Resistenza al momento dei collegamenti trave-colonna con sezione aperta ad asse forte saldati in acciaio

Questo Rapporto è stato sviluppato nell'ambito di una collaborazione tra ISISE (Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering) presso l'Università di Coimbra  e IDEA StatiCa. Questo progetto è stato finanziato congiuntamente da entrambe le entità ed è stato redatto da:

• Luis Simões da Silva
• Jorge Conde
• Filip Ljubinković
• João Pedro Martins
• Francisca Santos
• Fernando Freire
• Juan Aguiar

Sommario esecutivo

Questo rapporto presenta un'analisi approfondita dei collegamenti trave-colonna in acciaio saldati con sezione aperta, con particolare attenzione alla componente dell'anima della colonna a taglio, utilizzando modelli FEM 3D di alta qualità opportunamente validati. Lo studio comprende collegamenti trave-colonna saldati con sezione aperta resistenti al momento flettente attorno all'asse forte, con e senza irrigidimenti trasversali, coprendo giunti unilaterali e bilaterali situati a un piano intermedio (interno) o all'ultimo piano (copertura), e, per i giunti interni, con diversi livelli di carico assiale sulla colonna. Lo studio comprende un'ampia gamma di situazioni in termini di snellezza della colonna, rapporto geometrico del giunto, configurazione del giunto, irrigidimenti, forza assiale e rapporto dei momenti (per i giunti bilaterali). Vengono considerati anche aspetti rilevanti per l'analisi FE, quali il modello del materiale, il tipo di analisi, la densità della rete, le imperfezioni iniziali, ecc.

Questo studio comprende un anno di lavoro nelle seguenti aree:

1. L'elenco dei casi include carichi assiali pari al 30%, 50% e 70%.
2. I gradi dell'acciaio includono S235, S275 e S355.
3. Vengono discusse colonne laminate, colonne con saldature a cordone d'angolo e con saldatura di testa.
4. È incluso uno studio esaustivo sulle differenze tra GMNA e MNA.
5. È incluso uno studio esaustivo sull'influenza della legge costitutiva del materiale.
6. Viene studiata l'influenza delle saldature a cordone d'angolo sul comportamento del giunto.

Obiettivi

L'obiettivo di questo studio è la valutazione della resistenza al momento flettente attorno all'asse forte dei collegamenti saldati in configurazioni trave-colonna unilaterali e bilaterali con elementi a sezione aperta (travi e colonne), inclusa l'influenza degli irrigidimenti trasversali, utilizzando: i) le regole di progettazione europee, ii) l'analisi FEA (elementi solidi 3D) e iii) IDEA StatiCa; e il confronto dei risultati ottenuti con ciascun metodo.

Metodologia

1. Valutare la resistenza di progetto della componente del pannello d'anima per un'ampia gamma di collegamenti trave-colonna saldati mediante modelli FEM 3D di alta qualità, utilizzati successivamente come casi di riferimento.
2. Confrontare la resistenza del giunto con i modelli CBFE (IDEA StatiCa), basati su elementi shell.
3. Discutere la possibilità di migliorare le funzionalità e le opzioni predefinite offerte da IDEA StatiCa per garantire l'ottenimento di un valore di resistenza realistico e sicuro.
4. Confrontare la resistenza del giunto con i risultati ottenuti dalle espressioni di progetto fornite dall'Eurocode 3, nelle versioni attuale e futura.
5. Valutare le differenze nella resistenza al momento prodotte dal criterio della deformazione plastica equivalente del 5% adottato da IDEA StatiCa per definire la "resistenza di progetto" sulla curva momento-rotazione, rispetto ad altri criteri comuni (come la riduzione della rigidezza secante a 1/3 della rigidezza iniziale).

Questioni affrontate

• Qual è la dispersione dei risultati?
• Qual è l'influenza dei diversi parametri (snellezza, rapporto geometrico, rapporto dei momenti flettenti, irrigidimenti trasversali, forza assiale, ecc.) su questi risultati?
• Qual è l'influenza delle componenti dell'anima della colonna su questi risultati?

Esclusioni

Non viene effettuata alcuna valutazione dell'affidabilità dei risultati del programma, in quanto esula dall'ambito di questo studio.

Sintesi delle conclusioni

L'analisi dei risultati di Abaqus ha evidenziato le seguenti conclusioni:

1. Riguardo al criterio della deformazione plastica equivalente del 5%, è stato dimostrato che, per questo tipo di giunto, produce risultati di resistenza analoghi a quelli ottenuti dallo stesso modello numerico con una riduzione della rigidezza secante a 1/3 della rigidezza iniziale.
2. Le imperfezioni iniziali svolgono un ruolo secondario nel comportamento dei giunti analizzati; tuttavia, la non linearità geometrica (analisi del 2° ordine) dovrebbe essere inclusa, in particolare nei casi in cui è presente il carico assiale.
3. L'inclusione dell'incrudimento del materiale comporta un piccolo aumento medio del 4% nella resistenza; tuttavia, ha un effetto significativo, pari a circa il 44% in media, sulla rotazione del giunto.

Le seguenti osservazioni sono rilevanti per l'implementazione in IDEA StatiCa:

1. IDEA StatiCa, con la rete predefinita del programma (versione 23.1) e MNA (analisi materialmente non lineare), fornisce resistenze superiori a quelle ottenute con Abaqus. In media, del 6% superiori per colonne laminate con saldatura di testa, e di circa l'11% per colonne saldate con saldatura di testa o a cordone d'angolo. Per le colonne laminate con saldature a cordone d'angolo, i risultati sono, in media, identici a quelli di Abaqus. Le deviazioni massime osservate per un singolo caso sono del 22% (colonne laminate con saldatura di testa) e del 53% (colonne saldate con saldatura di testa).
   Commento IDEA StatiCa: Questa situazione viene risolta da due modifiche implementate nella versione 25.0:
   - Analisi geometricamente non lineare
   - Area di diffusione della saldatura – ridotta per le saldature di testa, ovvero la resistenza delle colonne con saldatura di testa viene diminuita
   
2. IDEA StatiCa con una rete raffinata (dimezzando la dimensione della rete predefinita) e GMNA (analisi geometricamente e materialmente non lineare) fornisce resistenze in buon accordo (entro ±5% in media) con i risultati di Abaqus. Le deviazioni massime osservate per un singolo caso sono del 15% (colonne laminate con saldatura di testa), 5% (colonne laminate con saldature a cordone d'angolo), 27% (colonne saldate con saldatura di testa) e 14% (colonne saldate con saldature a cordone d'angolo).
   Commento IDEA StatiCa: Il dimezzamento della rete non è più necessario con le modifiche menzionate nel punto precedente.
   
3. L'influenza delle imperfezioni iniziali è stata studiata per i giunti interni unilaterali ed è risultata trascurabile.
   Commento IDEA StatiCa: Ciò significa che la GMNA è sufficiente e la GMNIA non è necessaria per la gamma di giunti esaminata.
   
4. Un'analisi puramente materialmente non lineare senza effetti del 2^° ordine porta a risultati non conservativi in presenza di forza assiale sulla colonna. Pertanto, si raccomanda che l'analisi geometricamente non lineare sia attivata per impostazione predefinita nel programma.
   Commento IDEA StatiCa: Nella versione 25.0, l'analisi geometricamente non lineare è resa disponibile per ogni collegamento. Nella prossima patch verrà fornito un avviso.
   
5. La dimensione della rete svolge un ruolo essenziale nell'accuratezza dei risultati. Un potenziale approccio per stimare il valore convergente potrebbe basarsi su un processo automatizzato che dimezza la dimensione della rete e applica l'estrapolazione di Richardson alla resistenza al momento ottenuta con entrambi i valori.
   Commento IDEA StatiCa: L'estrapolazione di Richardson è possibile nella determinazione delle resistenze ai carichi. Tuttavia, non è possibile per le verifiche superate/non superate. Con le modifiche precedentemente menzionate nella versione 25.0, la rete predefinita fornisce già risultati sufficientemente accurati. 
6. Il modello del materiale implementato da IDEA StatiCa (con pendenza di incrudimento E/1000) comporta un aumento medio del 3% nella resistenza al momento rispetto ai risultati ottenuti con materiale elastico perfettamente plastico.

Leggere il rapporto completo nell'allegato.

Download allegati

• 01 Report IDEA STATICA FINAL SIGNED.pdf (PDF, 10,7 MB)