Introduzione
Le soluzioni tradizionali per connessioni sono ampiamente utilizzate nella costruzione in acciaio, con la norma EN 1993-1-8 che prescrive il metodo a componenti per la progettazione. Questo metodo può essere impegnativo, specialmente per progetti complessi, ma risorse come le giunzioni standardizzate in strutture d'acciaio secondo DIN EN 1993-1-8 forniscono geometrie di giunzioni predefinite con valori di resistenza e rigidità, semplificando il processo.
Questo articolo confronta i risultati dei metodi di progettazione convenzionali con quelli generati dall'approccio avanzato CBFEM nel componente aggiuntivo Giunzioni in Acciaio per RFEM 6, utilizzando due configurazioni di giunzioni rappresentative per evidenziare le differenze.
La giunzione analizzata è una connessione resistente ai momenti per travi con sezioni trasversali a forma di I o H e piastre terminali, assemblata con file verticali di bulloni ad alta resistenza per una resistenza affidabile ai carichi.
Le connessioni con piastre terminali hanno diverse varianti di configurazione. Questo articolo copre due opzioni: la piastra terminale estesa, che si estende sopra la trave ed è collegata al pilastro, e la piastra terminale a filo, che copre solo l'area della sezione trasversale della trave ed è collegata al pilastro.
La geometria della piastra terminale estesa, Tipo A, è presa dalle tabelle per giunzioni resistenti ai momenti Tipo IH [1], mentre la geometria della piastra terminale a filo, Tipo B, è derivata dalle tabelle per giunzioni resistenti ai momenti Tipo IM [3].
Le geometrie delle giunzioni selezionate sono presentate nella tabella seguente, insieme alla loro configurazione.
| Giunzione | Tipo A.1 | Tipo A.2 | Tipo B.1 | Tipo B.2 | |
| Riferimento | IH es. 444 [1] | IH es. 141 [1] | IM es. 10781 [3] | IM es. 10743 [3] | |
| Qualità dell'acciaio | S235 | S235 | S235 | S235 | |
| Sezione trasversale della trave | HEA 260 | IPE 600 | HEA 260 | HEA 200 | |
| Sezione trasversale del pilastro | HEB 550 | HEB 600 | HEB 320 + rig.1 12,5 mm | HEB 320 + rig.1 10 mm | |
| Dimensioni della piastra terminale, mm | |||||
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20 | 20 | 20 | 15 | |
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260 | 220 | 260 | 200 | |
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340 | 700 | 280 | 210 | |
| Disposizioni dei bulloni, mm | |||||
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30 | 30 | 75 | 60 | |
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95 | 100 | 130 | 90 | |
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140 | 480 | |||
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75 | 90 | |||
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70 | 70 | 15 | 10 | |
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20 | 30 | |||
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130 | 110 | 130 | 110 | |
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65 | 55 | |||
| Bullone | M20 10.9 | M20 10.9 | M24 10.9 | M20 10.9 | |
| Saldature a filetto, mm | |||||
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7 | 8 | 4 | 4 | |
|
4 | 4 | 4 | 4 |
1 rig. - irrigidimenti
Approccio Analitico
Le tabelle di resistenza fornite in Giunzioni standardizzate in strutture d'acciaio secondo DIN EN 1993-1-8 [1] e Strutture d'acciaio secondo DIN EN 1993-1-8, Volume Supplementare 2018 [3] sono valide sotto le seguenti condizioni: le procedure di verifica sono elastiche-elastiche o elastiche-plastiche; carico statico predominante; pilastro continuo; altezze e posizioni delle travi uguali per le configurazioni di giunzioni trave-a-pilastro a doppio lato; colonne, travi e piastre terminali in S 235 o S 355 secondo DIN EN 1993 parte 1.1; sezioni di travi e pilastri HEB, HEA, HEM, IPE sono sezioni laminate secondo DIN 1025 parti 2, 3, 4 e 5 e precedenti Euronormi EU 53-62 (serie HE) e EU 19-57 (IPE) rispettivamente.
Le modalità di rottura e i componenti primari che influenzano la resistenza al momento e la rigidità considerati per le giunzioni di Tipo A e Tipo B includono (vedi [2] 6.2.6.1 a 6.2.6.8) anima del pilastro a taglio (CWS), anima del pilastro in compressione (CWC), flangia e anima della trave in compressione (BFC), anima del pilastro a trazione (CWT), flangia del pilastro a flessione (CFB), anima della trave a trazione (BWT), piastra terminale a flessione (EPB) e bulloni a trazione (BT).
La resistenza al momento e la rigidità rotazionale iniziale delle giunzioni trave-pilastro sia con piastre terminali estese che a filo sono state prese dalle tabelle di resistenza fornite in [1] e [3].
Le configurazioni delle giunzioni sono presentate all'inizio di questo articolo, mentre i valori di resistenza al momento e rigidità rotazionale sono riassunti nella tabella comparativa seguente.
Analisi a Componenti Basata su FE
Il progetto della connessione è stato eseguito utilizzando il componente aggiuntivo Giunzioni in Acciaio per RFEM 6.
Il componente aggiuntivo Giunzioni in Acciaio consente l'analisi delle connessioni basata su un modello FE. Sia l'input che la valutazione dei risultati sono completamente integrati nell'interfaccia utente di RFEM, rendendo il processo di progettazione intuitivo ed efficiente.
1. Giunzioni Resistente ai Momenti con Piastre Terminali Estese
Input del Componente Aggiuntivo Giunzioni in Acciaio
Le configurazioni delle giunzioni sono presentate all'inizio di questo articolo.
Risultati del Componente Aggiuntivo Giunzioni in Acciaio
Il componente aggiuntivo Giunzioni in Acciaio per RFEM 6 amplia le capacità del software consentendo agli ingegneri di analizzare le connessioni in acciaio con la precisione di un modello a elementi finiti (FE). Questo strumento avanzato facilita la visualizzazione dettagliata di tutti i risultati chiave direttamente sul modello FE, offrendo una chiara e completa panoramica delle prestazioni della connessione sotto vari carichi e condizioni. Di conseguenza, RFEM offre una comprensione più profonda del comportamento delle giunzioni e aiuta a ottimizzare i progetti per sicurezza ed efficienza.
La rappresentazione dettagliata dei risultati è data solo per la giunzione Tipo A.1.
Resistenza al momento
La resistenza al momento per la giunzione Tipo A.1 è di 163.43 kNm.
Tensioni equivalenti
Le tensioni equivalenti mostrano la distribuzione complessiva delle tensioni nella connessione e aiutano a identificare i potenziali punti di guasto causati dai punti di concentrazione delle tensioni. Sono essenziali per valutare la capacità portante del carico della connessione.
La distribuzione dello stress nella giunzione è influenzata dai meccanismi di trasferimento del carico e dalla geometria della giunzione. La configurazione simmetrica aiuta a distribuire uniformemente le forze, anche se si verificano concentrazioni localizzate di stress. Le flangie delle travi e le piastre terminali sperimentano le sollecitazioni più alte, specialmente vicino alla piastra terminale dove è collegata ai flangioni delle travi e bullonata al pilastro. L'area in rosso scuro indica sollecitazioni al limite di snervamento dell'acciaio. Anche le facce del pilastro adiacenti alla giunzione sperimentano sollecitazioni significative.
Deformazioni plastiche
Le piastre nella connessione sono progettate plasticamente e coinvolgono il confronto tra la deformazione plastica calcolata e una deformazione plastica accettabile. La deformazione plastica limite è del 5%, secondo EN 1993‑1‑5, Allegato C. Questo valore è adottato come valore predefinito nel componente aggiuntivo Giunzioni in Acciaio.
Il pattern delle deformazioni nella giunzione segue da vicino la distribuzione dello stress. La piastra terminale mostra pattern di deformazione non uniformi a causa del trasferimento eccentrico del carico, con concentrazioni di deformazione intorno ai fori dei bulloni dove si verificano le tensioni massime.
Nel complesso, la distribuzione delle deformazioni è non uniforme, con maggiori deformazioni plastiche nelle aree di concentrazione delle tensioni, raggiungendo fino allo 0,5% in luoghi critici.
Proporzioni di progetto sul Componente Aggiuntivo Giunzioni in Acciaio
Un riepilogo delle proporzioni di progetto è presentato nella tabella seguente.
Rigidità Rotazionale
Un riepilogo dei valori di rigidità rotazionale è presentato nella tabella seguente.
La giunzione mostra due valori per la rigidità rotazionale a causa della sua natura asimmetrica. I momenti agenti in entrambe le direzioni, verso l'alto e verso il basso, producono diverse risposte di rigidità. Di conseguenza, la rigidità rotazionale varia a seconda della direzione del momento applicato, riflettendo il comportamento non simmetrico della giunzione.
2. Giunzioni Resistente ai Momenti con Piastre Terminali a Filo
Input del Componente Aggiuntivo Giunzioni in Acciaio
Le configurazioni delle giunzioni sono presentate all'inizio di questo articolo.
Il progetto della connessione è stato eseguito utilizzando il componente aggiuntivo Giunzioni in Acciaio per RFEM 6.
Risultati del Componente Aggiuntivo Giunzioni in Acciaio
La rappresentazione dettagliata dei risultati è data solo per la giunzione Tipo B.1.
Resistenza al momento
La resistenza al momento per la giunzione Tipo B.1 è di 94.09 kNm.
Proporzioni di progetto e Rigidità Rotazionale
Un riepilogo delle proporzioni di progetto e della rigidità rotazionale della giunzione sono presentati nelle tabelle seguenti.
Discussione
Sono stati condotti alcuni calcoli per l'analisi: uno per la giunzione con profilo HEA e uno con profilo IPE. Queste geometrie sono state modellate utilizzando il componente aggiuntivo Giunzioni in Acciaio. I risultati dei calcoli - sia analitici che basati sul metodo CBFEM - sono presentati di seguito.
| Giunzione | Tipo A.1 | Tipo A.2 | Tipo B.1 | Tipo B.2 | |
| Riferimento | IH es. 444 [1] | IH es. 141 [1] | IM es. 10781 [3] | IM, es. 10743 [3] | |
| RESISTENZA AL MOMENTO | |||||
| Analitico, kNm | 152.5 | 356.6 | 93.59 | 43.41 | |
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EPB + BT | EPB + BT | EPB + BT | EPB + BT | |
|
1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | |
| Componente Aggiuntivo Giunzioni in Acciaio, kNm | 163.43 | 378.5 | 94.09 | 43.13 | |
|
0.221 | 0.234 | 0.477 | 0.908 | |
|
1.000 | 0.991 | 0.909 | 0.848 | |
|
0.981 | 0.989 | 0.994 | 0.998 | |
| Differenza nel valore di resistenza al momento, % | 7.25 | 5.96 | 0.53 | 0.65 | |
| RIGIDITÀ ROTAZIONALE | |||||
| Analitico, MNm/rad | 27.2 | 135.1 | 15.52 | 6.6 | |
| Componente Aggiuntivo Giunzioni in Acciaio, MNm/rad | 28.3 | 166.1 | 12.4 | 5.2 | |
| Differenza, % | 3.96 | 20.6 | 22.34 | 23.7 |
Il confronto tra il metodo analitico e il moderno approccio CBFEM rivela generalmente una buona corrispondenza.
Per le giunzioni di tipo A, la differenza nella resistenza al momento varia dal 5.96% al 7.25%, con il componente aggiuntivo Giunzioni in Acciaio che fornisce valori leggermente superiori grazie a una stima più dettagliata della resistenza al momento della giunzione.
Per le giunzioni di tipo B, le differenze nella resistenza al momento sono minori, variando dallo 0.53% allo 0.65%, indicando un'eccellente corrispondenza tra i due metodi.
La rigidità rotazionale mostra una variazione maggiore tra le giunzioni. Per le giunzioni di tipo A, la differenza nella rigidità varia dal 3.96% al 20.6%. La differenza maggiore suggerisce che l'approccio CBFEM fornisce una rappresentazione più raffinata e accurata del comportamento rotazionale, catturando interazioni più complesse all'interno della giunzione.
Per le giunzioni di tipo B, le differenze sono ancora più significative, con variazioni del 22.34% e del 23.7%. Queste differenze maggiori indicano che il componente aggiuntivo Giunzioni in Acciaio prende in considerazione aspetti più intricati del comportamento della giunzione, come la distribuzione del carico e le deformazioni, che il metodo analitico semplificato non cattura completamente.
Quando la capacità al momento è raggiunta nelle giunzioni di tipo A, l'analisi FE mostra che le piastre terminali subiscono deformazioni plastiche mentre i bulloni raggiungono la loro resistenza. Questo corrisponde alle modalità di rottura dalla letteratura di riferimento. Anche le saldature sono al limite della loro capacità.
Per quanto riguarda le giunzioni di tipo B, la resistenza al momento raggiunta nell'analisi FE in tutte le parti valutate è utilizzata uniformemente, cioè bulloni, piastre terminali e saldature. Ciò significa che la giunzione è ben progettata. L'elevata deformazione plastica nelle piastre terminali è evidente.
In conclusione, il componente aggiuntivo Giunzioni in Acciaio fornisce un approccio preciso e dettagliato, particolarmente utile per configurazioni di giunzioni complesse.
Riferimenti
[1] Giunzioni standardizzate in strutture d'acciaio secondo DIN EN 1993-1-8, Edizione Completa 2013
[2] DIN EN 1993-1-8:201.0-12 Eurocodice 3: Progettazione di strutture in acciaio Parte 1-8: Progettazione delle giunzioni. Versione tedesca EN 1993-1-8:2005 + AC:2009
[3] Giunzioni standardizzate in strutture d'acciaio secondo DIN EN 1993-1-8, Volume Supplementare 2018. Giunzioni resistenti ai momenti IM