Resistenza a momento di giunti in acciaio saldati colonna - trave a sezione aperta ad asse forte

Questo rapporto è stato sviluppato nell'ambito di una collaborazione tra l' ISISE (Istituto per la sostenibilità e l'innovazione nell'ingegneria strutturale) dell'Università di Coimbra e IDEA StatiCa. Il progetto è stato finanziato congiuntamente da entrambi gli enti ed è stato redatto da:

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

Riassunto

La presente relazione presenta un'analisi approfondita dei giunti saldati trave-colonna in acciaio, con un'attenzione specifica all'anima della colonna nella componente di taglio, utilizzando modelli 3D-FEM di alta qualità e adeguatamente convalidati. Lo studio comprende giunti trave-colonna a sezione aperta saldati e resistenti al momento sull'asse forte, con e senza irrigidimenti trasversali, con 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 della colonna. Lo studio comprende un'ampia gamma di situazioni in termini di snellezza della colonna, rapporto di aspetto del giunto, configurazione del giunto, irrigidimenti, forza assiale e rapporto di momento (per i giunti bilaterali). Sono stati considerati anche aspetti rilevanti per la FE, come il modello di materiale, il tipo di analisi, la densità della maglia, le imperfezioni iniziali, ecc.

Questo studio comprende un anno di lavoro nelle seguenti aree:

1. L'elenco comprende casi con carico assiale del 30%, 50% e 70%.
2. I tipi di acciaio comprendono S235, S275 e S355.
3. Vengono discusse le colonne laminate, le colonne saldate con filetti e quelle saldate a testa in giù.
4. È stato incluso uno studio completo sulle differenze tra GMNA e MNA.
5. È stato incluso uno studio completo sull'influenza della legge costitutiva del materiale.
6. Viene studiata l'influenza delle saldature a filetto sul comportamento del giunto.

Obiettivi

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

Metodologia

1. Valutare la resistenza di progetto del componente pannello dell'anima per un'ampia gamma di giunti saldati trave-colonna attraverso modelli FEM 3D di alta qualità, utilizzati successivamente come casi di riferimento.
2. Confrontare la resistenza del giunto con modelli CBFE (IDEA StatiCa), basati su elementi shell.
3. Discutere la possibilità di migliorare le caratteristiche 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'Eurocodice 3, nella versione attuale e in quella futura.
5. Valutare le differenze di resistenza al momento prodotte dal criterio del 5% di deformazione plastica equivalente adottato da IDEA StatiCa per definire la "resistenza di progetto" sulla curva momento-rotazione, rispetto ad altri criteri comuni (come il rilassamento della rigidezza secante a 1/3 della rigidezza iniziale).

Domande affrontate

• Qual è la dispersione dei risultati?
• Qual è l'influenza dei diversi parametri (snellezza, rapporto d'aspetto, rapporto di momento flettente, irrigidimenti trasversali, forza assiale, ecc.
• Qual è l'influenza dei componenti dell'anima della colonna su questi risultati?

Esclusioni

Non è stata effettuata alcuna valutazione dell'affidabilità dei risultati del programma, in quanto non rientra nell'ambito di questo studio.

Sintesi delle conclusioni

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

1. Per quanto riguarda il criterio del 5% di deformazione plastica equivalente, è stato dimostrato che, per questo tipo di giunto, produce risultati di resistenza simili a quelli ottenuti dallo stesso modello numerico con una riduzione della rigidità secante a 1/3 della rigidità iniziale.
2. Le imperfezioni iniziali giocano un ruolo minore nel comportamento dei giunti analizzati, tuttavia è necessario includere la non linearità geometrica (analisi del 2° ordine), in particolare nei casi in cui è presente il carico assiale.
3. L'inclusione dell'indurimento da deformazione comporta un piccolo aumento medio del 4% della resistenza, ma ha un grande effetto, 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 mesh di default del programma (versione 23.1) e l'analisi MNA (materialmente non lineare), fornisce resistenze maggiori di quelle ottenute con Abaqus. In media, il 6% in più per le colonne laminate con saldature di testa e circa l'11% per le colonne saldate con saldature di testa o a filetto. Per le colonne laminate con saldature a filetto, i risultati sono in media identici a quelli di Abaqus. Le deviazioni massime osservate per un singolo caso sono del 22% (colonne laminate con saldature di testa) e del 53% (colonne saldate con saldature di testa).
   IDEA StatiCa comment: Questa situazione è stata risolta grazie a due modifiche implementate nella versione 25.0:
   -Analisi geometrica non lineare
   -Area di diffusione delle saldature - ridotta per le saldature di testa, ovvero la resistenza delle colonne saldate di testa è diminuita.
   
2. IDEA StatiCa con una mesh raffinata (dimezzando le dimensioni della mesh predefinita) e GMNA (analisi geometrica e materialmente non lineare) fornisce resistenze che sono in buona sintonia (entro il ±5% in media) con i risultati di Abaqus. Le deviazioni di picco osservate per un singolo caso sono del 15% (colonne laminate con saldature di testa), del 5% (colonne laminate con saldature di testa), del 27% (colonne saldate con saldature di testa) e del 14% (colonne saldate con saldature di testa).
   IDEA StatiCa commento: Il dimezzamento della maglia non è più necessario con le modifiche di cui al punto precedente.
   
3. L'influenza delle imperfezioni iniziali è stata studiata per i giunti interni unilaterali ed è risultata trascurabile.
   IDEA StatiCa commento: Ciò significa che GMNA è sufficiente e GMNIA non è necessario per la gamma di giunti studiati .
   
4. L'analisi non lineare puramente materiale senza effetti del^2° ordine porta a risultati non conservativi in caso di forza assiale sulla colonna. Pertanto, si raccomanda che l'analisi geometrica non lineare sia attivata di default nel programma.
   IDEA StatiCa commento: Nella versione 25.0, l'analisi geometrica non lineare è disponibile per ogni connessione. Nella prossima patch verrà fornito un avviso.
   
5. La dimensione della maglia gioca un ruolo essenziale nell'accuratezza dei risultati. Un potenziale approccio per stimare il valore convergente potrebbe basarsi su un processo automatico che dimezzi la dimensione della maglia e applichi l'estrapolazione di Richardson alla resistenza al momento ottenuta con entrambi i valori.
   IDEA StatiCa commento: L'estrapolazione di Richardson è possibile quando si determinano le resistenze di carico. Tuttavia, non è possibile per le verifiche passate/fallite. Con le modifiche apportate alla versione 25.0, la mesh di default fornisce già risultati sufficientemente accurati.
6. Il modello di materiale implementato da IDEA StatiCa (con pendenza di indurimento da deformazione E/1000) comporta un aumento medio del 3% della resistenza al momento rispetto ai risultati ottenuti con materiale elastico perfettamente plastico.

Leggete la relazione completa in allegato.

Download allegati

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