Quando gli ingegneri si sfidano - 6 modi per progettare un collegamento in acciaio

I team erano composti da ingegneri strutturali provenienti da studi di ingegneria e da aziende di carpenteria metallica, e ciascuno era guidato da un progettista di collegamenti esperto. Dopo che i gruppi hanno presentato i loro progetti, noi di IDEA StatiCa abbiamo avuto l'opportunità di modellare i collegamenti con l'applicazione Connection. In questo modo, siamo stati in grado di analizzare i risultati immediatamente e discuterli insieme.

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

1 - Progettare un collegamento complesso trave-colonna con travi di bordo

Nella prima sfida di progettazione, ci siamo concentrati su un giunto che collega quattro elementi. Le forze interne e i profili hanno reso questo un compito di progettazione impegnativo, come dimostrato dalla varietà di soluzioni: ciascuno dei sei team ha adottato un approccio diverso. È proprio questo che rende questa professione così affascinante: non esiste mai un'unica soluzione corretta.

La sfida maggiore è emersa con il collegamento delle travi di bordo. Due sezioni cave rettangolari (180/180/6) dovevano essere collegate a una colonna (HEA160) o alla trave principale (IPE400). Combinato con i carichi imposti, questo ha creato una situazione di progetto difficile.

Di seguito è riportata una panoramica dei collegamenti, degli schizzi e dei modelli elaborati nel software per collegamenti in acciaio IDEA StatiCa. Discutiamo poi ciascun collegamento e mettiamo in evidenza i punti chiave emersi dalle discussioni e dai risultati.

Gruppo A

Il Gruppo A ha scelto di prolungare la colonna e collegare la trave principale (IPE400) con una piastra d'estremità. La sfida era principalmente nel collegare le travi di bordo in sezione cava rettangolare (RHS) alla colonna HEA160. Per questo è stato proposto un collegamento con piastra di nodo e due bulloni M36. Durante la modellazione in IDEA StatiCa, tuttavia, è emerso rapidamente che lo spazio disponibile era insufficiente per questa dimensione di bullone. Come hanno sottolineato gli esperti durante il workshop, è essenziale disegnare in scala per comprendere la producibilità di un collegamento.

Invece di un collegamento saldato diretto, il gruppo ha scelto di prolungare la piastra di collegamento attraverso una fessura nell'anima della colonna per trasferire meglio le forze e ridurre le tensioni nell'anima della colonna.

Nel calcolo del collegamento in IDEA StatiCa, si sviluppano grandi deformazioni plastiche nel collegamento delle travi di bordo. A causa dell'elevata forza assiale di compressione di 400 kN nelle travi di bordo e di un'eccentricità nella piastra di nodo, nel collegamento si genera un momento flettente. Utilizzando uno strumento di analisi agli elementi finiti come IDEA StatiCa, questo diventa rapidamente visibile attraverso le deformazioni che si producono.

Aumentando gli spessori delle piastre, il collegamento può soddisfare i requisiti. Con una piastra continua da 35 mm e 2x bulloni M33 8.8, si ottengono resistenza e rigidità sufficienti.

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

Gruppo B

Il Gruppo B aveva un collegamento simile, ma in questo caso la trave principale è stata prolungata. 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 al di sotto del limite del 5%.

Aumentando lo spessore delle piastre e garantendo 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 con l'utilizzo di 4x M24 8.8. Tuttavia, semplicemente rinforzare i bulloni non risolve il problema perché la verifica normativa è limitata dalla resistenza al rifollamento. Una soluzione alternativa è aumentare la classe dell'acciaio delle piastre di collegamento a S355. Ciò consente di ottenere risultati ottimali con solo incrementi minimi dello spessore delle piastre e della dimensione dei bulloni.

Gruppo C

Il Gruppo C ha un collegamento simile, ma a differenza dei gruppi A e B, è più adatto al carico orizzontale perché la piastra di nodo è ruotata di un quarto di giro. Ci troviamo nuovamente di fronte a un'eccentricità e incontriamo gli stessi problemi del Gruppo A. L'utilizzo di quattro bulloni invece di due rende il giunto più rigido, ma si osservano ancora elevate deformazioni plastiche e deformazioni. La saldatura della piastra di nodo all'irrigidimento e l'aumento degli spessori delle piastre contribuiscono a rendere il giunto più rigido, ma l'eccentricità sarà sempre presente.

Aumentando gli spessori delle piastre da 15 mm a 30 mm, il giunto può soddisfare i requisiti di progetto con 4x bulloni M24 8.8.

Questo tipo di giunto funziona in modo più sicuro senza eccentricità. Se un'eccentricità è inevitabile per ragioni pratiche, il collegamento sarà particolarmente adatto a trasferire una forza trasversale in una direzione, nella direzione in cui il collegamento è più rigido. La combinazione di un'eccentricità con una grande forza normale di compressione e una forza trasversale nella direzione debole del collegamento causerà la flessione laterale dell'elemento e il rischio di instabilità.

Analisi di instabilità

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

Ulteriori informazioni su questo argomento e su come IDEA StatiCa esegue l'analisi lineare di instabilità sono disponibili nel seguente articolo Instabilità globale vs. instabilità locale. Cosa significa?

Gruppo D

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

Poiché si tratta di un collegamento a taglio, il gruppo raccomanda l'utilizzo di un foro assolato nella piastra d'anima per evitare che forze eccessive vengano trasmesse attraverso il bullone durante la rotazione della trave. Ciò evita tensioni elevate nella piastra a labbro e nella parete della sezione cava rettangolare. Questa considerazione progettuale influisce anche sulla rigidezza rotazionale del giunto.

Analisi della rigidezza

Per determinare la rigidezza esatta del giunto, è possibile eseguire un'analisi della rigidezza con IDEA StatiCa. Il diagramma momento-rotazione viene generato e, in base all'Eurocodice, il giunto può essere classificato come completamente rigido, semi-rigido o cernierato.

Analizzando il collegamento della trave di copertura per il Gruppo D, IDEA StatiCa fornisce una rigidezza rotazionale classificata come Semi-rigida. Questa rigidezza può essere rappresentata nel modello strutturale globale utilizzando una rigidezza a molla rotazionale.

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

Gruppo E

Il Gruppo E ha prolungato la trave di copertura e l'ha posizionata sopra la colonna. Le travi di bordo sono state collegate alla trave di copertura con piastre d'estremità, garantendo che le forze vengano correttamente trasmesse nel giunto.

Per consentire il montaggio dei bulloni, il gruppo ha proposto un'apertura nella parete della sezione cava. Una soluzione ponderata, poiché la praticabilità è una preoccupazione fondamentale. Il taglio crea una diversa distribuzione delle tensioni nell'intaglio, ma applicando un'apertura circolare, le concentrazioni di tensione rimangono limitate.

Gruppo F

Come abbiamo visto, il collegamento delle travi di bordo crea sfide progettuali. Il Gruppo F le risolve sostituendo le travi di bordo con sezioni HEA160. Questo rende più facile collegare le travi alla colonna e fornisce spazio sufficiente per il montaggio dei bulloni. Il collegamento si comporta bene sotto compressione e le piastre d'estremità convogliano efficacemente le forze attraverso la colonna.

Tuttavia, le travi di bordo possono essere soggette anche a un carico di trazione di 400 kN. In questa combinazione di carico, il collegamento non è soddisfacente. Aumentando lo spessore delle piastre d'estremità da 15 mm a 20 mm, i requisiti di resistenza vengono soddisfatti e il collegamento risulta idoneo per carichi di trazione e di compressione.

Connection Library

Non sai come modellare un giunto in acciaio specifico? La Connection Library in IDEA StatiCa ti offre accesso immediato a decine di esempi pratici, aiutandoti a trovare la soluzione giusta più rapidamente. È una risorsa preziosa che molti ingegneri strutturali utilizzano come ispirazione nella progettazione di collegamenti in acciaio.

2 - Progettare un collegamento con piastra di base di colonna e controvento

La seconda sfida di progettazione riguarda un collegamento con piastra di base di colonna. Il controvento diagonale può essere realizzato con tre diversi profili ed è caricato con una forza di compressione di 500 kN. La colonna stessa è soggetta a una significativa forza di compressione di 2000 kN.

L'attenzione è rivolta al collegamento tra il diagonale e la colonna, nonché alla progettazione della piastra di base, inclusi gli ancoraggi e la fondazione. Sulla base degli schizzi e delle presentazioni forniti, i collegamenti sono stati modellati e analizzati in IDEA StatiCa. Ancora una volta, questo progetto dimostra che sono possibili molteplici soluzioni di collegamento: non esiste un'unica risposta corretta. Di seguito presentiamo una panoramica dei diversi progetti, inclusi i risultati di IDEA StatiCa. Discutiamo poi le principali considerazioni progettuali, affrontando i gruppi collettivamente anziché individualmente.

Collegamento controvento-colonna

Per il collegamento del controvento, tre gruppi (A, C, E) hanno scelto un collegamento con piastra d'estremità e troncone corto, mentre gli altri tre gruppi (B, D, F) hanno scelto un collegamento con piastra di nodo e bulloni.

Il progetto con collegamento a troncone corto garantisce il trasferimento diretto della forza di compressione senza complicazioni nel collegamento. Optando per 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 tensioni vengono ben trasmesse nella colonna, come si vede nelle soluzioni dei gruppi A, C ed E (vedi figura).

Al contrario, i Gruppi B, D ed F hanno scelto un collegamento con piastra di nodo. Questo ha previsto la rotazione della colonna di un quarto di giro in modo che il controvento possa essere collegato all'interno della colonna senza occupare troppo spazio. Tuttavia, in tal caso, la piastra di nodo è collegata direttamente, ma trasversalmente, all'anima della colonna e, a causa delle elevate forze di compressione, possono verificarsi picchi di tensione nell'anima della colonna. I calcoli in IDEA StatiCa mostrano che il progetto è appena entro i 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 il collegamento a piastra di nodo, è vantaggioso rendere il collegamento simmetrico e non far sporgere troppo le piastre, per le stesse ragioni discusse nella prima sfida progettuale. Il collegamento B presenta una configurazione asimmetrica, ma la piastra da 20 mm di spessore e l'utilizzo di sei bulloni resistono efficacemente al momento risultante, mantenendo le tensioni entro limiti accettabili.

Progettazione della piastra di base della colonna

Esistono anche importanti considerazioni nella progettazione della piastra di base e della fondazione in calcestruzzo. A causa delle elevate forze di compressione, è fondamentale che le tensioni 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 che le tensioni siano meglio distribuite.

La figura seguente confronta le tensioni nella piastra di base e le tensioni 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 tensioni si concentrano attorno al profilo della colonna invece di essere distribuite efficacemente. Di conseguenza, l'area di contatto effettiva sul calcestruzzo diventa troppo piccola, portando a tensioni di compressione che superano il limite ammissibile.

Fondazione della colonna

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

I calcoli in IDEA StatiCa mostrano che nessuno dei collegamenti è soddisfacente per la verifica normativa degli ancoraggi. Per impostazione predefinita, le forze di taglio sono impostate per essere trasmesse attraverso gli ancoraggi. Gli ancoraggi M20 risultano insufficientemente resistenti e non possono sopportare le forze di taglio. Al contrario, gli ancoraggi M30 8.8, in combinazione con una piastra rondella, sono sufficientemente resistenti per trasferire le forze di taglio. Tuttavia, la verifica normativa non è ancora soddisfacente, perché il problema non è nell'acciaio, ma nella rottura del calcestruzzo.

Le forze di taglio sugli ancoraggi causano la rottura per bordo del calcestruzzo, con gli ancoraggi che si estraggono dal calcestruzzo. IDEA StatiCa Connection calcola con calcestruzzo semplice, quindi la rottura del calcestruzzo a forze più elevate è inevitabile.

Se le forze non possono essere ridotte, rimangono quattro possibili soluzioni.

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

Come mostrato negli schizzi dei progettisti, solo il Gruppo E ha incluso l'armatura nel proprio progetto. Aggiungendo armatura in acciaio all'elemento in calcestruzzo, è possibile prevenire meccanismi di rottura come lo sfilamento del cono di calcestruzzo e la rottura per bordo del calcestruzzo.

Vuoi sapere come risparmiare tempo nella progettazione dell'armatura senza compromettere la sicurezza?

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• Oppure consulta questo tutorial di IDEA StatiCa su Ancoraggio caricato eccentricamente in Detail.

Considerazioni finali

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 identificare e discutere importanti considerazioni progettuali. Questo workshop dimostra che molti collegamenti possono essere progettati 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 il giunto si deformerà è un buon esperimento mentale per capire come si comporterà un giunto.

"L'immaginazione è più importante della conoscenza" disse un uomo di nome Albert Einstein. E questo vale certamente anche per la progettazione dei collegamenti in acciaio. Chiunque riesca a immaginare come appare un giunto, come verrà realizzato, se le proporzioni sono corrette, come scorreranno le forze e come si deformerà il collegamento è già un passo più vicino a diventare il miglior progettista di collegamenti in acciaio.