Verifica dei componenti del collegamento in acciaio (CSA)

CBFEM Il metodo CBFEM combina i vantaggi del Metodo degli Elementi Finiti generale e del metodo a componenti standard. Le tensioni e le forze interne calcolate sull'accurato modello CBFEM vengono utilizzate nelle verifiche di tutti i componenti.

I componenti sono progettati secondo la norma canadese (Canadian Institute of Steel Construction, CISC) S16-14 Design of steel structures e CSA A23.3 Design of concrete structures.

Verifica normativa delle piastre in acciaio secondo le norme canadesi

La tensione equivalente risultante (HMH, von Mises) e la deformazione principale plastica sono calcolate sulle piastre. Quando viene raggiunta la tensione di snervamento (moltiplicata per il fattore di resistenza per l'acciaio strutturale ϕ = 0,9, modificabile nella configurazione del codice) nel diagramma bilineare del materiale, viene eseguita la verifica della deformazione plastica equivalente. Il valore limite del 5 % è suggerito nell'Eurocode (EN1993-1-5 App. C, Par. C8, Nota 1); questo valore può essere modificato nella configurazione del codice, ma le verifiche sono state eseguite per il valore raccomandato.

L'elemento piastra è suddiviso in cinque strati e il comportamento elastico/plastico viene analizzato in ciascuno di essi. Il programma mostra il risultato peggiore tra tutti. Il metodo CBFEM può fornire tensioni leggermente superiori alla tensione di snervamento. Il motivo è la leggera inclinazione del ramo plastico del diagramma tensione-deformazione, utilizzato nell'analisi per migliorare la stabilità del calcolo dell'interazione. Ciò non costituisce un problema per la progettazione pratica. La deformazione plastica equivalente viene superata a tensioni più elevate e il giunto non soddisfa comunque i requisiti.

Verifica normativa delle saldature secondo le norme canadesi

Le saldature a cordone d'angolo sono verificate secondo S16-14 - Capitolo 13. La resistenza delle saldature a piena penetrazione (CJP) è assunta pari a quella del metallo base e non viene verificata.

Saldature a cordone d'angolo

La resistenza a taglio diretto e a taglio indotto da trazione o compressione è calcolata secondo S16-14 – 13.13.2.2. La ridistribuzione plastica nel materiale di saldatura è applicata nella modellazione agli Elementi Finiti.

\[ V_r = 0.67 \phi_w A_w X_u (1+0.5 \sin^{1.5} \theta ) M_w \]

dove:

• ϕ_w = 0.67 – fattore di resistenza per il metallo di saldatura, modificabile nella configurazione normativa
• A_w – area della gola efficace della saldatura
• X_u – resistenza ultima classificata dal numero di classificazione dell'elettrodo
• θ – angolo dell'asse del segmento di saldatura rispetto alla direzione della forza applicata (es. 0° per una saldatura longitudinale e 90° per una saldatura trasversale)
• \( M_w = \frac{0.85+\theta_1 / 600}{0.85+\theta_2 / 600} \) – fattore di riduzione della resistenza per saldature a cordone d'angolo con orientamenti multipli; è pari a 1.0 in IDEA e la resistenza delle saldature con orientamenti multipli è determinata tramite FEA dove viene valutato l'elemento più sollecitato
• θ₁ – orientamento del segmento di saldatura in esame
• θ₂ – orientamento del segmento di saldatura nel giunto più vicino a 90°

Capacità del metallo base alla faccia di fusione:

\[ V_r = 0.67 \phi_w A_m F_u \]

dove:

• A_m = z L – area della faccia di fusione
• z – dimensione del cateto della saldatura
• L – lunghezza della saldatura
• F_u – resistenza a trazione specificata

I diagrammi della saldatura mostrano le tensioni secondo le seguenti formule:

Se il metallo base è disattivato (viene utilizzato un elettrodo abbinato):

\[ \sigma = \frac{\sqrt{ \sigma_{\perp}^2 + \tau_{\perp}^2 + \tau_{\parallel}^2 }}{1+0.5 \sin^{1.5}{\theta}} \]

Se il metallo base è attivato (non viene utilizzato un elettrodo abbinato):

\[ \sigma = \max \left \{  \frac{\sqrt{ \sigma_{\perp}^2 + \tau_{\perp}^2 + \tau_{\parallel}^2 }}{1+0.5 \sin^{1.5}{\theta}}, \, \frac{\sqrt{ \sigma_{\perp}^2 + \tau_{\perp}^2 + \tau_{\parallel}^2 }}{\sqrt{2} F_u / X_u} \right \} \]

Saldature a piena penetrazione (CJP)

La resistenza delle saldature a piena penetrazione (CJP) è assunta pari a quella del metallo base.

Verifica normativa di bulloni e bulloni precaricati secondo le norme canadesi

Le forze nei bulloni, incluse le forze di leva, sono determinate tramite analisi agli elementi finiti. Le resistenze dei bulloni sono verificate secondo S16 – Capitolo 13.

Bulloni

Resistenza a trazione dei bulloni

La resistenza a trazione di un bullone è valutata secondo la Clausola 13.12.1.3 e assunta come:

\[ T_r = 0.75 \phi_b A_b F_u \]

dove:

• ϕ_b = 0.8 – fattore di resistenza per i bulloni, modificabile nella configurazione normativa
• A_b – area della sezione trasversale del bullone basata sul suo diametro nominale
• F_u – resistenza minima a trazione specificata per un bullone

Quando i filetti del bullone sono intercettati da un piano di taglio, la resistenza a taglio è assunta pari a 0.7 V_r.

Resistenza a taglio dei bulloni

La resistenza a taglio di un bullone è valutata secondo la Clausola 13.12.1.2. Ogni piano di taglio di un bullone è verificato separatamente. È assunta come:

\[ V_r=0.6 \phi_b A_b F_u \]

dove:

• ϕ_b = 0.8 – fattore di resistenza per i bulloni, modificabile nella configurazione normativa
• A_b – area della sezione trasversale del bullone basata sul suo diametro nominale
• F_u – resistenza minima a trazione specificata per un bullone

Quando i filetti del bullone sono intercettati da un piano di taglio, la resistenza a taglio è assunta pari a 0.7 V_r.

Trazione e taglio combinati in collegamento a rifollamento

La resistenza di un bullone sollecitato da trazione e taglio combinati è valutata secondo la Clausola 13.12.1.4 e assunta come:

\[ \left ( \frac{V_f}{V_r} \right )^2 + \left ( \frac{T_f}{T_r} \right )^2 \le 1 \]

dove:

• V_f e T_f sono rispettivamente la forza di taglio di progetto e la forza di trazione agente sul bullone
• V_r e T_r sono rispettivamente la resistenza a taglio di progetto e la resistenza a trazione di progetto del bullone

Resistenza al rifollamento nei fori dei bulloni

La resistenza sviluppata nel bullone in un giunto bullonato soggetto a rifollamento e taglio è valutata secondo la Clausola 13.12.1.2 e assunta come

B_r = 3 ϕ_br t d F_u    per fori di bullone regolari

B_r = 2.4 ϕ_br t d F_u    per fori assolcati caricati perpendicolarmente ad essi

dove:

• ϕ_br = 0.8 – fattore di resistenza per il rifollamento dei bulloni sull'acciaio
• t – spessore minore delle piastre collegate
• d – diametro del bullone
• F_u – resistenza a trazione del materiale collegato

Strappo del foro di un bullone

La resistenza allo strappo del foro di un bullone è verificata per i singoli bulloni secondo la Clausola 13.11 come:

\[ T_r = \phi_u 0.6 A_{gv} \frac{F_y+F_u}{2} \]

dove:

• ϕ_u = 0.75 – fattore di resistenza per l'acciaio strutturale
• A_gv = 2 ∙ l ∙ t – area lorda a taglio
• F_y – tensione di snervamento del materiale collegato
• F_u – resistenza a trazione del materiale collegato
• l – distanza dalla linea d'asse del bullone al bordo nella direzione della forza di taglio
• t – spessore del materiale collegato

Per gradi di acciaio con F_y > 460 MPa, (F_y + F_u) / 2 deve essere sostituito con F_y nella determinazione di T_r.

Bulloni in collegamenti a scorrimento controllato

La resistenza allo scorrimento di un giunto bullonato è valutata secondo la Clausola 13.12.2 come

V_s = 0.53 c_s k_s A_b F_u

dove:

• c_s – coefficiente determinato in funzione di k_s e del grado del bullone:
• per k_s < 0.52     classe A    c_s = 1.00    (A325) o 0.92 (A490) o 0.78 (altro)
• per k_s ≥ 0.52    classe B    c_s = 1.04 (A325) o 0.96 (A490) o 0.81 (altro)
• k_s – coeff. di attrito modificabile nella configurazione normativa, da impostare secondo la Tabella 3 di S16-14; pari a 0.3 per la classe A o 0.52 per la classe B
• A_b – area della sezione trasversale del bullone basata sul suo diametro nominale
• F_u – resistenza minima a trazione specificata per un bullone

Quando nei collegamenti a scorrimento controllato si utilizzano fori assolcati, V_s = 0.75 ∙ 0.53 c_s k_s A_b F_u.

Un bullone soggetto sia a trazione che a taglio deve soddisfare la seguente relazione:

\[ \frac{V_f}{V_s}+1.9\frac{T}{A_b F_u} \]

dove:

• V_f e T_f sono rispettivamente la forza di taglio di progetto e la forza di trazione agente sul bullone

La Clausola 13.12.2 stabilisce che le resistenze del collegamento specificate nella Clausola 13.12.1 devono essere verificate. L'utente deve pertanto verificare lo stato successivo allo scorrimento, ovvero modificare il trasferimento della forza di taglio dei bulloni da "Attrito" a "Rifollamento – interazione trazione e taglio".

Dettagli costruttivi

Nei dettagli costruttivi dei collegamenti bullonati, il passo minimo e la distanza minima dal bordo sono verificati secondo S16-14 – 22.3. Vengono verificati il passo minimo (2.7 d – modificabile nella configurazione normativa) e la distanza minima dal bordo (1.25 d).

Verifica normativa del blocco in calcestruzzo secondo le norme canadesi

Il calcestruzzo al di sotto della piastra di base è simulato da un sottofondo di Winkler con rigidezza uniforme, che fornisce le tensioni di contatto. La tensione media nell'area caricata in contatto con la piastra di base è utilizzata per la verifica a compressione.

Calcestruzzo in compressione

La resistenza di progetto a cuscinetto del calcestruzzo in compressione è determinata in conformità con S16-14 – 25.3.1 e CSA A23.3 – 10.8. Quando la superficie di appoggio del calcestruzzo è maggiore della piastra di base, la resistenza di progetto a cuscinetto è definita come

\[ f_{p,(max)} = 0.85 \phi_c f'_c \sqrt{\frac{A_2}{A_1}} \le 1.7 \phi_c f'_c \]

dove:

• ϕ_c=0.65 – fattore di resistenza per il calcestruzzo
• f'_c – resistenza a compressione del calcestruzzo
• A₁ – area della piastra di base in contatto con la superficie in calcestruzzo (area della superficie superiore del tronco di piramide)
• A₂ – superficie di appoggio del calcestruzzo (area inferiore geometricamente simile del tronco di piramide con pendenze di 1 verticale su 2 orizzontale)

La verifica del calcestruzzo all'appoggio è la seguente:

σ ≤ f_p(max)

dove:

• σ – tensione media di compressione sotto la piastra di base

Trasferimento delle forze di taglio

I carichi di taglio possono essere trasferiti tramite una delle seguenti opzioni:

• Chiavetta a taglio,
• Attrito,
• Bulloni di ancoraggio.

Chiavetta a taglio

I carichi di taglio sono considerati trasferiti esclusivamente tramite chiavetta a taglio. Il cuscinetto in calcestruzzo non è verificato nel software e deve essere verificato dall'utente separatamente. La chiavetta a taglio e le saldature sono verificate tramite il Metodo degli Elementi Finiti e le componenti di saldatura.

Attrito

In caso di forza di compressione, i carichi di taglio possono essere trasferiti per attrito tra un appoggio in calcestruzzo e la piastra di base. Il coefficiente di attrito è modificabile nella configurazione normativa.

Bulloni di ancoraggio

Se il carico di taglio è trasferito esclusivamente tramite bulloni di ancoraggio, la forza di taglio agente su ciascun ancorante è determinata tramite analisi agli elementi finiti e i bulloni di ancoraggio sono verificati secondo ACI 318-14 come descritto nei capitoli seguenti.

Classificazione dei giunti in acciaio secondo le norme canadesi

I giunti sono classificati in base alla rigidezza del giunto in:

• Rigido – giunti con variazione trascurabile degli angoli originali tra gli elementi,
• Semi-rigido – giunti che si assume abbiano la capacità di fornire un grado noto e affidabile di vincolo flessionale,
• Semplice – giunti che non sviluppano momenti flettenti.

La norma canadese S14-16, Cl. 8.2 non fornisce limiti precisi, pertanto i giunti sono classificati secondo il commentario di AISC 360-16, Cl. B3.4.

• Rigido – \( \frac{S_{j,ini} L_b}{E I_b} \ge 20 \)
• Semi-rigido – \( 2 < \frac{S_{j,ini} L_b}{E I_b} < 20 \)
• Semplice – \( \frac{S_{j,ini} L_b}{E I_b} \le 2 \)

dove:

• S_j,ini – rigidezza iniziale del giunto; la rigidezza del giunto è assunta lineare fino a 2/3 di M_j,Rd
• L_b – lunghezza teorica dell'elemento analizzato
• E – modulo di elasticità di Young
• I_b – momento di inerzia dell'elemento analizzato
• M_j,Rd – resistenza di progetto a momento del giunto

Verifica della capacità portante secondo le norme canadesi

La verifica della capacità portante è parte della verifica sismica e garantisce che il giunto abbia sufficiente capacità di deformazione.

L'obiettivo della verifica della capacità portante è confermare che un edificio subisca un comportamento duttile controllato al fine di evitare il collasso in caso di terremoto di progetto. Si prevede che la cerniera plastica si formi nell'elemento dissipativo e tutti gli elementi non dissipativi del giunto devono essere in grado di trasferire in sicurezza le forze dovute allo snervamento nell'elemento dissipativo. L'elemento dissipativo è solitamente una trave in un telaio resistente ai momenti, ma può essere anche, ad esempio, una piastra d'estremità. Il fattore di resistenza non viene utilizzato per gli elementi dissipativi. All'elemento dissipativo vengono assegnati due fattori:

• R_y = 1,1 – fattore di sovraresistenza – S16-14, Cl. 27.1.7; modificabile nei materiali
• C_pr = 1,1 – fattore di incrudimento – S16-14, Cl. 27.2.2; si raccomanda di applicarlo alla trave come elemento dissipativo nel telaio resistente ai momenti

Il diagramma del materiale viene modificato secondo la figura seguente:

La resistenza aumentata dell'elemento dissipativo consente l'introduzione di carichi che causano la formazione della cerniera plastica nell'elemento dissipativo. Nel caso di un telaio resistente ai momenti con la trave come elemento dissipativo, la trave deve essere caricata da M_y = C_prR_yF_yW_pl,y e dalla corrispondente forza di taglio V_z = –2 M_y,Ed / L_h, dove:

• F_y – tensione di snervamento
• W_pl,y – modulo di resistenza plastico della sezione
• L_h – distanza tra le cerniere plastiche sulla trave

In caso di giunto asimmetrico, la trave deve essere caricata sia da momenti flettenti positivi che negativi e dalle corrispondenti forze di taglio.

Le piastre degli elementi dissipativi sono escluse dalla verifica normativa.