione di compressione nel calcestruzzo. Il modello è mostrato nella Fig. 8 di seguito.

Fig.  8 Modello in IDEA StatiCa Connection

Iniziamo con il caso n. 1; ecco i risultati per gli esempi analizzati:

Fig.  9 Caso n. 1, spessore piastra di base = 10 mm, tensioni equivalenti

Fig.  10 Caso n. 1, spessore piastra di base = 10 mm, forze di trazione negli ancoraggi

Fig.  11 Caso n. 1, spessore piastra di base = 20 mm, tensioni equivalenti

Fig.  12 Caso n. 1, spessore piastra di base = 20 mm, forze di trazione negli ancoraggi

Fig.  13 Caso n. 1, spessore piastra di base = 30 mm, tensioni equivalenti

Fig.  14 Caso n. 1, spessore piastra di base = 30 mm, forze di trazione negli ancoraggi

Tab. 1 Riepilogo dei risultati per il caso n. 1 (N = 100 kN)

Come previsto, aumentando lo spessore della piastra, le forze di leva diminuiscono; con t_fix = 30 mm non sono presenti forze di leva e il carico è distribuito uniformemente tra tutti gli ancoraggi del gruppo. Confrontando le forze per gli ancoraggi più sollecitati del gruppo, si riscontra una differenza del 67% tra una piastra di base elastica (t_fix = 10 mm, N_Ed,1 = 27,9 kN) e una piastra di base rigida (t_fix = 30 mm, N_Ed,1 = 16,7 kN). La considerazione del comportamento flessionale della piastra di base in acciaio influisce anche sulla distribuzione delle tensioni nelle piastre collegate e nelle saldature che connettono gli elementi. Ciò mostra quanto sia importante la verifica della rigidezza della piastra di base nel processo di progettazione.

I risultati per il caso n. 2 mostrano l'influenza dello spessore della piastra sulla distribuzione della tensione di compressione nel calcestruzzo:

Caso n. 2, spessore piastra di base = 10 mm, tensioni equivalenti, tensione nel calcestruzzo

Fig.  16 Caso n. 2, spessore piastra di base = 20 mm, tensioni equivalenti, tensione nel calcestruzzo

Fig.  17 Caso n. 2, spessore piastra di base = 30 mm, tensioni equivalenti, tensione nel calcestruzzo

Tab. 2 Riepilogo dei risultati per il caso n. 2 (N = -100 kN)

Si può notare che all'aumentare dello spessore, la tensione si distribuisce in modo più uniforme, il che a sua volta riduce la tensione massima di compressione nel calcestruzzo.

Conclusioni

Con IDEA StatiCa Connection, l'utente può modellare con precisione il comportamento flessionale della piastra di base in acciaio e verificarne l'impatto sul collegamento modellato. Il software utilizza il metodo CBFEM per simulare la deformazione della piastra di base sotto gli effetti del carico assegnato. 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, oppure di confermare la correttezza dell'ipotesi di distribuzione lineare delle deformazioni stabilita dalla EN1992-4. Si tratta di una parte cruciale del processo di progettazione dei collegamenti acciaio-calcestruzzo, poiché anche piastre di base relativamente spesse potrebbero non soddisfare i requisiti di una piastra di base rigida, e omettere questa verifica potrebbe portare a una sottostima delle forze di trazione negli ancoraggi, come mostrato negli esempi precedenti.

…un'ultima cosa

Nell'ultima versione del nostro software, la Versione 24.0, è stata implementata una versione beta di un collegamento diretto tra IDEA StatiCa Connection e Detail. Ciò consente la verifica di plinti in calcestruzzo armato (SLU) utilizzando Detail 3D (basato sul metodo CSFM). Nel nostro centro di supporto è disponibile un tutorial passo dopo passo su come scambiare i dati tra i due programmi e su come avviare il calcolo nella nostra applicazione Detail.

Fig. 18 BIM Link tra IDEA StatiCa Connection e Detail (versione beta)

Ulteriori risorse

Per approfondire l'argomento:

Verifica normativa degli ancoraggi (EN)

Importazione dell'ancoraggio da Connection a Detail (BETA)

IDEA StatiCa Detail – Progettazione strutturale di discontinuità 3D in calcestruzzo | IDEA StatiCa

Per ulteriori informazioni sull'ultima versione, consultare le note di rilascio per tutti i dettagli. 

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