Analisi Parametrica dei Collegamenti con Piastra di Estremità e Giunti in Acciaio per RFEM

Questo studio convalida l'add-on Giunti acciaio per RFEM analizzando l'influenza del diametro del bullone e dello spessore della piastra di estremità sulla capacità e sulle modalità di rottura dei collegamenti trave-colonna con piastra di estremità. Il comportamento strutturale e le prestazioni di capacità portante di questi giunti sono valutati secondo le disposizioni di calcolo dell'Eurocodice 3 (EC-3), e i risultati sono poi confrontati con le previsioni di un modello agli elementi finiti sviluppato utilizzando RFEM e il metodo degli elementi finiti orientato alla ricerca (ROFEM).

Modello analitico

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

La resistenza di calcolo del T-stub equivalente è valutata indipendentemente per la piastra di estremità e per le componenti della flangia di colonna. Per ciascuna componente, la resistenza di calcolo governante F_T,Rd è definita come il valore minimo derivato da tre potenziali meccanismi di collasso.

La resistenza individuale per ciascuna modalità è calcolata sulla base della capacità a momento plastico dell'ala (M_pl,1,Rd e M_pl,2,Rd) e della resistenza a trazione del gruppo di bulloni (ΣF_t,Rd). Queste modalità tengono conto dello snervamento completo dell'ala (Modalità 1), della rottura del bullone associata allo snervamento dell'ala (Modalità 2) e della frattura pura del bullone (Modalità 3).

Modalità di rottura:

Momenti resistenti plastici:

1 Fig. 1 - Modalità di rottura di T- stub

Dettagli geometrici del collegamento trave-colonna

L'ala rigida è stata modellata come elemento elastico. I modelli di materiale S275 e S420 sono stati assegnati rispettivamente alla piastra di estremità e alla trave. Per lo studio parametrico, la trave è stata scelta per rappresentare un profilo europeo tipico con dimensioni approssimativamente corrispondenti a una sezione IPE300, mentre la colonna è stata modellata come sezione HEA300, in conformità con le disposizioni dell'Eurocodice oggetto di valutazione. Le dimensioni della trave e della piastra di estremità sono mostrate in Fig. 2. Le variabili considerate nello studio sono state i diametri dei bulloni di 16 mm (M16), 20 mm (M20) e 24 mm (M24), insieme agli spessori della piastra di estremità (t_p) di 10 mm, 15 mm e 20 mm.

2 Fig. 2 - Configurazione Piastra di estremità/Bullone

Discussione

Soluzione con l'add-on Giunti acciaio per RFEM

Questo studio presenta un'indagine numerica sugli effetti del diametro del bullone e dello spessore della piastra di estremità sulla capacità e sulle modalità di rottura dei collegamenti trave-colonna con piastra di estremità estesa in acciaio. Sono state esaminate le prestazioni strutturali di nove di questi collegamenti.

I risultati dello studio parametrico sono riassunti nella Tabella 1, e le corrispondenti resistenze a momento sono mostrate in Fig. 3. L'aumento dello spessore della piastra di estremità ha prodotto capacità plastiche e a momento ultime più elevate. Tuttavia, una volta che la capacità a momento flettente della trave è scesa al di sotto di quella del collegamento, ulteriori aumenti dello spessore della piastra di estremità non hanno avuto alcun effetto sulla capacità complessiva. La stessa tendenza è stata osservata per il diametro del bullone. La Tabella 2 mostra le modalità di rottura.

3 Fig. 3 - Confronto della resistenza a momento – Giunti in acciaio per RFEM ed EC-3

4 Fig. 4 - Tensioni equivalenti e Deformazione plastica del modello M16-tp-10mm e verifica

5 Fig. 5 - Tensioni equivalenti e Deformazione plastica del Modello M16-tp-15mm e Verifica.

6 Fig. 6 - Tensioni equivalenti e deformazione plastica del modello M16-tp-20mm e verifica.

7 Fig. 7 - Tensioni equivalenti e Deformazione plastica del modello M20-tp-10mm e verifica.

8 Fig. 8 - Tensioni equivalenti e Deformazione plastica del modello M20-tp-15mm e Verifica.

9 Fig. 9 - Tensioni equivalenti e Deformazione plastica del Modello M20-tp-20mm e Verifica.

10 Fig. 10 - Tensioni equivalenti e deformazione plastica del modello M24-tp-10mm e verifica di progetto.

11 Fig. 11 - Tensioni equivalenti e deformazione plastica del modello M24-tp-15mm e verifica.

12 Fig. 12 - Tensioni equivalenti e Deformazione plastica del Modello M24-tp-20mm e verifica.

Conclusioni

Tre metodi—un modello FE dettagliato (ROFEM), l'add-on Giunti acciaio basato sui componenti in RFEM e il metodo del componente EC-3 (EN 1993-1-8)—sono stati confrontati su nove collegamenti bullonati con piastra di estremità (bulloni M16/M20/M24 × piastre 10/15/20 mm).

Il rapporto EC-3/RFEM è governato dallo spessore della piastra, aumentando in modo monotono all'interno di ciascun gruppo di bulloni: l'EC-3 sottostima sostanzialmente la resistenza per piastre da 10 mm (0,71-0,76) ma supera RFEM per piastre da 20 mm (1,01-1,20). La ragione è meccanica—le piastre sottili cedono per snervamento duttile della piastra (Modalità 1), mentre i metodi FE catturano l'azione a membrana e l'incrudimento da deformazione che il modello T-stub dell'EC-3 omette.

Con l'aumentare dello spessore della piastra e quando il bullone diventa la componente debole, tale margine scompare. Per quanto riguarda le modalità di rottura, ROFEM e RFEM concordano su ogni provino; l'EC-3 concorda sulla componente governante ma tende a segnalare modalità combinate (1&2, 2&3). Lo schema segue la classica teoria del T-stub: le piastre più spesse spostano la rottura verso il controllo del bullone, mentre bulloni più grandi mantengono il giunto nella modalità duttile 1.

La rigidità iniziale di un collegamento con piastra di estremità aumenta con l'aumentare del diametro del bullone o dello spessore della piastra di estremità. L'Eurocodice prevede le modalità di rottura di tali collegamenti con un elevato grado di accuratezza.