Instabilità flesso-torsionale

Cos'è l'instabilità flesso-torsionale e quali sono le sue cause?

L'instabilità flesso-torsionale (LTB) è la deformazione di una trave non vincolata lateralmente dovuta ai carichi applicati lontano dal suo asse longitudinale – comprendente sia spostamento laterale che torsione.

Le travi in acciaio non vincolate lateralmente sono travi la cui ala compressa è libera di spostarsi (o traslare) in direzione laterale e anche di ruotare. Se applichiamo questa teoria a una trave semplicemente appoggiata, l'ala compressa è l'ala superiore. Man mano che questa ala si deforma lateralmente, l'ala tesa cerca di mantenere la trave dritta e genera forze "di ripristino" dovute alla flessione laterale della trave. Tuttavia, queste forze da sole non riescono a mantenere la trave dritta. La resistenza della trave all'instabilità flesso-torsionale è determinata dalle forze di ripristino e dalla componente laterale delle forze di trazione nell'ala tesa.

L'interazione tra le ali compressa e tesa costringe una trave non vincolata a torcersi. La resistenza a questa torsione dipende dalla resistenza torsionale della sezione della trave. Le travi con ali di spessore maggiore, ad esempio, hanno una resistenza torsionale superiore rispetto a quelle con ali di spessore minore, a parità di altezza. Esistono anche altre sezioni che offrono una maggiore resistenza (RHS/SHS) e queste vengono spesso utilizzate in situazioni in cui è necessario coprire luci relativamente ampie per sostenere il carico verticale (ad esempio aperture con porte a soffietto), che sono soggette a effetti di forze fuori piano.

Per vedere come si propaga la rottura per instabilità flesso-torsionale, guarda questo video.

Quali fattori influenzano l'instabilità flesso-torsionale?

Ci sono tre fattori principali:

1. Posizione del carico applicato
2. Distribuzione del momento flettente
3. Condizioni di vincolo alle estremità

Posizione dei carichi applicati

L'effetto dell'instabilità flesso-torsionale è governato dalla distanza tra il punto di applicazione del carico e il centro di taglio della sezione della trave. La sezione è più soggetta all'instabilità flesso-torsionale se il carico è applicato al di sopra del centro di taglio. L'effetto è minore se il carico è applicato lungo il centro di taglio, e se applicato al di sotto, la trave ha poche probabilità di subire instabilità flesso-torsionale.

[Approfondimento] Il centro di taglio è un punto della sezione della trave in cui i carichi applicati non causano torsione. Dipende dalla sezione trasversale. Il centro di taglio e il baricentro coincidono in una sezione simmetrica. Potrebbero non coincidere in una sezione asimmetrica. Il calcolo del centro di taglio per una data sezione comporta un po' di matematica, ma fortunatamente gli ingegneri utilizzano software e dispongono di tabelle di riferimento!

Distribuzione del momento flettente

Una sezione con un momento flettente uniforme lungo la sua lunghezza ha una resistenza all'instabilità inferiore rispetto a una diversa distribuzione del momento flettente.

Condizioni di vincolo alle estremità

La resistenza all'instabilità flesso-torsionale di una sezione della trave aumenta man mano che i vincoli alle estremità diventano più rigidi. Si consideri una trave appoggiata su una piastra di appoggio rispetto a una trave annegata in una parete di calcestruzzo. Quest'ultima ha un vincolo maggiore alle estremità rispetto alla prima. Una è libera di ruotare, l'altra no.

Considerazioni di progetto

Fornire un vincolo laterale efficace può ridurre notevolmente le dimensioni della trave. Il vincolo può essere completamente ottenuto grazie all'azione composita di un solaio in calcestruzzo. Un vincolo parziale può essere ottenuto utilizzando travi intermedie. È possibile utilizzare anche controventi, di dimensioni adeguate e opportunamente posizionati.

Tutto questo va bene per il progetto dell'elemento, ma cosa succede quando si arriva al progetto del collegamento?

Le reazioni effettive rimangono le stesse indipendentemente dal vincolo contro l'instabilità flesso-torsionale, ma l'elemento presenta un incastro aggiuntivo grazie a questo vincolo. Se lo ignorassimo, il progetto del collegamento risulterebbe sovrastimato.

Nella nuova versione di IDEA StatiCa (versione 22.0) abbiamo introdotto una nuova operazione – Vincolo contro l'instabilità flesso-torsionale – per consentire ai nostri utenti di tenerne conto, qualora lo desiderino.

Trova maggiori informazioni sulla funzionalità Vincolo contro l'instabilità flesso-torsionale. Questa operazione evita la torsione dell'elemento nel collegamento e consente un progetto più economico mantenendo il livello di sicurezza richiesto.