002057

2026-06-11

Analisi di piastre terminali estese spesse e bulloni multipli per fila con l'Add-on Giunti acciaio per RFEM

Questo studio analizza la verifica dei giunti in acciaio come implementata in RFEM per l'analisi di piastre di estremità estese di elevato spessore e bulloni multipli per fila. Il comportamento strutturale e le prestazioni di questi giunti sono valutati rispetto alle disposizioni di progetto dell'Eurocodice 3 (EC3) e confrontati con un Modello agli Elementi Finiti Orientato alla Ricerca (ROFEM), precedentemente validato 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 (a taglio e a trazione) e della resistenza delle piastre (a rifollamento e a punzonamento), utilizzando le formulazioni agli stati limite fornite nella Tabella 3.4.

La resistenza di progetto del T-stub equivalente viene valutata indipendentemente per i componenti della piastra di estremità e dell'ala della colonna. Per ciascun componente, la resistenza di progetto governante, 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 al momento plastico della flangia (M_pl,1Rd e M_pl,2,Rd) e alla resistenza a trazione del gruppo di bulloni (∑F_t,Rd). Questi modi considerano la completa plasticizzazione della flangia (Modo 1), la rottura del bullone associata alla plasticizzazione della flangia (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 resistenti plastici:

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

1 Modalità di rottura degli elementi di T-Stub

Dettagli geometrici del collegamento trave-colonna

In conformità con la pratica costruttiva standard, tutti gli elementi di trave e colonna sono stati realizzati in acciaio S235, mentre le piastre di estremità hanno utilizzato acciaio ad alta resistenza S355. Le configurazioni geometriche, comprese le disposizioni della piastra di estremità e dei gruppi di bulloni, sono dettagliate nell'Immagine 2, con la corrispondente matrice di prove sperimentali e le proprietà meccaniche misurate fornite nelle Tabelle 1, rispettivamente.

Come definito nella matrice di prova, il Gruppo A (provini 1A–3A) ha utilizzato una sezione di colonna HEA 300 (t_w = 8,5 mm; t_f = 14 mm), mentre il Gruppo B ha incorporato la sezione più pesante HEB 300 (t_w = 11 mm; t_f = 19 mm). Per valutare le prestazioni di una gerarchia colonna debole-trave forte, sono state mantenute una sezione uniforme di trave HEB 300 e piastre di estremità di spessore 30 mm per tutti i provini, garantendo che le configurazioni del Gruppo A fossero critiche per la colonna.

Tabella 1: Configurazione geometrica dei provini testati

Provini	Sezione colonna	Sezione trave	N. di 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

Schema di una connessione bullonata trave-colonna e relativo modello meccanico mediante il metodo del componente per la progettazione di strutture in acciaio.

2 (a) Tipica Connessione Bullonata Trave-Colonna e (b) Rappresentazione del Metodo dei Componenti

Piastra di estremità/Configurazione bulloni

3 Configurazione Piastra di Estremità/Bulloni

Discussione

Giunti acciaio per la soluzione RFEM

Utilizzando il componente aggiuntivo Giunti acciaio per RFEM 6, basato su analisi agli elementi finiti, il processo di progettazione del collegamento è stato completamente integrato nel modello strutturale principale. Questo studio presenta un'indagine sperimentale e numerica sulle prestazioni strutturali di sei collegamenti trave-colonna con piastra di estremità estesa di grande spessore, con particolare attenzione all'influenza di configurazioni non convenzionali dei bulloni che prevedono bulloni multipli per fila. Per isolare la rigidezza rotazionale intrinseca della zona nodale, tutti i provini sono stati configurati senza irrigidimenti d'anima supplementari della colonna. La matrice sperimentale ha esaminato 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 integrate da una caratterizzazione mirata del T-stub e da analisi agli elementi finiti (FE) ad alta fedeltà. Dopo la validazione rispetto ai dati sperimentali e la verifica tramite i quadri normativi dell'Eurocodice 3 (EC3), i modelli FE sono stati impiegati per estrarre informazioni dettagliate sui meccanismi di deformazione localizzata. Le Immagini 4 e 5 e le Tabelle 2 e 3 illustrano il confronto tra resistenza a momento e rigidezza: Sperimentale, ROFEM, Giunti acciaio in RFEM rispetto a EC3. E la Tabella 4 illustra i modi di rottura.

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

4 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

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

Tabella 2: Confronto della resistenza a momento, rigidezza – Sperimentale, ROFEM, Giunti acciaio in RFEM ed EC-3-1-8

Prove sperimentali
Provino	N. di bulloni	Momento kN m, M_j.R	Rigidezza iniziale Sj,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
Provino	N. di 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
Provino	N. di 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 Giunti acciaio
Provino	N. di bulloni	Momento kN m, M_j.R	EC3/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 Giunti acciaio
Provino	N. di bulloni	Rigidezza iniziale S_j,ini (MNm/rad)	EC3/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

Provino	EC3	Giunti acciaio in RFEM	Esperimenti
T1A	Flessione dell'ala della colonna	Flessione dell'ala della colonna	Flessione dell'ala della colonna
T2A	Flessione dell'ala della colonna	Flessione dell'ala della colonna	Flessione dell'ala della colonna
T3A	Flessione dell'ala della colonna	Flessione dell'ala della colonna	Flessione dell'ala della colonna
T1B	Flessione dell'ala della colonna	Flessione dell'ala della colonna	Flessione dell'ala della colonna
T2B	Flessione dell'ala della colonna	Flessione dell'ala della colonna	Flessione dell'ala della colonna
T3B	Flessione dell'ala della colonna	Flessione dell'ala della colonna	Flessione dell'ala della colonna

6 Tensioni Equivalenti e Deformazione Plastica del Modello T1A

Tensioni equivalenti e Deformazione plastica del modello T2A

7 Sforzi equivalenti e deformazione plastica del modello T2A

8 Tensioni Equivalenti e Deformazione Plastica del Modello T3A

9 Tensioni Equivalenti e Deformazione Plastica del Modello T1B

10 Tensioni Equivalenti e Deformazione Plastica del Modello T2B

11 Tensioni Equivalenti e Deformazione Plastica del Modello T3B

Tasso di lavoro e Rigidezza rotazionale del Modello T1A

12 Tasso di lavoro e Rigidezza rotazionale di Modello T1A

13 Tasso di lavoro e rigidezza rotazionale del modello T2A

14 Tasso di Lavoro e Rigidezza Rotazionale del Modello T3A

15 Tasso di Lavoro e Rigidezza Rotazionale del Modello T1B

16 Tasso di lavoro e rigidezza rotazionale del modello T2B

17 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 ai Giunti acciaio. In linea con i risultati riportati per gli elementi convenzionali in acciaio al carbonio, il modello di rigidezza dell'Eurocodice è risultato sovrastimare la rigidezza rotazionale iniziale, con le previsioni analitiche che hanno mostrato una dispersione considerevole rispetto ai valori misurati.

I risultati sperimentali confermano che sia la resistenza a momento sia la rigidezza iniziale aumentano con il numero di bulloni, con i provini a 12 bulloni (T1A, T1B) che superano costantemente le controparti a 6 e 8 bulloni. Il metodo delle componenti EC3-1-8 generalmente sottostima la capacità a momento mentre sovrastima la rigidezza iniziale, in modo più evidente per T1B (41,83 contro 22,31 MNm/rad), coerentemente con la tendenza alla sovrastima osservata secondo la EN 1993-1-8.

I rapporti EC3/RFEM compresi tra 0,59 e 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 determinate geometrie di collegamento.

Bibliografia

Comitato Europeo di Normazione (CEN). (1993). Eurocodice 3. Progettazione delle strutture in acciaio Parte 1-8: Progettazione dei collegamenti (EN 1993-1-8). Bruxelles, CEN.
Prinz, G. S., Nussbaumer, A., Borges, L., & Khadka, S. (2014). Prove sperimentali e simulazione di collegamenti bullonati trave-colonna con piastre di estremità estese spesse e bulloni multipli per fila. Engineering Structures, 59, 434–447.

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