Progettazione dei fissaggi per trasmettere azioni al calcestruzzo: come coordinare meglio i progettisti di acciaio e calcestruzzo

Per capire perché questo è importante, analizziamo la realtà della progettazione dei fissaggi oggi.

Quando le piastre di base sono posizionate in prossimità di bordi o sono soggette a combinazioni complesse di tensione e taglio, la verifica dell'ancoraggio secondo gli standard di progettazione come la EN 1992-4 diventa difficile. In molti casi, l'armatura deve essere considerata come parte della verifica. Queste verifiche vengono solitamente eseguite da un altro ingegnere, in genere lo specialista del calcestruzzo.

In pratica, il progettista dell'acciaio definisce i carichi, la disposizione degli ancoraggi, lo spessore della piastra di base e gli irrigidimenti necessari, mentre il progettista del calcestruzzo esegue una verifica separata del blocco di calcestruzzo e della sua armatura. Con l'evoluzione dei progetti, è inevitabile che si verifichino cambiamenti nella geometria o nella distribuzione dei carichi. Ogni modifica innesca un altro ciclo di riprogettazione e un altro ciclo di comunicazione tra i team, spesso complicato da uno scambio di dati incoerente, da revisioni poco chiare e da una mancata corrispondenza delle priorità temporali dei progettisti.

Inoltre, il comportamento rigido o flessibile della piastra di base influenza le tensioni nel calcestruzzo. E anche se il progettista dell'acciaio vuole verificare in accordo al codice dell'armatura in modo indipendente, senza affidarsi al team del calcestruzzo, spesso non dispone di informazioni sulle forze aggiuntive a cui l'elemento in calcestruzzo deve resistere, soprattutto quando viene ancorato a pareti, travi o colonne.

Per evitare frustranti ritardi e cicli di coordinamento, gli ingegneri spesso sovradimensionano la progettazione di questi dettagli, applicando ipotesi conservative invece di catturare il comportamento reale.

Cosa succederebbe se entrambe le parti potessero progettare e verificare i sistemi di ancoraggio nello stesso ambiente, in modo trasparente, accurato e senza aspettare le ipotesi dell'altro?

L'ancoraggio dal punto di vista dell'ingegnere dell'acciaio

Tradizionalmente, la verifica di un'armatura supplementare richiede una conoscenza approfondita del metodo "strut-and-tie", soprattutto nei casi più complessi, e un senso intuitivo del flusso di tensioni nel calcestruzzo. Si tratta di una conoscenza che deriva solo da anni di esperienza, ma con il Compatible Stress Field Method (3D CSFM)  in IDEA StatiCa Detail, la progettazione diventa intuitiva e basata sul codice. Come ingegnere strutturale che si occupa principalmente della progettazione dell'acciaio, non è necessario essere uno specialista del calcestruzzo armato per prendere in considerazione un'armatura supplementare.

Seguendo le regole di dettaglio dell'armatura, posso modellare un blocco in cemento armato che include barre supplementari e verificare che:

• la classe del calcestruzzo (C12/15, C20/25, ecc.) sia adeguata al progetto,
• il calcestruzzo contenga l'armatura minima A_s,min,
• sia previsto un ancoraggio, un copriferro e un'aderenza adeguata
• le barre di armatura supplementare siano posizionate entro i limiti raccomandati (ad esempio, ancorate al di fuori del corpo di rottura ipotizzato, posizionate a una distanza < 0,75-c₁ dall'elemento di fissaggio, ecc.)

Innanzitutto, verifico la parte relativa alla normativa in acciaio in IDEA StatiCa Connection, quindi lo esporto in IDEA StatiCa Detail.

Una volta introdotta l'armatura nel modello, IDEA StatiCa esegue il calcolo CSFM 3D, mostrando esattamente come l'armatura contribuisce alla capacità in base alla rigidezza della piastra di base e assicurando che il progetto soddisfi tutti i requisiti del codice.

Questo significa che posso preparare una proposta di armatura conforme al codice. Sono immediatamente in grado di vedere quale armatura è necessaria perché il progetto superi le verifiche e decidere se modificarlo o finalizzarlo. Invece di aspettare un riscontro o di basarmi su ipotesi, posso verificare immediatamente se il mio progetto di ancoraggio è in grado di sostenere i carichi applicati con un'armatura supplementare o se io, in quanto progettista dell'acciaio, devo perfezionare ulteriormente il mio modello.

In questo modo, sono in grado di presentare al progettista del calcestruzzo una proposta che riflette già un comportamento realistico e i requisiti di armatura. Il progettista del calcestruzzo finalizza quindi l'armatura nel contesto degli altri carichi che agiscono sulla struttura.

L'ancoraggio dal punto di vista dell'ingegnere del calcestruzzo

In qualità di ingegnere del calcestruzzo, il mio compito è quello di garantire che la struttura trasferisca in modo sicuro i carichi dalla connessione in acciaio al calcestruzzo, senza che si verifichino cedimenti del calcestruzzo. Per farlo, devo innanzitutto comprendere la distribuzione delle tensioni in prossimità dell'ancoraggio, verificare le potenziali rotture e assicurarmi che l'armatura sia posizionata e ancorata correttamente per trasferire il carico della parte in acciaio. Questo può essere impegnativo, soprattutto quando non so se la piastra di base si comporta in modo rigido o flessibile, e gli elementi ancorati sono posizionati vicino ai bordi, o più elementi sono ancorati al blocco di calcestruzzo. Piccoli cambiamenti nella geometria o nella distribuzione del carico possono alterare completamente il comportamento.

Con IDEA StatiCa Detail (3D) e il metodo 3D CSFM, posso visualizzare come le sollecitazioni si propagano nel calcestruzzo, identificare le aree critiche e verificare l'armatura. Invece di affidarmi a formule o ipotesi semplificate, vedo esattamente come l'armatura previene le rotture del calcestruzzo.

A seconda del flusso di lavoro, posso ricevere i dati direttamente dal progettista dell'acciaio, comprese le forze interne esportate da IDEA StatiCa Connection (basta avere anche la licenza per Detail o Concrete). Quando ricevo il file, posso semplicemente aprirlo, rinforzare il calcestruzzo in base alle forze interne, eventualmente aggiungere altri carichi se necessario, e controllarlo tramite codice in base a:

Resistenza del calcestruzzo a compressione

\[\sigma_{c,eq} = \sigma_{c3} - \sigma_{c1} < f_{cd}\]

Tensione di aderenza τ_b

\[\frac{τ_{b}}{f_{bd}}\le 1\]

dove

\[f_{bd} = 2,25 \cdot η_1\cdot η_2\cdot f_{ctd}\]

e la Resistenza dell'armatura

\(σ_{s,lim} = \frac{k \cdot f_{yk}}{γ_s}\qquad\qquad\textsf{\small{per diagramma bilineare con ramo superiore inclinato}}\)

\(σ_{s,lim} = \frac{f_{yk}}{γ_s}\qquad\qquad\,\,\,\,\textsf{\small{per diagramma bilineare con ramo superiore orizzontale}}\)

In alternativa, se ricevo solo le forze risultanti che agiscono sul piedistallo, posso partire da zero. Posso modellare uno stub che rappresenti una breve porzione di colonna in acciaio al di sopra della piastra di base. Lo stub trasferisce l'intera serie di forze interne (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz) al basamento in modo fisicamente realistico, assicurando che la ridistribuzione del carico attraverso la piastra, gli ancoraggi e il calcestruzzo rifletta la rigidezza e il comportamento reali. In questo modo, posso progettare con sicurezza e precisione l'armatura in calcestruzzo partendo da zero.

Cosa portiamo in IDEA StatiCa 25.1 per entrambi i lati della progettazione

Con la versione 25.1, stiamo colmando il divario tra i team dell'acciaio e del calcestruzzo quando si tratta di progettare gli ancoraggi. L'obiettivo era semplice: consentire a entrambe le parti di modellare, verificare e comunicare utilizzando gli stessi dati e la stessa comprensione del comportamento effettivo dei progetti. Niente attese, niente congetture, solo una collaborazione trasparente basata su analisi realistiche.

Riconosciamo inoltre che l'ancoraggio è molto più di una semplice armatura supplementare. Gli ingegneri hanno spesso bisogno di utilizzare tipi di ancoraggio specifici richiesti da varie parti interessate (piastre a rondella, ancoraggi a uncino, headed studs e armature), tutti disponibili nelle applicazioni di IDEA StatiCa.

L'insieme di questi miglioramenti offre un flusso di lavoro più completo e tecnicamente coerente per i progettisti di acciaio e calcestruzzo. Guarda la gamma di soluzioni dell'ancoraggio acciaio-calcestruzzo qui, e guarda la registrazione del webinar qui sotto per vedere come gestire l'ancoraggio complesso dei pilastri con un progetto reale di una torre in Danimarca.