Colonna su piastra di base – Colonna a sezione aperta con flessione attorno all'asse forte

Descrizione

L'oggetto di questo capitolo è la verifica del metodo degli elementi finiti basato sui componenti (CBFEM) della piastra di base della colonna in acciaio a sezione aperta caricata a compressione e flessione attorno all'asse forte con il metodo delle componenti (CM). Lo studio è preparato per la dimensione della colonna, la geometria e lo spessore della piastra di base. Nello studio vengono esaminati cinque componenti: flangia e anima della colonna a compressione, calcestruzzo a compressione inclusa la malta di livellamento, piastra di base a flessione, ancoraggi a trazione e saldature. Tutti i componenti sono progettati secondo EN 1993-1-8:2005, EN 1992‑1‑1:2005 e EN 1992‑4.

Verifica della resistenza

Un esempio di progettazione con il metodo delle componenti è mostrato sull'ancoraggio di una colonna in acciaio a sezione HEB 240:

Il blocco di calcestruzzo ha dimensioni a' = 1000 mm, b' = 1500 mm,  h = 900 mm e classe C20/25. Le dimensioni della piastra di base sono a = 330 mm, b = 440 mm, t = 20 mm e il grado dell'acciaio è S235. I bulloni di ancoraggio sono 4 × M20, A_s = 245 mm², lunghezza 300 mm, con diametro della testa a = 60 mm e grado dell'acciaio 8.8. Lo spessore della malta di livellamento è 30 mm.

I risultati della soluzione analitica possono essere presentati su un diagramma di interazione con punti significativi distintivi. Il punto −1 rappresenta il carico a trazione pura, e il punto 4 rappresenta la resistenza portante a compressione. La descrizione dettagliata dei punti 0, 1, 2 e 3 è mostrata in Fig. 8.2.1; vedere (Wald, 1995) e (Wald et al. 2008).

Fig. 8.2.1 Punti significativi sul diagramma di interazione

La distribuzione delle tensioni per i punti 0 e 3 ottenuta con CBFEM è mostrata nelle Fig. 8.2.2 e 8.2.3. 

Fig. 8.2.2 Tensione nel calcestruzzo e forze negli ancoraggi per il punto 0 ottenuta con CBFEM (scala deform. 10)

Fig. 8.2.3 Tensione nel calcestruzzo e forze negli ancoraggi per il punto 3 ottenuta con CBFEM
(scala deform. 10)

Fig. 8.2.4 Confronto dei modelli sul diagramma di interazione

Il confronto del diagramma di interazione ottenuto con CBFEM con il diagramma di interazione calcolato secondo il CM è presentato in Fig. 8.2.4 e Tab. 8.2.1.

Tab. 8.2.1 Confronto dei risultati del diagramma di interazione per HEB 240 con soluzione analitica e con CBFEM

Studio di sensibilità

I risultati del CBFEM sono stati confrontati con i risultati del metodo delle componenti. Il confronto è stato effettuato in termini di resistenza al momento flettente per il livello dato di forza normale per ciascuno dei punti del diagramma di interazione.

Nello studio di sensibilità sono state variate la dimensione della colonna, le dimensioni della piastra di base e le dimensioni del blocco di calcestruzzo. Le sezioni trasversali delle colonne selezionate erano HEB 200, HEB 300 e HEB 400. La larghezza e la lunghezza della piastra di base sono state scelte 100 mm, 150 mm e 200 mm più grandi della sezione della colonna; lo spessore della piastra di base era 15 mm, 20 mm e 25 mm. Il blocco di calcestruzzo era di classe C25/30. L'altezza del blocco di calcestruzzo era in tutti i casi 900 mm, e la larghezza e la lunghezza erano 200 mm più grandi delle dimensioni della piastra di base. I bulloni di ancoraggio erano M20 grado 8.8 con una profondità di infissione di 300 mm. I parametri sono riassunti nella Tab. 8.2.2. Le saldature erano uguali attorno all'intera sezione della colonna con uno spessore di gola sufficiente per non essere il componente critico. Un parametro veniva variato mentre gli altri erano mantenuti costanti al valore intermedio.

Tab. 8.2.2 Parametri selezionati

In Fig. 8.2.5 sono presentati i risultati per le variazioni della sezione trasversale della colonna. In Fig. 8.2.6 e Fig. 8.2.7 vengono variate rispettivamente la sporgenza della piastra di base e lo spessore della piastra di base.

Fig. 8.2.5 Variazione della sezione della colonna

Fig. 8.2.6 Variazione della sporgenza della piastra di base – 100, 200 e 300 mm

Fig. 8.2.7 Variazione dello spessore della piastra di base – 15, 20 e 25 mm

Caso di riferimento

Dati di input

Sezione trasversale della colonna

• HEB 240
• Acciaio S235

Piastra di base

• Spessore 20 mm
• Sporgenze: superiore 100 mm, sinistra 45 mm
• Acciaio S235

Bullone di ancoraggio

• M20 8.8
• Lunghezza di ancoraggio 300 mm
• Tipo di ancoraggio: piastra rondella - circolare; dimensione 40 mm
• Sporgenze file superiori 50 mm, file sinistra −10 mm
• Piano di taglio nel filetto
• Saldature entrambe 8 mm

Blocco di fondazione

• Calcestruzzo C20/25
• Sporgenza 335 mm e 530 mm
• Profondità 900 mm
• Trasferimento della forza di taglio per attrito
• Spessore della malta di livellamento 30 mm

Carichi

• Forza assiale N = −853 kN
• Momento flettente M_y = 100 kNm

Risultati

• Bulloni di ancoraggio 42,2 % (N_Ed,g = 51,7 kN ≤ N_Rdc = 122,4 kN - rottura del nucleo di calcestruzzo per gli ancoraggi A1 e A2)
• Blocco di calcestruzzo 99,5 % (σ = 26,7 MPa ≤ f_jd = 26,8 MPa)

Riferimenti

EN 1992-1-1, Eurocode 2, Design of concrete structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings, CEN, Brussels, 2005.

EN 1992-4:2018, Eurocode 2: Design of concrete structures – Part 4: Design of fastenings for use in concrete, Brussels, 2018.

EN 1993-1-8, Eurocode 3, Design of steel structures – Part 1-8: Design of joints, CEN, Brussels, 2005.

Wald F. Column Bases, CTU Publishing House, Prague, 1995.

Wald F., Sokol Z., Steenhuis M., Jaspart, J.P. Component method for steel column bases, Heron, 53, 2008, 3-20.