Influenza dello scorrimento di giunti normalizzati per le strutture di acciaio

Articolo tecnico

L'articolo prende in esame la rigidezza dei collegamenti normalizzati secondo le DSTV (German Steel Construction Association)/DASt (German Committee for Structural Steelwork), spesso utilizzati nelle costruzioni di acciaio, e i suoi effetti sull'analisi strutturale e le verifiche secondo DIN EN 1993-1-1.

La DIN EN 1993-1-8 [3] fornisce un modello per il calcolo e la classificazione della rigidezza del collegamento e gestisce la modellazione di giunti semi-rigidi nel modello strutturale. 

Nella pratica, i collegamenti a momento sono solitamente definiti come rigidi nel modello strutturale per la determinazione delle azioni interne. Quindi, la relazione momento-rotazione della connessione non viene considerata nella determinazione delle caratteristiche della sollecitazione. In molti casi comunque, secondo le normative è necessario considerarla nell'analisi strutturale in funzione della rigidezza della struttura.

Di seguito, si illustrerà con un esempio pratico l'effetto dello scorrimento del collegamento sulle verifiche di strutture in acciaio.

Struttura

Si prende in esame un telaio incernierato con una luce di 15 m e un'altezza di 6 m più un attico di 0,8 m.

Per il primo step con collegamenti rigidi, sono applicate le sezioni trasversali mostrate in figura 01. Si utilizzerà un acciaio strutturale S235 secondo DIN EN 1993-1-1 [2].

Figura 01 - Struttura per il primo step di verifica e collegamento selezionato

Carico

Sarà calcolato con le seguenti ipotesi:
  • Larghezza del carico (distanza dal telaio) = 5,00 m
  • Peso proprio della struttura di copertura g = 0,40 kN/m²
  • Carico da neve s = 1,30 kN/m²
  • Carico del vento sulle pareti w = 0,60 kN/m² (cp = 0,8 snd -0,5)
  • Imperfezioni (nel piano del telaio) secondo DIN EN 1993-1-1

Progetto allo SLU con giunto rigido

Il calcolo delle azioni interne nel piano del telaio è eseguito secondo un'analisi del II ordine con considerazione delle imperfezioni (inclinazione e monta). L'inviluppo della forza interna My è mostrato in figura 02.

Figura 02 - Inviluppo della forza interna My con giunto rigido

Per la verifica delle aste con RF-/STEEL EC3, sono applicati vincoli laterali e torsionali alle estremità delle membrature e ritegni laterali sull'ala superiore a distanza di 1/3.

La verifica del giunto è eseguita con RF-/JOINTS Steel - DSTV. Saranno usati le tipologie IH3.1 e M20. Con le caratteristiche della sollecitazione esistenti, non è possibile eseguire alcuna verifica secondo [1].

Figura 03 - Verifica del collegamento con RF-/JOINTS Steel - DSTV

Quindi, per la sezione della trave si deve passare ad una IPE 500 e i collegamenti devono essere selezionati come mostrato in figura 01 per analizzare lo stato limite di esercizio.

Verifica allo SLU con giunto semi-rigido

La necessità di considerare la legge momento-rotazione nell'analisi strutturale risulta dalla classificazione del collegamento secondo DIN EN 1993-1-8.

Per un telaio mobile, la classificazione "deformabile" si applica se:
$\frac12\;\cdot\;{\mathrm S}_\mathrm{Structure}\;<\;{\mathrm S}_{\mathrm j,\mathrm{ini}}\;<\;25\;\cdot\;{\mathrm S}_\mathrm{Structure}$

Per il collegamento corrente IH 3.1 E 50 20 6xM20 10.9 (figura 01) senza irrigidimenti e la colonna HE-B 240, risulta:
${\mathrm S}_{\mathrm j,\mathrm{ini}}\;=\;72,270\;\mathrm{kNm}/\mathrm{rad}$

La rigidezza della struttura è calcolata secondo EN 1993-1-8, punto 5.2.2.5 come mostrato di seguito:
${\mathrm S}_\mathrm{Structure}\;=\;\frac{\mathrm E\;\cdot\;{\mathrm I}_\mathrm b}{{\mathrm L}_\mathrm b}\;=\:\frac{21,000\;\mathrm{kN}/\mathrm{cm}²\;\cdot\;48,200\;\mathrm{cm}^4}{1,500\;\mathrm{cm}}\;=\;6,748\;\mathrm{kNm}/\mathrm{rad}$

Il collegamento può quindi essere classificato come deformabile:
3,374 kNm/rad < Sini = 72,270 kNm/rad < 168,700 kNm/rad

A causa della redistribuzione delle forze interne attese per il momento in campata, è possibile eseguire nuovamente il calcolo e la verifica con la sezione originaria IPE 450.

Il calcolo delle forze interne nel piano del portale è eseguito secondo un'analisi del secondo ordine con considerazione delle imperfezioni (inclinazione e monta) e della relazione momento-rotazione del collegamento. L'applicazione è eseguita secondo la DIN EN 1993-1-8, punto 5.1.2.(4), con una molla rotazionale lineare Sj,ini/2. L'inviluppo della forza interna My è mostrato in figura 04.

Figura 04 - Inviluppo della forza interna My con giunto semi-rigido

A causa della rigidezza alla rotazione, risulta una riduzione dei momenti agli angoli del 10% circa. La verifica del collegamento con RF-/JOINTS Steel - DSTV risulta positiva per IH 3.1 E 45 20 6xM20 8.8. La sezione di partenza IPE 450 può anch'essa essere verificata come sufficientemente resistente (figure 05). 

Figura 05 - Verifica della trave e del collegamento

Verifica allo SLU con giunto rigido

Si eseguirà la verifica solo degli spostamenti orizzontali. Il valore limite è definito con wh,max = h / 150 = 680 / 150 = 4,53 cm.

A causa del basso livello di carico allo SLU, si assume che i momenti sono minori di 2/3 Mj,Ed e quindi, per l'analisi delle deformazioni può essere utilizzata la rigidezza elastica iniziale del collegamento. È possibile farlo modificando la rigidezza per le combinazioni di carico pertinenti nei parametri di calcolo (figura 06).

Figura 06 - Parametri di calcolo - Modifica della rigidezza per CC allo SLU - Caratteristica

Applicando Sj,ini, risulta una deformazione in direzione x di 4,73 cm (figura 07).

Figura 07 - Inviluppo delle deformazioni in direzione x

La verifica quindi è come segue:
wex / Wh,max = 4,73 / 4,53 = 1,04

Conclusione

La considerazione della relazione momento-rotazione del collegamento assicura un comportamento più realistico della struttura e un risparmio di materiale del 10% circa.

Inoltre, per la verifica allo stato limite di esercizio per questioni economiche, è necessario applicare la rigidezza elastica iniziale per le combinazioni di carico durante l'analisi delle deformazioni.

Parole chiave

scorrimento collegamenti dstv rigidezza

Bibliografia

[1]   Typisierte Anschlüsse im Stahlhochbau nach DIN EN 1993-1-8. Stahlbau Verlags- und Service GmbH, Düsseldorf, 2013.
[2]   Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings; EN 1993-1-1:2010-12
[3]   EN 1993-1-8 (2005): Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-8: Design of joints [Authority: The European Union Per Regulation 305/2011, Directive 98/34/EC, Directive 2004/18/EC]

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