46x

002057

2026-06-11

Analisi di Piastre di Estremità Estese Spesse e Bulloni Multipli per Fila con Add-on Giunti in Acciaio per RFEM

Questo studio esamina la verifica dei giunti in acciaio come implementati in RFEM per l'analisi di piastre di estremità estese spesse e bulloni multipli per fila. Il comportamento strutturale e la prestazione di questi giunti sono valutati rispetto alle disposizioni normative dell'Eurocodice 3 (EC-3) e confrontati con un Modello a Elementi Finiti Orientato alla Ricerca (ROFEM), precedentemente sottoposto a validazione mediante prove sperimentali.

Modello Analitico

Questo studio adotta i criteri di progetto specificati nella EN 1993-1-8 per la valutazione della resistenza dei bulloni (taglio e trazione) e della resistenza della piastra (rifollamento e punzonamento), utilizzando le formulazioni agli stati limite fornite nella Tabella 3.4.

La resistenza di progetto del T-stub equivalente è valutata indipendentemente per i componenti della piastra di estremità e dell'ala della colonna. Per ciascun componente, la resistenza di progetto determinante, F_T,Rd, è definita come il valore minimo derivante da tre potenziali meccanismi di rottura.

F_{T, R d} = m i n (F_{T 1, R d}, F_{T 2, R d}, F_{T 3, R d})

Resistenza di progetto dei T-stub e modalità di rottura secondo EN 1993-1-8

La resistenza individuale per ciascun modo è calcolata in base alla capacità di momento plastico dell'ala (M_pl,1,Rd e M_pl,2,Rd) e alla resistenza a trazione del gruppo di bulloni (∑F_t,Rd). Questi modi considerano la completa plasticizzazione dell'ala (Modo 1), la rottura del bullone accoppiata alla plasticizzazione dell'ala (Modo 2) e la pura frattura del bullone (Modo 3).

Modi di Rottura:

F_{T, 1, R d} = \frac{(8 n - 2 e_{w}) M_{p l, 1, R d}}{2 m n - e_{w} (m + n)}

Modo 1: Snervamento completo della piattabanda

F_{T, 2, R d} = \frac{2 M_{p l, 2 R d} + n (\sum F_{t, R d})}{(m + n)}

Modo 2: Rottura del bullone accoppiata con snervamento della flangia

F_{T, 3, R d} = \sum F_{t R d}

Modo 3: Frattura del bullone puro

Momenti Plastici di Resistenza:

M_{p l, 1, R d} = \frac{0.25 \sum l_{e f f, 1} {t_{f}}^{2} f_{y}}{γ_{M 0}}

Momento di resistenza plastico

M_{p l, 2, R d} = \frac{0.25 \sum l_{e f f, 2} {t_{f}}^{2} f_{y}}{γ_{M 0}}

Momento di resistenza plastico

Illustrazione che mostra diverse modalità di cedimento di un elemento T-Stub in ingegneria strutturale

Modalità di rottura degli elementi di T-Stub

Dettagli Geometrici della Connessione Trave-Colonna

In linea con la pratica costruttiva standard, tutti gli elementi trave e colonna sono stati realizzati in acciaio S235, mentre le piastre di estremità hanno utilizzato acciaio ad alta resistenza S355. Le configurazioni geometriche, inclusi gli arrangiamenti della piastra di estremità e del gruppo di bulloni, sono dettagliati nella Figura 2, con la corrispondente matrice di test sperimentali e le proprietà misurate dei materiali fornite rispettivamente nella Tabella 1.

Come definito nella matrice di test, il Gruppo A (campioni 1A–3A) ha utilizzato una sezione di colonna HEA 300 (t_w = 8.5mm; t_f = 14mm), mentre il Gruppo B ha incorporato la sezione più pesante HEB 300 (t_w = 11mm; t_f = 19mm). Per valutare le prestazioni di una gerarchia colonna-debole trave-forte, una sezione uniforme di trave HEB 300 e piastre di estremità di spessore 30 mm sono state mantenute per tutti i campioni, assicurando che le configurazioni del Gruppo A fossero critiche per la colonna.

Tabella 1: Configurazione Geometrica dei Campioni Testati

Campioni	Profilo Colonna	Profilo Trave	N. Bulloni	Lunghezza Colonna	Lunghezza Trave
T1A	HEA 300	HEB 300	12	2	1.5
T2A	HEA 300	HEB 300	6	2	1.5
T3A	HEA 300	HEB 300	8	2	1.5
T1B	HEB 300	HEB 300	12	2	1.5
T2B	HEB 300	HEB 300	6	2	1.5
T3B	HEB 300	HEB 300	8	2	1.5

(a) Tipica connessione bullonata trave-colonna e (b) rappresentazione mediante il metodo delle componenti.

(a) Tipica connessione bullonata trave-colonna e (b) rappresentazione del metodo dei componenti

Piastra di estremità/Configurazione bulloni

Configurazione Piastra di Estremità/Bulloni

Discussione

Soluzione Steel Joints per RFEM

Utilizzando il modulo aggiuntivo Steel Joints basato su FEM per RFEM 6, il processo di progettazione della connessione è stato completamente integrato nel modello strutturale primario. Questo studio presenta un'indagine sperimentale e numerica sulle prestazioni strutturali di sei connessioni trave-colonna con piastra di estremità estesa spessa, con un'enfasi specifica sull'influenza di schemi di bullonatura non convenzionali che coinvolgono più bulloni per fila. Per isolare la rigidezza rotazionale intrinseca della zona nodale, tutti i campioni sono stati configurati senza irrigidimenti d'anima della colonna supplementari. La matrice sperimentale ha interrogato due distinte gerarchie di rottura: (1) una configurazione colonna-debole/trave-forte (colonna HEA300; trave HEB300) e (2) una configurazione a rigidezza bilanciata (colonna e trave HEB300).

Queste indagini sono state aumentate da una caratterizzazione mirata del T-stub e da un'analisi FEM (Finite Element) ad alta fedeltà. Dopo la validazione rispetto ai dati sperimentali e la verifica tramite i quadri dell'Eurocodice 3 (EC3), i modelli FEM sono stati impiegati per estrarre approfondimenti granulari sui meccanismi di deformazione localizzati. Le Fig. 4&5 e le Tabelle 2&3 illustrano il confronto della resistenza a momento e della rigidezza - Sperimentale, ROFEM, Steel Joints in RFEM con EC-3. E la Tabella 4 illustra i modi di rottura.

Confronto della resistenza a momento – Esperimento, ROFEM, Giunti in acciaio in RFEM e EC-3

Confronto della resistenza a momento – Sperimentale, ROFEM, Giunti in Acciaio in RFEM e EC-3

Confronto della rigidezza – Esperimento, ROFEM, Giunti in acciaio in RFEM ed EC-3

Confronto della rigidezza – Esperimento, ROFEM, Giunti in acciaio in RFEM ed Eurocodice 3

Tabella 2: Confronto della resistenza a momento, Rigidezza - Sperimentale, ROFEM, Steel Joints in RFEM & EC-3-1-8.

Test Sperimentali
Campione	N. bulloni	Momento kN·m, M_j.R	Rigidezza Iniziale S_j,ini (MNm/rad)
T1A	12	193.5	26.34
T2A	6	122.1	12.35
T3A	8	109.8	14.27
T1B	12	262.4	22.31
T2B	6	196.4	17.58
T3B	8	161.3	27.28

Metodo delle Componenti EC3-1-8
Campione	N. bulloni	Momento kN·m, M_j.R	Rigidezza Iniziale S_j,ini (MNm/rad)
T1A	12	114	33
T2A	6	108.8	27.42
T3A	8	64.7	18.87
T1B	12	162.6	41.83
T2B	6	156.5	38.96
T3B	8	81.1	23.82

ROFEM
Campione	N. bulloni	Momento kN·m, M_j.R	Rigidezza Iniziale S_j,ini (MNm/rad)
T1A	12	179.3	19.5
T2A	6	107.3	9.14
T3A	8	96.9	5.81
T1B	12	261.9	23.8
T2B	6	190.2	17.67
T3B	8	177	16.36

RFEM Steel Joints
Campione	N. bulloni	Momento kN·m, M_j.R	EC-3/RFEM
T1A	12	154.57	0.74
T2A	6	115.42	0.94
T3A	8	97.13	0.67
T1B	12	197.5	0.82
T2B	6	172.8	0.91
T3B	8	137.63	0.59

Tabella 3: Confronto della rigidezza.

RFEM Steel Joints
Campione	N. bulloni	Rigidezza Iniziale S_j,ini (MNm/rad)	EC-3/RFEM
T1A	12	13.4	2.46
T2A	6	8.2	3.34
T3A	8	11.5	1.64
T1B	12	18.8	2.23
T2B	6	12.5	3.12
T3B	8	16.9	1.41

Tabella 4: Modi di rottura.

Campione	EC-3	Steel Joints in RFEM	Esperimenti
T1A	Flessione ala colonna	Flessione ala colonna	Flessione ala colonna
T2A	Flessione ala colonna	Flessione ala colonna	Flessione ala colonna
T3A	Flessione ala colonna	Flessione ala colonna	Flessione ala colonna
T1B	Flessione ala colonna	Flessione ala colonna	Flessione ala colonna
T2B	Flessione ala colonna	Flessione ala colonna	Flessione ala colonna
T3B	Flessione ala colonna	Flessione ala colonna	Flessione ala colonna

Tensioni Equivalenti e Deformazione Plastica del Modello T1A

Tensioni equivalenti e Deformazione plastica del modello T2A

Sforzi equivalenti e deformazione plastica del modello T2A

Tensioni Equivalenti e Deformazione Plastica del Modello T3A

Tensioni Equivalenti e Deformazione Plastica del Modello T1B

Tensioni Equivalenti e Deformazione Plastica del Modello T2B

Tensioni Equivalenti e Deformazione Plastica del Modello T3B

Tasso di lavoro e Rigidezza rotazionale del Modello T1A

Tasso di lavoro e Rigidezza rotazionale di Modello T1A

Tasso di lavoro e rigidezza rotazionale del modello T2A

Tasso di Lavoro e Rigidezza Rotazionale del Modello T3A

Tasso di Lavoro e Rigidezza Rotazionale del Modello T1B

Tasso di lavoro e rigidezza rotazionale del modello T2B

Tasso di Lavoro e Rigidezza Rotazionale del Modello T3B

Conclusione

I dati sperimentali preliminari sono stati utilizzati per valutare l'applicabilità delle disposizioni della EN 1993-1-8 agli Steel Joints. In linea con i risultati riportati per gli elementi convenzionali in acciaio al carbonio, si è riscontrato che il modello di rigidezza dell'Eurocodice sovrastima la rigidezza rotazionale iniziale, con le previsioni analitiche che dimostrano una dispersione considerevole rispetto ai valori misurati.

I risultati sperimentali confermano che sia la resistenza a momento che la rigidezza iniziale aumentano con il numero di bulloni, con i campioni a 12 bulloni (T1A, T1B) che superano costantemente le controparti a 6 e 8 bulloni. Il metodo delle componenti dell'EC3-1-8 generalmente sottostima la capacità di momento mentre sovrastima la rigidezza iniziale, in modo più evidente per T1B (41.83 vs. 22.31 MNm/rad), coerentemente con la tendenza alla sovrastima osservata secondo la EN 1993-1-8.

I rapporti EC-3/RFEM che variano da 0.59 a 0.94 indicano previsioni conservative della resistenza a momento da parte del metodo delle componenti dell'Eurocodice, con il basso rapporto per T3B (0.59) che suggerisce una significativa sottostima per certe geometrie di connessione.

Riferimenti

1. Eurocodice 3. Progettazione delle strutture in acciaio - Parte 1-8: Progettazione dei giunti. Norma Europea EN 1993-1-8. Comitato Europeo di Normazione, Bruxelles, Belgio; 1993. 2. Gary S. Prinz, Alain Nussbaumer, Luis Borges, Shyam Khadka, Experimental testing and simulation of bolted beam-column connections having thick extended endplates and multiple bolts per row, Engineering Structures, Volume 59,2014, Pagine 434-447, ISSN 0141-0296, 10.1016/j.engstruct.2013.10.042

;