Forze interne nei collegamenti in acciaio

Le forze di estremità di un elemento del modello di analisi del telaio vengono trasferite alle estremità dei segmenti dell'elemento. Le eccentricità degli elementi causate dalla progettazione del giunto vengono rispettate durante il trasferimento.

Il modello di analisi creato con il metodo CBFEM corrisponde in modo molto preciso al giunto reale, mentre l'analisi delle forze interne viene eseguita su un modello a barre 3D agli elementi finiti fortemente idealizzato, in cui i singoli elementi sono modellati tramite linee d'asse e i giunti sono modellati con nodi immateriali.

Giunto tra una colonna verticale e una trave orizzontale

Le forze interne vengono analizzate utilizzando elementi 1D nel modello 3D. Nella figura seguente è riportato un esempio delle forze interne.

Forze interne nella trave orizzontale; M e V sono le forze di estremità al giunto

Gli effetti che un elemento esercita sul giunto sono importanti per la progettazione del giunto (collegamento). Gli effetti sono illustrati nella figura seguente:

Effetti dell'elemento sul giunto; il modello CBFEM è rappresentato in blu scuro

Il momento M e la forza di taglio V agiscono nel giunto teorico. Il punto del giunto teorico non esiste nel modello CBFEM, pertanto il carico non può essere applicato in tale punto. Il modello deve essere caricato dalle azioni M e V, che devono essere trasferite all'estremità del segmento alla distanza r

M_c = M – V ∙ r

V_c = V

Nel modello CBFEM, la sezione di estremità del segmento è caricata dal momento M_c e dalla forza V_c.

Durante la progettazione del giunto, è necessario determinare e rispettare la sua posizione reale rispetto al punto teorico del giunto. Le forze interne nella posizione del giunto reale sono nella maggior parte dei casi diverse dalle forze interne nel punto teorico del giunto. Grazie al preciso modello CBFEM, la progettazione viene eseguita su forze ridotte – si veda il momento M_r nella figura seguente:

Momento flettente nel modello CBFEM: la freccia indica la posizione reale del collegamento

Nel caricare il giunto, è necessario rispettare che la soluzione del giunto reale deve corrispondere al modello teorico utilizzato per il calcolo delle forze interne. Ciò è soddisfatto per i giunti rigidi, ma la situazione può essere completamente diversa per le cerniere.

Posizione della cerniera nel modello teorico 3D agli elementi finiti e nella struttura reale

Come illustrato nella figura precedente, la posizione della cerniera nel modello teorico a elementi 1D differisce dalla posizione reale nella struttura. Il modello teorico non corrisponde alla realtà. Applicando le forze interne calcolate, un momento flettente significativo viene applicato al giunto traslato e il giunto progettato risulta sovradimensionato o non può essere progettato affatto. La soluzione è semplice: entrambi i modelli devono corrispondere. O la cerniera nel modello a elementi 1D deve essere definita nella posizione corretta, oppure la forza di taglio deve essere traslata in modo da ottenere un momento nullo nella posizione della cerniera.

Distribuzione traslata del momento flettente sulla trave: il momento nullo si trova nella posizione della cerniera

La traslazione della forza di taglio può essere definita nella tabella per la definizione della forza interna.

La posizione dell'effetto del carico ha una grande influenza sulla corretta progettazione del collegamento. Per evitare qualsiasi malinteso, è possibile selezionare tra tre opzioni: Node / Bolts / Position.

Si noti che selezionando l'opzione Node, le forze vengono applicate all'estremità dell'elemento selezionato, che di norma coincide con il nodo teorico, a meno che non sia impostato un offset dell'elemento selezionato nella geometria.

Importazione dei carichi da programmi FEA

IDEA StatiCa consente di importare le forze interne da programmi FEA di terze parti. I programmi FEA utilizzano un inviluppo delle forze interne derivante dalle combinazioni. IDEA StatiCa Connection è un programma che risolve il giunto in acciaio in modo non lineare (modello di materiale elastico/plastico). Pertanto, le combinazioni a inviluppo non possono essere utilizzate. IDEA StatiCa ricerca i valori estremi delle forze interne (N, V_y, V_z, M_x, M_y, M_z) in tutte le combinazioni alle estremità di tutti gli elementi collegati al giunto. Per ciascun valore estremo, vengono utilizzate anche tutte le altre forze interne di quella combinazione in tutti gli elementi rimanenti. IDEA StatiCa determina la combinazione più sfavorevole per ciascuna componente (piastra, saldatura, bullone, ecc.) nel collegamento.

L'utente può modificare questo elenco di casi di carico. Può lavorare con le combinazioni nella procedura guidata (o BIM), oppure può eliminare alcuni casi direttamente in IDEA StatiCa Connection.

Attenzione!

È necessario tenere conto delle forze interne non bilanciate durante l'importazione. Ciò può verificarsi nei seguenti casi:

• Una forza nodale è stata applicata nella posizione del nodo analizzato. Il software non è in grado di rilevare quale elemento debba trasferire tale forza nodale e, pertanto, essa non viene considerata nel modello di analisi. Soluzione: Non utilizzare forze nodali nell'analisi globale. Se necessario, la forza deve essere aggiunta manualmente a un elemento selezionato come forza normale o forza di taglio.
• Un elemento non in acciaio caricato (generalmente in legno o calcestruzzo) è collegato al nodo analizzato. Tale elemento non viene considerato nell'analisi e le sue forze interne vengono ignorate. Soluzione: Sostituire l'elemento in calcestruzzo con un blocco di calcestruzzo e un ancoraggio.
• Il nodo fa parte di una soletta o di una parete (generalmente in calcestruzzo). La soletta o la parete non è inclusa nel modello e le sue forze interne vengono ignorate. Soluzione: Sostituire la soletta o la parete in calcestruzzo con un blocco di calcestruzzo e un ancoraggio.
• Alcuni elementi sono collegati al nodo analizzato tramite vincoli rigidi. Tali elementi non sono inclusi nel modello e le loro forze interne vengono ignorate. Soluzione: Aggiungere manualmente questi elementi all'elenco degli elementi collegati.
• I casi di carico sismico vengono analizzati nel software. La maggior parte dei programmi FEA offre l'analisi modale per la risoluzione della sismicità. I risultati delle forze interne dei casi di carico sismico forniscono generalmente solo inviluppi delle forze interne nelle sezioni. A causa del metodo di valutazione (radice quadrata della somma dei quadrati – SRSS), le forze interne sono tutte positive e non è possibile individuare le forze corrispondenti all'estremo selezionato. Non è possibile raggiungere l'equilibrio delle forze interne. Soluzione: Modificare manualmente il segno positivo di alcune forze interne.