Costruzione moderna vs. aperture nelle travi
Questi condotti e tubazioni sono solitamente posizionati al di sotto dell'intradosso della trave e, per ragioni estetiche, vengono coperti da un controsoffitto, creando così uno spazio morto. Ad ogni piano, l'altezza di questo spazio morto si aggiunge all'altezza complessiva dell'edificio in funzione del numero e della profondità dei condotti.
Le aperture nell'anima consentono pertanto al progettista di ridurre l'altezza della struttura, in particolare nel caso di edifici alti. In altre parole, portano a una progettazione economicamente efficiente.
Concentrazione delle tensioni
La concentrazione delle tensioni si osserva in prossimità delle irregolarità geometriche, come un brusco cambiamento di sezione o le aperture. Questi elementi sono generalmente denominati intagli. Gli intagli determinano un aumento locale della tensione nominale, con conseguente distribuzione non uniforme del flusso di tensioni lungo la sezione trasversale. Il rapporto tra la tensione massima e quella nominale è detto fattore di concentrazione delle tensioni. Tale fattore dipende dalla posizione del carico e dalla geometria dell'intaglio. I valori venivano tradizionalmente ricavati sperimentalmente. Oggi si utilizza l'analisi agli elementi finiti (FEA) per determinare il fattore di concentrazione delle tensioni.
Aperture piccole vs. grandi nelle travi
Aperture piccole
Le aperture sono classificate come piccole o grandi e la posizione ottimale dell'apertura viene determinata in base alle sue dimensioni. Le aperture nell'anima possono assumere forme diverse: circolare, rettangolare, a rombo, triangolare, trapezoidale e persino forme irregolari. Tuttavia, le aperture circolari e rettangolari sono le più comuni.
Le aperture possono essere considerate grandi quando il loro diametro supera 0,25 volte l'altezza dell'anima. Quando l'apertura è sufficientemente piccola da mantenere il comportamento tipico di una trave (in altre parole, se si applica la teoria ordinaria delle travi), l'apertura può essere definita piccola.
Se il meccanismo resistente a flessione pura della trave non viene modificato dall'apertura, la flessione allo stato limite ultimo non risulta influenzata.
Tensione principale nel calcestruzzo e tensione nelle barre di armatura per un'apertura al centro della luce
In base alla teoria dell'elasticità, la tensione tangenziale massima si raggiunge in prossimità del baricentro della sezione trasversale. Grazie alla soluzione non lineare, il CSFM (Metodo del Campo di Tensioni Compatibile) consente di osservare la ridistribuzione delle tensioni verso le zone in cui è disponibile energia sufficiente per il trasferimento del carico. Ciò significa che le aperture in prossimità degli appoggi influenzano la capacità portante in misura maggiore rispetto alle aperture al centro della luce, dove agisce il momento flettente massimo.
Tensione principale nel calcestruzzo e tensione nelle barre di armatura per tre aperture nelle sezioni critiche a flessione e a taglio
Aperture grandi
La presenza di aperture grandi nelle travi in calcestruzzo armato richiede particolare attenzione nelle fasi di analisi e progettazione, a causa della riduzione sia della resistenza che della rigidezza della trave e della fessurazione eccessiva in corrispondenza dell'apertura dovuta all'elevata concentrazione delle tensioni. Nella pratica, le aperture sono collocate in prossimità degli appoggi, dove predomina il taglio.
Le sperimentazioni hanno dimostrato che una trave con armatura insufficiente e dettagli costruttivi inadeguati nella zona dell'apertura collassa prematuramente in modo fragile. Il meccanismo di collasso consiste chiaramente in quattro cerniere plastiche, una a ciascuna estremità dei correnti superiore e inferiore.
Le osservazioni sperimentali sul modo di collasso finale hanno portato allo sviluppo di un metodo di analisi per la previsione della resistenza ultima di una trave con un'apertura rettangolare grande. Esso si basa sull'analisi del carico di collasso, in cui i requisiti fondamentali di equilibrio, plasticizzazione e meccanismo sono soddisfatti simultaneamente.
Cerniere plastiche e fessure in prossimità delle cerniere plastiche
Analogamente a una trave con aperture piccole, l'inserimento di un'apertura grande nella zona di flessione pura di una trave non influenzerà la sua capacità a momento, a condizione che la profondità del blocco di tensioni di compressione ultimo sia inferiore o uguale alla profondità del corrente compresso e che il collasso per instabilità del corrente compresso sia prevenuto limitando la lunghezza dell'apertura, che deve essere analizzata con attenzione.
Analisi di instabilità, primo modo di instabilità e fattore critico
Riepilogo
Le aperture in travi, pareti e solette rappresentano il pane quotidiano degli ingegneri strutturali. Il mondo moderno richiede strutture trasparenti, alte e snelle, che offrono vantaggi sia dal punto di vista economico che ambientale. Una chiara comprensione del meccanismo di collasso e della sua prevenzione è fondamentale per realizzare strutture alte, trasparenti ed eleganti. Inoltre, consente di recuperare altezza strutturale per condotti, tubazioni e altri impianti.
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