La stabilità della struttura non è un fenomeno nuovo quando ci si riferisce alla progettazione in acciaio. Lo standard canadese per la progettazione dell'acciaio CSA S16 e l'ultima versione del 2019 non fanno eccezione. I requisiti dettagliati di stabilità possono essere affrontati sia con il Metodo Semplificato di Analisi di Stabilità nella Clausola 8.4.3 oppure, novità dello standard 2019, con il metodo degli Effetti di Stabilità nell'Analisi Elastica fornito nell'Allegato O [1].
La Clausola 8.4.1 [1] elenca i requisiti di stabilità che la progettazione strutturale dovrebbe affrontare usando uno dei due metodi. Questi includono deformazioni che contribuiscono alla struttura, effetti di secondo ordine inclusi P-Δ e P-δ, imperfezioni geometriche globali e dei membri, riduzione della rigidezza considerando lo snervamento del membro e le tensioni residue, e infine, l'incertezza nella rigidezza e resistenza della struttura.
Clausola 8.4.3 – Metodo Semplificato di Analisi di Stabilità
Con il metodo semplificato di analisi di stabilità definito nell'8.4.3 [1], è elencato solo un paio di requisiti.
Nonlinearità Geometriche
Il primo include gli effetti di secondo ordine dei membri, o P-Δ, che possono essere considerati direttamente nell'analisi. Un metodo di calcolo dell'analisi di secondo ordine è comune con molti programmi di analisi strutturale oggi. L'alternativa è amplificare tutti i carichi assiali dei membri e i momenti flettenti ottenuti da un'analisi di primo ordine mediante il fattore U2 definito nell'8.4.3.2(b) [1]. Questo approccio può essere più adatto per calcoli manuali o se il software di analisi strutturale non include automaticamente gli effetti P-Δ.
Imperfezioni Geometriche
I carichi laterali notionali sono il secondo elemento elencato sotto il metodo semplificato nella Clausola 8.4.3.3 [1]. Questo carico applicato è pari a 0.005 volte il carico gravitazionale totale fattorizzato al piano considerato e dovrebbe essere distribuito in modo simile al carico gravitazionale. I carichi notionali sono sempre applicati nella direzione che genera il maggiore effetto destabilizzante. Questo significa che tali carichi dovrebbero essere applicati nella stessa direzione di un carico di vento laterale per generare le maggiori deformazioni e forze interne sulla struttura.
Allegato O.2 – Effetti di Stabilità nell'Analisi Elastico
Come alternativa all'approccio semplificato di analisi di stabilità sopra indicato, gli ingegneri possono utilizzare l'Allegato O.2 per soddisfare i requisiti di stabilità stabiliti nella Clausola 8.4.1 [1]. Questo approccio è stato aggiunto allo standard del 2019 e ha molte somiglianze con il manuale di progettazione in acciaio degli Stati Uniti AISC 360-16 Ch. C Metodo di Analisi Diretta.
Nonlinearità Geometriche
Le non linearità geometriche, o effetti di secondo ordine, sono affrontate nell'O.2.2 [1]. Come nel metodo semplificato, un'analisi di secondo ordine può essere eseguita direttamente che include gli effetti dei carichi che agiscono ai punti di intersezione dislocati dei membri (effetti P-Δ). Inoltre, gli effetti dei carichi assiali che agiscono sulla forma del membro deflesso lungo la lunghezza dovrebbero essere considerati (P-δ). Ci sono disposizioni date nell'O.2.2 [1] dove P-δ può essere trascurato interamente. D'altra parte, se P-δ è incluso direttamente nell'analisi, il fattore U1 può essere impostato a 1.0 come indicato nella Clausola 13.8 - Progettazione di membri in compressione assiale e flessione [1].
Imperfezioni Geometriche
Le imperfezioni geometriche dei membri come il disallineamento dei membri o imperfezioni geometriche locali come il disallineamento degli elementi dei membri non necessitano di essere considerate quando si progetta secondo la Clausola O.2 [1]. Tuttavia, le imperfezioni geometriche globali dovrebbero essere considerate con la modellazione diretta o con l'uso di carichi laterali notionali. C'è un'eccezione, però, che queste imperfezioni geometriche globali possono essere trascurate per combinazioni di carico laterale solo se soddisfano i requisiti stabiliti nella Clausola O.2.3.1 [1]. Tra i requisiti ci sono che i carichi gravitazionali della struttura sono supportati principalmente da elementi strutturali verticali e che il rapporto tra lo sbandamento massimo di secondo ordine al piano di primo ordine utilizzando la rigidezza ridotta del membro secondo la Clausola O.2.4 [1] non superi 1.7 a nessun livello dei piani.
Quando l'ingegnere non può trascurare queste imperfezioni, può essere utilizzato il primo metodo di modellazione diretta. I punti di intersezione dei membri dovrebbero essere spostati dalle loro posizioni originali. L'ampiezza di questo spostamento iniziale è stabilita nella Clausola 29.3 [1] e applicata nella direzione di maggiore destabilizzazione, che per la maggior parte delle strutture edili è una tolleranza di 1/500 per la fuori piombo delle colonne. Il problema significativo con questo metodo è l'elevato numero di scenari di modello che devono essere considerati. Teoricamente, sono necessari quattro spostamenti nelle quattro direzioni diverse a ciascun livello di piano. Se gli effetti di disallineamento del membro sono anche combinati con la fuori piombo della colonna, questo aggiunge molti più scenari di modellazione da considerare per soddisfare il maggiore effetto destabilizzante.
Il metodo alternativo e preferito per le imperfezioni geometriche globali è applicare carichi laterali notionali. Questo metodo è consentito solo quando i carichi gravitazionali sono supportati principalmente da elementi strutturali verticali. I carichi laterali notionali sono stati trattati precedentemente in questo articolo e vengono applicati nello stesso modo dell'analisi di stabilità semplificata nella Clausola 8.4.3.2 [1]. Tuttavia, l'ampiezza è ridotta da 0.005 a 0.002 volte il carico gravitazionale fattorizzato al piano rilevante. La riduzione di magnitudo è consentita nella Clausola O.2.3.3 poiché questi carichi notionali considerano solo le imperfezioni geometriche globali, mentre i carichi notionali nella Clausola 8.4.3.2 [1] considerano anche gli effetti di inelasticità ed altre incertezze.
Effetti di Inelasticità
Per tenere conto degli effetti di inelasticità e dare anche considerazione alle imperfezioni iniziali del membro o alle imperfezioni geometriche locali così come all'incertezza nella rigidezza e nella resistenza, la rigidezza assiale e flessionale ridotta dei membri secondo le seguenti equazioni nella Clausola O.2.4 [1] dovrebbe essere applicata ai membri che contribuiscono alla stabilità laterale.
- EAr = 0.8τbEA
- EIr = 0.8τbEI
dove
- Cf/Cy < 0.5 ; τb = 1.0
- Cf/Cy > 0.5 ; τb = 4Cf/Cy(1-Cf/Cy)
Per evitare distorsioni localizzate, lo standard suggerisce di applicare questa riduzione di rigidezza a tutti i membri. Inoltre, quando la rigidezza a taglio (GA) e la rigidezza torsionale (GJ) contribuiscono significativamente alla stabilità laterale, la riduzione di rigidezza dovrebbe essere considerata. La riduzione di rigidezza non dovrebbe essere utilizzata quando si analizzano sbandamenti, deflessioni, vibrazioni, o vibrazioni naturali.
Applicazione dell'Allegato O.2 in RFEM 6
Il nuovo programma FEA di generazione RFEM 6 incorpora gli ultimi requisiti di stabilità dello standard CSA S16:19 secondo le disposizioni dell'Allegato O.2.
Nonlinearità Geometriche
Gli effetti di secondo ordine stabiliti nella Clausola O.2.2 [1] sono considerati direttamente quando il metodo di calcolo dell'analisi statica è impostato su "Secondo ordine (P-Δ)". Questo può essere applicato nelle opzioni del Combinatore di Situazione di Progetto. Di conseguenza, tutte le combinazioni di carico sotto la Situazione di Progetto saranno impostate automaticamente anche per un'analisi di secondo ordine. L'utente ha l'opzione di modificare individualmente le impostazioni dell'analisi statica di una combinazione di carico se preferito.
Non solo gli effetti P-Δ sono inclusi per l'analisi del membro, ma anche P-δ sono considerati automaticamente. Per ulteriori informazioni su questo argomento e sulla verifica in RFEM 6, dai un'occhiata a: Knowledge Base 1759 .
Pertanto, il fattore U1 può essere impostato a 1.0 specificato nella Clausola 13.8 per la progettazione del membro in acciaio. Questa opzione si trova sotto l'Aggiunta di Progetto in Acciaio – Configurazioni Ultimate – Stabilità – Parametri di Progetto.
Imperfezioni Geometriche
L'utente RFEM 6 ha l'opzione di modellare direttamente imperfezioni geometriche globali spostando punti o nodi di intersezioni dei membri. Tuttavia, per garantire che questo metodo crei il maggiore effetto destabilizzante, saranno necessari molteplici modelli con vari scenari. Questo è piuttosto dispendioso in termini di tempo e fastidioso.
L'approccio alternativo è applicare carichi notionali con le opzioni di imperfezione fornite in RFEM 6. Per iniziare, devono essere definiti i Casi di Imperfezione con il tipo di imperfezione impostato su "Imperfezioni locali" nella scheda Principale. Questi includerebbero tipicamente casi nelle direzioni ortogonali X e Y, a seconda dell'applicazione di carichi laterali come vento e sisma. Il Caso di Imperfezione può quindi essere correlato nella scheda Assegnazione ai casi di carico specifici per produrre il maggiore effetto destabilizzante (ad esempio, i carichi notionali nella direzione +X dovrebbero essere applicati solo con carichi di vento nella direzione +X).
Una volta generati i Casi di Imperfezione, le imperfezioni dei membri possono essere definite. La finestra di dialogo delle Imperfezioni dei Membri include il CSA S16:19 nelle opzioni a discesa. Il carico notionale è applicato all'estremità del membro (cioè, la sommità della colonna) con una magnitudo pari a 0.002 (o 0.005 se si utilizza il metodo di stabilità semplificato) moltiplicata per la forza assiale del membro (carico gravitazionale del membro applicato). Una forza uguale e opposta è applicata internamente all'estremità opposta del membro per evitare tagli di base irrealistici. La definizione dell'imperfezione è applicata agli assi locali dei membri nella stessa direzione del carico laterale applicato come vento o sismico. La definizione è ulteriormente applicata a tutti i membri verticali nel modello.
Dopo che le imperfezioni sono applicate al modello, la Situazione di Progetto è impostata di default per considerare le imperfezioni per tutte le combinazioni di carico. Le imperfezioni dovrebbero essere applicate alle Situazioni di Progetto Ultime ma disattivate per le Situazioni di Progetto di Servizio. Questo può essere impostato creando un nuovo tipo di definizione del Combinatore di Situazioni, disattivando le opzioni di considerazione delle imperfezioni, ed applicando solo alle Situazioni di Progetto di Servizio.
Effetti di Inelasticità
Le riduzioni di rigidezza sono applicate alla Situazione di Progetto Ultima solo attraverso le opzioni di definizione del Combinatore di Situazioni e con il checkbox “Considera modifica struttura”. Una nuova definizione di modifica della struttura può essere creata. Il checkbox “Membri” è selezionato nella scheda Principale - Materiali e Sezioni. Questo richiama una nuova scheda Membri dove la definizione di Modifica della Rigidezza del Membro è definita secondo la CSA S1-19 O.2.4 | Strutture in Acciaio. Questo tipo di definizione permette al programma di calcolare automaticamente il fattore di riduzione τb, oppure un valore generico di 1.0 può essere impostato per tutti i membri. Inoltre, il fattore 0.8 può essere applicato ai vari tipi di rigidezza dei membri. L'utente può determinare se il fattore τb e 0.8 dovrebbe essere applicato solo alla rigidezza assiale e flessionale del membro o se anche la rigidezza a taglio e torsionale dovrebbe essere considerata. Una volta che le proprietà di modifica della rigidezza sono state inserite, la definizione può essere applicata a membri specifici o il termine "Tutti" può essere impostato per applicare a tutti i membri nel modello.
Poiché la riduzione di rigidezza dei membri non dovrebbe essere considerata per la progettazione di servizio (ad esempio, controlli di deflessione), il checkbox “Considera modifica struttura” dovrebbe rimanere non spuntato per la definizione del Combinatore di Situazioni di Servizio.
Dopo queste modifiche, tutte le combinazioni di carico fattorizzate includeranno la riduzione di rigidezza di modifica della struttura mentre tutte le combinazioni di carico non fattorizzate utilizzeranno la rigidezza completa del membro.
Sommario
I significativi requisiti di progettazione di stabilità secondo l'Allegato O.2 nel manuale canadese di progettazione in acciaio CSA S16:19 sono completamente incorporati nel flusso di lavoro di analisi RFEM 6. In particolare, questi requisiti includono un'analisi di secondo ordine, la capacità di considerare i carichi notionali come imperfezioni, così come la riduzione delle rigidezze dei membri. Per vedere questo argomento dimostrato in un video di esempio dettagliato, guarda il webinar: CSA S16:19 Verifica acciaio in RFEM 6 (USA) .
