Modellazione del collegamento con piastra di base
1) Nella scheda Principale, assegnare il nuovo giunto in acciaio al nodo pertinente. Verificare la "Configurazione di resistenza" per confermare che le impostazioni predefinite siano adeguate, apportando le modifiche necessarie (Immagine 01).
2) Nella scheda Componenti, selezionare "Inserisci componente all'inizio" e scegliere "Piastra di base" (Immagine 02).
3) In "Impostazioni del componente", specificare i materiali, le dimensioni e i posizionamenti per la piastra di base, il blocco in calcestruzzo, il grout, gli ancoraggi e le saldature (Immagine 03).
Il grout è modellato mediante collegamenti rigidi nel sottomodello, il che modifica la geometria del giunto e influisce successivamente sulle forze interne (Immagine 04).
È inoltre disponibile l'opzione per considerare il calcestruzzo fessurato. Per impostazione predefinita, l'ACI presume la presenza di fessurazione. Se si può dimostrare che il calcestruzzo non fessura, deselezionando questa opzione si ottengono resistenze maggiori per i tirafondi contro lo strappo a trazione, l'estrazione a trazione e il distacco a taglio.
L'opzione "Armatura per controllare la fessurazione", in conformità alla Sezione 17.3.5 dell'ACI, può essere attivata quando è prevista un'armatura supplementare per controllare la rottura per fessurazione causata dalle forze di installazione e/o dalla successiva coppia di serraggio. Quando questa opzione è disattivata, il programma visualizza la seguente nota:
“L'armatura per controllare la fessurazione non è prevista. Verificare l'interasse minimo, le distanze dal bordo e lo spessore minimo del calcestruzzo.”
Sono inoltre disponibili il trasferimento del taglio tramite ancoraggi, tramite chiavette di taglio e tramite attrito. Ulteriori informazioni sono fornite nel seguente articolo.
Sono disponibili quattro tipi di ancoraggi: 1 post-installato e 3 gettati in opera (testa esagonale, tirafondo a L con uncino e tirafondo a J con uncino). Per questo esempio è selezionato l'ancoraggio gettato in opera con testa esagonale.
Piastre di rondella
Secondo la Sezione 4.3.2.2 dell'AISC Design Guide 1 [3], “Per barre di ancoraggio di resistenza più elevata o calcestruzzo con una resistenza a compressione inferiore, le piastre di rondella possono essere necessarie per ottenere la piena resistenza degli ancoraggi. Le dimensioni delle rondelle dovrebbero essere ridotte al minimo pur sviluppando la resistenza richiesta.”
È disponibile l'opzione per includere una rondella. I parametri richiesti sono la forma della rondella (circolare o quadrata), il diametro/larghezza e lo spessore. Il diametro/larghezza viene utilizzato per calcolare l'area netta di appoggio dell'ancoraggio, Abrg, per determinare la resistenza allo strappo dell'ancoraggio. Lo spessore della rondella non influisce sulle equazioni di progetto né sul modello FEA ed è utilizzato solo per la rappresentazione grafica.
Verifiche di progetto secondo AISC 360 e ACI 318
Le forze nelle barre di ancoraggio si basano sull'analisi agli elementi finiti (FEA), che tiene conto delle rigidezze degli elementi di collegamento (barre di ancoraggio, piastre di base, blocco in calcestruzzo, ecc.). L'effetto di leva può verificarsi quando la flessibilità della piastra di base provoca una deformazione che aumenta la trazione nelle barre di ancoraggio. Queste forze di leva sono considerate anch'esse nel calcolo FEA.
Sono fornite le seguenti verifiche di progetto per le barre di ancoraggio gettate in opera:
- Resistenza a punzonamento della piastra di base nei fori dei bulloni, ϕbRnb
- Resistenza a trazione dell'acciaio dell'ancoraggio, ϕatNsa
- Resistenza a trazione per breakout del calcestruzzo, ϕcbtNcbg
- Resistenza a trazione per estrazione dell'ancoraggio, ϕpnNpn
- Resistenza a strappo laterale del calcestruzzo, ϕcbtNsbg
- Resistenza a taglio dell'acciaio dell'ancoraggio, ϕavVsa
- Resistenza a taglio per breakout del calcestruzzo, ϕcbvVcbg
- Resistenza a taglio per pry-out del calcestruzzo, ϕcpvVcpg
Sono inoltre fornite altre verifiche di progetto, tra cui la resistenza a compressione dell'appoggio in calcestruzzo, la resistenza della saldatura e la deformazione plastica delle piastre di base e degli elementi.
Esempio
L'Esempio 4.7-11 dell'AISC Design Guide 1 è presentato per verificare i risultati del modello RFEM. In questo esempio viene progettato un collegamento con piastra di base per una colonna W12x96 soggetta a compressione e momento. La colonna è collegata a una fondazione in calcestruzzo con una resistenza a compressione specificata, ƒ'c = 4.000 psi. La piastra di base ha uno spessore di 2,0 in con uno spessore di grout assunto pari a 1,0 in. La lunghezza efficace di ancoraggio, hef, è pari a 18,0 in. I carichi e le proprietà dei materiali sono mostrati nell'Immagine 05.
Nell'esempio, le dimensioni effettive del calcestruzzo non sono fornite e si assume che vi sia area sufficiente affinché i coni di breakout a trazione delle barre di ancoraggio possano formarsi rispetto alla distanza dal bordo. Per soddisfare questa ipotesi, si utilizzano dimensioni del blocco di calcestruzzo pari a 1,5hef + interasse delle barre + 1,5hef (66,0 in x 72,5 in).
L'input completo per il Giunto in acciaio è mostrato sopra nell'Immagine 03.
Risultati
Dopo aver eseguito il calcolo del Giunto in acciaio, il risultato per ciascun componente è presentato nella scheda Rapporti di progetto per componente. Successivamente, selezionare Ancoraggio 1,1 per visualizzare i dettagli della verifica di progetto (Immagine 06).
I dettagli della verifica di progetto forniscono tutte le formule e i riferimenti alle norme AISC 360 e ACI 318 (Immagine 07). Viene inoltre fornita una nota sulle verifiche di progetto escluse per chiarimenti.
Successivamente, selezionare "Risultati nel Giunto in acciaio" per visualizzare graficamente le forze interne degli ancoraggi (Immagine 08).
I risultati di AISC e Giunti in acciaio sono riepilogati di seguito, comprese le ragioni delle discrepanze.
Ancoraggi
Calcestruzzo (resistenza all'appoggio)
La tensione di appoggio di 2,21 ksi è tratta dall'Esempio 4.7-10 con l'ipotesi A1 = A2, fornendo la resistenza minima possibile. L'area della piastra di base è calcolata come 22 in × 24 in = 528 in2, fornendo una resistenza a compressione dell'appoggio in calcestruzzo, ϕPp =2,2 ksi × 528 in2 = 1.166,9 kips, assumendo che l'intera area della piastra di base resista alla compressione.
Nel componente aggiuntivo Giunti in acciaio, si assume A2 ≫ A1 per soddisfare la resistenza a trazione per breakout. L'area efficace di compressione della piastra di base, Aeff, può essere determinata mediante un'analisi FEM oppure tramite l'AISC Design Guide 1, Appendice B.3, in cui Aeff si estende per una distanza c = 1,5*spessore della piastra di base al di fuori delle anime e delle ali. Il valore riportato ϕPp = 1.242,3 kips si basa su Aeff calcolata secondo la Design Guide 1. In alternativa, utilizzando un'analisi FEM, Aeff dipende dalla soglia di tensione di contatto specificata nella Configurazione di resistenza; riducendo questa soglia (fino al 1%) aumenta l'area efficace di compressione.
Piastra di base
La progettazione dello spessore della piastra di base è governata dall'interfaccia di appoggio o di trazione. Secondo i calcoli AISC, lo spessore richiesto in base all'appoggio è 1,92 in (arrotondato a 2,0 in), che controlla il progetto, mentre lo spessore in base alla trazione è calcolato pari a 0,755 in.
Nel componente aggiuntivo Giunti in acciaio, la progettazione della piastra viene eseguita mediante analisi plastica confrontando la deformazione plastica effettiva con il limite ammissibile del 5% specificato nella Configurazione di resistenza. La piastra di base di spessore 2,0 in presenta una deformazione plastica equivalente massima dello 0,09%, indicando che potrebbe essere sufficiente una piastra più sottile. Tuttavia, riducendo lo spessore della piastra possono aumentare le forze di trazione negli ancoraggi.
Nella maggior parte dei casi, il componente aggiuntivo Giunti in acciaio fornisce una piastra di base significativamente più sottile perché tiene conto della flessibilità della piastra di base, a differenza dell'approccio dell'AISC Design Guide 1, Capitolo 4.3.1, che assume una piastra di base rigida.
L'Appendice B.3 dell'AISC Design Guide 1 [3] spiega come tenere conto della flessibilità della piastra di base possa ridurre significativamente lo spessore richiesto. Lo stato limite di snervamento della piastra corrisponde alla flessione verso l'alto della piastra di base nelle posizioni assunte delle linee di snervamento sotto la pressione di appoggio verso l'alto. Questa pressione, a sua volta, è assunta costante, il che suggerisce implicitamente che la piastra di base sia rigida.
Tuttavia, per piastre di base più grandi con un'impronta estesa, questa ipotesi può portare a momenti eccessivamente elevati nelle linee di snervamento, con conseguente necessità di piastre di base troppo spesse.
Questa è un'ipotesi conservativa perché anche una piastra di base di grandi dimensioni è flessibile, in modo tale che le tensioni di appoggio si concentrano sotto le ali e le anime della colonna. In realtà, questo tipo di distribuzione delle tensioni comporta momenti significativamente inferiori nella piastra di base, riducendo lo spessore richiesto.
Conclusione
Il componente aggiuntivo Giunti in acciaio in RFEM 6 offre un approccio avanzato alla progettazione della piastra di base considerando la flessibilità della piastra di base e le azioni di leva che possono verificarsi. Rispetto ai metodi tradizionali descritti nell'AISC Design Guide 1, questo approccio spesso porta a progetti ottimizzati con piastre di base più sottili.
Confrontando i risultati con l'esempio AISC, il componente aggiuntivo dimostra la sua capacità di fornire soluzioni precise ed economiche per i collegamenti con piastra di base.