Quando gli ingegneri si sfidano - 6 modi per progettare una connessione in acciaio

Le squadre erano composte da ingegneri strutturali di società di ingegneria e produttori di acciaio, e ciascuna era guidata da un progettista di connessioni esperto. Dopo che i gruppi hanno presentato i loro progetti, noi di IDEA StatiCa abbiamo avuto l'opportunità di modellare le connessioni con l'applicazione Connection. In questo modo abbiamo potuto analizzare immediatamente i risultati e discuterne insieme.

Di seguito spieghiamo i progetti e i risultati in modo più dettagliato. L'articolo è diviso in due parti, una per ogni sfida di progettazione di connessioni in acciaio.

1 - Progettazione di una connessione complessa colonna-trave con travi di bordo

Nella prima sfida progettuale ci siamo concentrati su un giunto che collega quattro elementi. Le forze interne e i profili hanno reso il compito di progettazione impegnativo, come dimostra la varietà di soluzioni: ognuno dei sei team ha adottato un approccio diverso. È proprio questo che rende questa professione così affascinante: non c'è mai una soluzione giusta.

La sfida più grande si è presentata con il collegamento delle travi di bordo. Due sezioni cave rettangolari (180/180/6) dovevano essere collegate a una colonna (HEA160) o a una trave principale (IPE400). In combinazione con i carichi imposti, questo ha creato una situazione progettuale difficile.

Di seguito viene presentata una panoramica delle connessioni, degli schizzi e dei modelli elaborati nel software per le connessioni in acciaio IDEA StatiCa. Discutiamo poi di ogni connessione ed evidenziamo i punti chiave delle discussioni e dei risultati.

Gruppo A

Il gruppo A ha scelto di estendere la colonna e di collegare la trave (IPE400) con una piastra terminale. La sfida consisteva principalmente nel collegare le travi di bordo RHS alla colonna HEA160. Per questo, è stata proposta una connessione a piastra con due bulloni M36. Durante la modellazione in IDEA StatiCa, tuttavia, è apparso subito evidente che lo spazio non era sufficiente per questa dimensione di bulloni. Come sottolineato dagli esperti durante il workshop, è essenziale disegnare in scala per capire la producibilità di una connessione.

Invece di una connessione saldata diretta, il gruppo ha scelto di estendere la piastra di collegamento attraverso una scanalatura nell'anima della colonna per trasferire meglio le forze e ridurre le sollecitazioni nell'anima della colonna.

Quando si calcola la connessione in IDEA StatiCa, si verificano grandi deformazioni plastiche nella connessione delle travi di bordo. A causa dell'elevata forza di compressione assiale di 400 kN nelle travi di bordo e di un'eccentricità nella piastra del fazzoletto, si verifica un momento flettente nella connessione. Utilizzando uno strumento di analisi agli elementi finiti come IDEA StatiCa, questo fenomeno diventa rapidamente visibile attraverso le deformazioni che si verificano.

Aumentando lo spessore delle piastre, la connessione può soddisfare i requisiti. Con una piastra continua da 35 mm e 2 bulloni M33 8,8 si ottiene una resistenza e una rigidità sufficienti.

Sebbene la soluzione sia soddisfacente, vale la pena considerare la possibilità di evitare l'eccentricità, probabilmente più efficiente dal punto di vista strutturale.

Gruppo B

Il gruppo B presenta un collegamento simile, ma in questo caso la trave principale è stata estesa. La scelta di un collegamento simmetrico delle travi a sezione cava quadrata (SHS) evita il momento flettente aggiuntivo. Con gli spessori di piastra prescritti, la deformazione plastica è appena inferiore al limite del 5%.

Con l'ispessimento delle piastre e la presenza di saldature sufficienti, è possibile resistere alla combinazione di compressione assiale e taglio orizzontale, mantenendo la deformazione plastica al di sotto del 5%.

Solo i bulloni non sono ancora soddisfacenti quando si usano 4x M24 8.8. Tuttavia, il semplice rinforzo dei bulloni non risolve il problema perché la verifica del codice è limitata dalla resistenza dei cuscinetti. Una soluzione alternativa consiste nell'aumentare la classe diell'acciaio delle piastre di collegamento a S355. Ciò consente di ottenere risultati ottimali con un aumento minimo dello spessore della piastra e delle dimensioni dei bulloni.

Gruppo C

Il gruppo C presenta una connessione simile, ma a differenza dei gruppi A e B, è più adatto per il carico orizzontale perché la piastra del soffietto è ruotata di un quarto di angolo giro. Anche in questo caso si tratta di un'eccentricità e si riscontrano gli stessi problemi del gruppo A. L'uso di quattro bulloni invece di due rende il giunto più rigido, ma si riscontrano ancora elevate deformazioni plastiche. La saldatura della piastra di rinforzo all'irrigidimento e l'aumento dello spessore della piastra contribuiscono a rendere il giunto più rigido, ma l'eccentricità sarà sempre presente.

Aumentando lo spessore delle piastre da 15 mm a 30 mm, il giunto può soddisfare i requisiti di progetto con 4 bulloni M24 8,8.

Questo tipo di giunto funziona in modo più sicuro senza eccentricità. Se un'eccentricità è inevitabile per motivi pratici, la connessione sarà particolarmente adatta a trasferire una forza trasversale in una direzione, nella direzione in cui la connessione è più rigida. La combinazione di un'eccentricità con una grande forza normale di compressione e una forza trasversale nella direzione debole della connessione causerà la flessione dell'elemento e il rischio di instabilità.

Analisi dell'instabilità

Per valutare correttamente questo rischio, è opportuno eseguire un'ulteriore analisi di instabilità. Con IDEA StatiCa è possibile eseguire un'analisi di instabilità lineare, che mostra che per le piastre con spessore insufficiente può verificarsi una forma di instabilità simile all'instabilità globale. In base al corrispondente fattore di instabilità, questo può essere interpretato come un cedimento per instabilità.

Maggiori informazioni su questo aspetto e su come IDEA StatiCa esegue l'analisi di buckling lineare sono disponibili nel seguente articolo Global buckling vs. local buckling. Cosa significa?

Gruppo D

Il gruppo D adotta un approccio diverso e i problemi riscontrati nei primi tre gruppi vengono direttamente evitati continuando le travi di bordo. L'IPE400 è collegato alla colonna parzialmente continua con una piastra terminale e alla trave di bordo con una piccola piastra a labbro. I risultati mostrano che il collegamento si comporta in modo costruttivo e che le forze vengono trasmesse in modo efficiente.

Poiché si tratta di una connessione a taglio, il gruppo raccomanda di utilizzare un foro asolato nella piastra a labbro per evitare che una forza eccessiva venga trasmessa attraverso il bullone durante la rotazione della trave. In questo modo si evitano sollecitazioni elevate nella piastra a labbro e nella parete a sezione cava rettangolare. Questa considerazione progettuale influisce anche sulla rigidità rotazionale del giunto.

Analisi della rigidità

Per determinare l'esatta rigidità del giunto, è possibile eseguire l'analisi di rigidezza con IDEA StatiCa. Viene generato il diagramma momento-rotazione e, in base all'Eurocodice, il giunto può essere classificato come completamente rigido, semirigido o bloccato.

Analizzando la connessione della trave del tetto per il Gruppo D, IDEA StatiCa fornisce una rigidità rotazionale che viene considerata semi-rigida. Questa rigidità può essere rappresentata nel modello strutturale globale utilizzando una rigidità rotazionale a molla.

Tuttavia, se è necessario un collegamento semplice, il dettaglio deve essere modificato in modo che il collegamento sia effettivamente classificato come " Pinned". Come mostrato nella figura seguente, nella situazione (2) è stata realizzata una cerniera abbassando la fila di bulloni superiore.

Gruppo E

Il Gruppo E ha esteso la trave del tetto e l'ha posizionata sopra la colonna. Le travi di bordo sono state fissate alla trave del tetto con piastre di estremità, assicurando che le forze siano trasmesse correttamente nel giunto.

Per consentire il montaggio dei bulloni, il gruppo ha proposto un ritaglio nella parete a sezione cava. Una soluzione ponderata, dal momento che la praticità è una delle principali preoccupazioni. Il taglio crea una diversa distribuzione delle sollecitazioni nell'intaglio, ma applicando un taglio rotondo, le concentrazioni di sollecitazioni rimangono limitate.

Gruppo F

Come abbiamo visto, il collegamento delle travi di bordo crea problemi di progettazione. Il Gruppo F le risolve sostituendo le travi di bordo con sezioni HEA160. Questo facilita il collegamento delle travi alla colonna e offre spazio sufficiente per il montaggio dei bulloni. La connessione si comporta bene in compressione e le piastre terminali incanalano efficacemente le forze attraverso la colonna.

Tuttavia, le travi di bordo possono anche essere sottoposte a un carico di trazione di 400 kN. In questo caso di carico, la connessione non è soddisfacente. Aumentando lo spessore delle piastre di estremità da 15 mm a 20 mm, i requisiti di resistenza sono soddisfatti e la connessione è adatta a carichi di trazione e compressione.

Biblioteca delle connessioni

Non siete sicuri di come modellare uno specifico giunto in acciaio? La Connection Library di IDEA StatiCa vi dà accesso immediato a decine di esempi pratici, aiutandovi a trovare più rapidamente la soluzione giusta. È una risorsa preziosa che molti ingegneri strutturali utilizzano come ispirazione per la progettazione di connessioni in acciaio.

2 - Progettare una connessione alla base di una colonna con controventatura

La seconda sfida progettuale riguarda una connessione alla base di una colonna. La controventatura diagonale può essere realizzata in tre diversi profili e viene caricata con una forza di compressione di 500 kN. La colonna stessa subisce una forza di compressione significativa di 2000 kN.

L'attenzione si concentra sul collegamento tra la diagonale e la colonna, nonché sulla progettazione della piastra di base, compresi gli ancoraggi e la fondazione. Sulla base degli schizzi e delle presentazioni presentate, i collegamenti sono stati modellati e analizzati in IDEA StatiCa. Ancora una volta, questo progetto dimostra che sono possibili più soluzioni di connessione: non esiste un'unica risposta corretta. Di seguito presentiamo una panoramica dei diversi progetti, compresi i risultati di IDEA StatiCa. Discutiamo quindi le principali considerazioni sul progetto, affrontando i gruppi collettivamente piuttosto che singolarmente.

Bretella di collegamento alla colonna

Per la connessione del controvento, tre gruppi (A, C, E) hanno scelto una piastra terminale con connessione a stub, mentre gli altri tre gruppi (B, D, F) hanno scelto una piastra a soffietto con connessione a bulloni.

Il design della connessione stub consente il trasferimento diretto della forza di compressione senza complicazioni nella connessione. Scegliendo un profilo HEA, il montaggio dei bulloni è facilmente realizzabile e l'anima dell'elemento diagonale è allineata con l'anima della colonna. Di conseguenza, le sollecitazioni sono ben trasmesse alla colonna, come si vede nelle soluzioni dei gruppi A, C ed E (vedi figura).

Al contrario, i gruppi B, D e F hanno scelto una connessione a piastra Gusset. In questo caso si è pensato di ruotare la colonna di un quarto di giro in modo da poter collegare il controvento all'interno della colonna senza occupare troppo spazio. Tuttavia, in questo caso, la piastra di rinforzo è collegata direttamente, ma trasversalmente, all'anima della colonna e, a causa delle elevate forze di compressione, possono verificarsi picchi di sollecitazione nell'anima della colonna. I calcoli di IDEA StatiCa mostrano che il progetto è appena entro limiti accettabili, ma l'ingegnere strutturale deve rimanere cauto. Se l'anima inizia a deformarsi plasticamente, è consigliabile ruotare la colonna, aumentare lo spessore dell'anima o aggiungere irrigidimenti.

Nei progetti con connessione a piastra di rinforzo, è vantaggioso rendere la connessione simmetrica e non lasciare che le piastre sporgano troppo, per le stesse ragioni discusse nella prima sfida progettuale. La connessione B presenta una disposizione asimmetrica, ma la piastra di 20 mm di spessore e l'uso di sei bulloni resistono efficacemente al momento risultante, mantenendo le sollecitazioni entro limiti accettabili.

Progettazione della piastra di base della colonna

Anche la progettazione della piastra di base e della fondazione in calcestruzzo richiede considerazioni importanti. A causa delle elevate forze di compressione, è fondamentale che le sollecitazioni siano ben distribuite attraverso la piastra di base nel calcestruzzo. Ciò può essere ottenuto scegliendo una piastra più spessa e rendendola più larga del profilo della colonna, in modo da distribuire meglio le sollecitazioni.

La figura seguente confronta le sollecitazioni nella piastra di base e le sollecitazioni di contatto nel calcestruzzo per una piastra di base di 40 mm e 10 mm di spessore. Se la piastra di base è troppo sottile, le sollecitazioni si concentrano intorno al profilo della colonna invece di essere distribuite in modo efficace. Di conseguenza, l'area di contatto effettiva sul calcestruzzo diventa troppo piccola, con conseguenti sollecitazioni di compressione che superano il limite consentito.

Fondazione della colonna

Vediamo diverse soluzioni di fondazione, con o senza giunto di malta, e ancoraggi con o senza piastre di rondella. Gli ancoraggi utilizzati vanno da M20 a M30.

I calcoli in IDEA StatiCa mostrano che nessuna delle connessioni è soddisfacente per la verifica degli ancoraggi. Come impostazione predefinita, le forze di taglio vengono trasmesse attraverso gli ancoraggi. Gli ancoraggi M20 non sono sufficientemente resistenti e non possono sopportare le forze di taglio. Al contrario, gli ancoraggi M30 8.8, in combinazione con una piastra a rondella, sono sufficientemente resistenti per trasferire le forze di taglio. Tuttavia, la verifica del codice non è ancora soddisfacente, perché il problema non è più l'acciaio, ma il cedimento del calcestruzzo.

Le forze di taglio sugli ancoraggi causano il cedimento del bordo del calcestruzzo, con la rottura degli ancoraggi dal calcestruzzo. IDEA StatiCa Connection calcola con calcestruzzo non rinforzato, quindi il cedimento del calcestruzzo a forze più elevate è inevitabile.

Se non è possibile ridurre le forze, rimangono quattro possibili soluzioni.

1. Ottimizzare il trasferimento della forza di taglio aggiungendo un capocorda. In questo modo, tutto il taglio viene trasferito dalla chiave di taglio e si evita il cedimento degli ancoraggi e la rottura del calcestruzzo.
2. Trasferire le forze di taglio attraverso l' attrito piuttosto che attraverso gli ancoraggi. L'elevata forza di compressione nella colonna fornisce una resistenza sufficiente all'attrito.
3. Modificare il blocco di calcestruzzo. Aumentando la distanza dal bordo o la classe di calcestruzzo, si riduce la probabilità di rottura del calcestruzzo.
4. Progettare un'armatura supplementare nel blocco di calcestruzzo. In questo modo, l'armatura in acciaio resiste alle forze di trazione e impedisce il distacco del calcestruzzo. Questa soluzione può essere modellata e analizzata con IDEA StatiCa 3D Detail.

Come mostrato negli schizzi dei progettisti, solo il Gruppo E ha incluso l'armatura nel proprio progetto. Aggiungendo un'armatura in acciaio all'elemento in calcestruzzo, si possono prevenire meccanismi di rottura come il distacco del cono di calcestruzzo e il cedimento del bordo del calcestruzzo.

Siete curiosi di sapere come risparmiare tempo nella progettazione delle armature senza compromettere la sicurezza?

• Guardate questo webinar sull'utilizzo delle armature nella progettazione degli ancoraggi.
• Oppure guardate questo tutorial di IDEA StatiCa sull'ancoraggio con carico eccentrico in dettaglio.

Parola finale

I collegamenti in acciaio sono stati progettati da 6 gruppi, modellati in IDEA StatiCa e discussi con ingegneri strutturali esperti. Utilizzando IDEA StatiCa, siamo stati in grado di analizzare i risultati in dettaglio e di identificare e discutere importanti considerazioni progettuali. Questo workshop dimostra che molte connessioni possono essere progettate in un numero infinito di modi e che non esiste mai un'unica soluzione corretta. Abbiamo sperimentato l'importanza di disegnare in scala e di seguire il percorso delle forze nel collegamento. Analizzare le rigidezze e visualizzare come si deformerà il giunto è un buon esperimento di riflessione per capire come si comporterà un giunto.

"L'immaginazione è più importante della conoscenza" disse una volta Albert Einstein. E questo vale certamente anche per la progettazione delle connessioni in acciaio. Chiunque riesca a immaginare l'aspetto di un giunto, come verrà realizzato, se le proporzioni sono giuste, come scorreranno le forze e come si deformerà la connessione è già un passo avanti per diventare il miglior progettista di connessioni in acciaio.