Le connessioni analizzate nel add-on Giunti d'acciaio utilizzano un modello FE di connessione d'acciaio di sostituzione ("sottomodello") per la progettazione. Questo modello viene creato sulla base della topologia della connessione. I singoli componenti di progettazione come piastre, saldature o bulloni sono rappresentati in questo modello da oggetti FE di base - superfici o aste - integrati da oggetti speciali come contatti superficiali o accoppiamenti rigidi. Questo approccio consente di confrontare il comportamento dei componenti di base con le formule analitiche delle norme di progettazione. Con l'aiuto di questo "sottomodello" possono essere analizzate la capacità portante e la resistenza al collasso, così come la rigidità e la capacità di deformazione della connessione.
Le dimensioni del sottomodello vengono determinate in proporzione alla dimensione della sezione degli elementi collegati. Le aste modellate con superfici 2D vengono estese assialmente oltre i componenti della connessione per un multiplo della dimensione della sezione più grande. Questo fattore è impostato di default a 1,5 ma può essere modificato nella Configurazione di Capacità Portante. La distanza di riferimento è la componente più lontana della connessione.
Nel sottomodello, l'estremità di un'asta collegata è supportata rigidamente, a seconda delle impostazioni dell'utente, o è caricata con un carico equivalente calcolato nel modello globale. I carichi alle estremità delle aste si basano sui carichi interni del modello complessivo, considerando le impostazioni di analisi statica pertinenti, e sono adattati in modo che i loro effetti corrispondano ai carichi interni sul componente specifico nel nodo a cui è assegnata la connessione. Le estremità dell'asta sono rinforzate con una superficie rigida per prevenire la torsione della sezione e evitare concentrazioni di stress nel nodo caricato o supportato.
Di default, il modello FE di sostituzione delle connessioni d'acciaio utilizza un'analisi geometrica lineare in combinazione con un modello materiale non lineare per calcolare la capacità portante. Per l'analisi delle non linearità del modello, si applica il metodo iterativo di Newton-Raphson. L'analisi non lineare del secondo ordine (P-Δ) è l'impostazione standard per l'analisi strutturale nella valutazione dell'instabilità, mentre per l'analisi di stabilità si utilizza il metodo degli autovalori lineare. Per ulteriori informazioni, si veda il capitolo Impostazioni per l'analisi statica del manuale RFEM.
Se nell'analisi statica del modello principale si considera la teoria del secondo o del terzo ordine, ciò può portare a incongruenze tra il modello principale (equilibrio stabilito sul sistema deformato) e il sottomodello (forze applicate al sottomodello indeformato). Tuttavia, per i tipici sistemi strutturali, questo effetto dovrebbe essere trascurabile.
Modello Materiale
Le superfici che rappresentano piastre e piastre inserite nel sottomodello hanno uno spessore uniforme e sono soggette ad un modello materiale isotropo-plastico. L'ipotesi di rottura delle tensioni si basa sul criterio di snervamento di von Mises. Si utilizza un diagramma bilineare, secondo il quale il materiale si deforma elasticamente fino alla soglia di snervamento sotto il modulo di elasticità dell'acciaio. Nella fase plastica successiva, il modulo plastico corrisponde a 1/1000 del modulo di elasticità.
Il criterio per determinare la resistenza limite corrisponde a una deformazione plastica equivalente di von Mises del 5%. Questo valore è raccomandato ma può essere modificato nella Configurazione di Capacità Portante. Ciò consente di sfruttare il comportamento plastico dell'acciaio e le ridistribuzioni di tensione nella connessione. Ciò corrisponde approssimativamente al comportamento reale di una connessione in acciaio.
Aste e Piastre
Per la modellazione di piastre piane e piastre inserite viene utilizzato il tipo di geometria Piano e il tipo di rigidità Standard. Le superfici hanno uno spessore uniforme e sono dotate di un modello materiale isotropo-plastico descritto nella sezione Modello Materiale. Le superfici sono oggetti 2D posizionati nel piano mediano delle piastre. Quando le singole piastre che rappresentano l'asta non possono essere collegate direttamente tramite le loro linee di delimitazione, viene realizzata una connessione con accoppiamenti rigidi. Il tipo di accoppiamento "linea a linea" collega la linea di delimitazione della piastra connessa con la linea integrata creata nella piastra con cui è connessa. Questa connessione viene utilizzata, per esempio, per i profili a I.
Le aste o le loro parti da superfici non piane, come i profili cavi circolari o profili cavi rettangolari arrotondati, vengono modellate segmentando la sezione curva in superfici piane più piccole. Queste superfici hanno le stesse proprietà delle superfici utilizzate per piastre piane. Il grado di segmentazione può essere modificato dall'utente nella Configurazione di Capacità Portante.
Mesh
Le impostazioni della mesh per tutte le superfici consentono elementi finiti triangolari e quadrangolari con l'opzione "Generare quadrati uguali, dove possibile".
Le piastre di ogni asta hanno la stessa dimensione di elemento della mesh. Le dimensioni degli elementi minime e massime sono impostate di default. La dimensione di un elemento è derivata dalla dimensione della sezione trasversale dell'asta. Per default, il lato più lungo della sezione è diviso in otto parti. L'impostazione della mesh delle piastre inserite viene gestita separatamente: la dimensione dell'elemento della mesh è derivata dal lato più lungo della piastra. Per una piastra senza bulloni vengono generate otto elementi sul lato lungo per default, mentre per una piastra imbullonata sono sedici elementi per default.
Nell'area dei bulloni viene applicata una rete nodale circolare alle superfici delle piastre imbullonate. È possibile specificare il raggio per questa rete nodale circolare come multiplo del raggio del foro del bullone e specificare il numero di elementi al bordo del foro.
Per la superficie di sostituzione del cordone di saldatura, è possibile impostare il numero massimo di elementi lungo la lunghezza della saldatura e la dimensione minima e massima degli elementi.
I nodi della mesh sono collegati tramite Accoppiamenti Rigidi e Contatti Superficiali con linee o superfici connesse. Ciò ha un impatto sulla mesh della superficie connessa, quindi la sua discretizzazione non è completamente indipendente.
Bulloni
Il modello di un bullone è costituito da un sistema di aste, superfici e contatti superficiali che rappresentano le singole parti del bullone, lo stelo, la testa e il dado. Per ogni bullone viene automaticamente generato un foro nelle piastre imbullonate.
Il foro è riempito con aste disposte radialmente, chiamate "raggi". Queste aste del tipo "trave" servono per trasferire la forza di taglio tra lo stelo del bullone e la piastra. Il numero di queste aste è influenzato dalle impostazioni della mesh ed è pari al numero di elementi al bordo del foro. La sezione trasversale di queste aste è un "rettangolo solido", le cui dimensioni sono influenzate dal numero di aste e dalle dimensioni delle piastre imbullonate. Esse corrispondono all'area del diametro del bullone nel supporto.
Un giunto dell'asta è assegnato ai nodi in cui i raggi sono connessi alla piastra. Il giunto è impostato in modo che le aste non rinforzino il foro nella piastra e trasferiscano solo le forze taglianti tra la piastra e il bullone.
Gli elementi a raggio presentano una non linearità del tipo "Crollo sotto trazione", in modo che solo la parte compressa del bullone risulti operativa. A essi è assegnato un materiale isotropo lineare-elastico che corrisponde all'acciaio nello stato elastico.
Il modello della testa del bullone e del dado utilizza anche una serie di aste radiali ("raggi") relative al foro della piastra imbullonata. Questi raggi differiscono però nelle loro dimensioni di sezione, in modo da rappresentare l'altezza della testa del bullone o del dado. Inoltre, non vengono assegnati giunti alle estremità delle aste né una non linearità di crollo. Questo set di raggi è esteso da una superficie anulare connessa con i raggi disposti radialmente. Per la superficie vengono utilizzati il tipo di geometria "piano" e il tipo di rigidità "standard", con uno spessore uniforme che corrisponde all'altezza della testa del bullone o del dado.
I centri del sistema radiale delle aste che rappresentano la testa del bullone, lo stelo nel foro e il dado sono collegati da un'asta che rappresenta la testa e il filetto del bullone. A essi viene assegnato il tipo di asta "trave", e sono designati come "stelo". Lo stelo ha una sezione trasversale circolare, la cui area corrisponde alla sezione di tensione del bullone. Il materiale della sezione trasversale è isotropo lineare elastico.
Il tipo di asta "Rigidità" è utilizzato nella sezione tra le piastre imbullonate. La matrice di rigidità corrisponde all'asta utilizzata tra la testa del bullone (o il dado) e la piastra imbullonata; l'unica differenza è la rigidità alla flessione, che è aumentata significativamente. Se la rigidità non venisse regolata, si avrebbe una flessione fisicamente irrealistica del bullone nella posizione in cui le forze vengono effettivamente trasferite esclusivamente tramite taglio. Il comportamento plastico di questa parte dello stelo del bullone viene rappresentato da un giunto dell'asta del tipo di Nonlinearità "Diagramma" alla giunzione delle piastre imbullonate.
Le forze di compressione che si generano nel contatto delle piastre imbullonate e tra queste e la testa del bullone o il dado vengono trasferite tramite Contatti Superficiali. Questi vengono stabiliti tra la superficie dell'anello della testa del bullone e la superficie che rappresenta la prima piastra imbullonata, tra le singole piastre imbullonate che si toccano e tra la superficie che rappresenta l'ultima piastra imbullonata e l'anello del dado. Il tipo di contatto superficiale è impostato su "Crollo sotto trazione" nella direzione perpendicolare alle superfici e "Attrito rigido" nel contatto parallelo alle superfici. Qui, il coefficiente di attrito è impostato su un valore prossimo a zero. Questi contatti consentono la generazione della corretta forza di trazione nello stelo del bullone. La forza di tensione di progetto e la forza di taglio di progetto come risultato delle forze di taglio interne in direzione y e z, utilizzate nelle verifiche di progetto, si generano nello stelo tra le piastre imbullonate.
I numeri nell'immagine sopra indicano i seguenti componenti:
| 1 | Stelo del bullone – Asta del tipo "Rigidità" |
| 2 | Foro del bullone – Raggi |
| 3 | Dado – Anello superficiale |
| 4 | Dado – Raggi |
| 5 | Stelo del bullone |
| 6 | Dado – Contatto superficiale |
| 7 | Testa del bullone – Contatto superficiale |
| 8 | Testa del bullone – Raggi |
| 9 | Testa del bullone – Anello superficiale |
Bulloni Pretensionati
La pretensione del bullone viene applicata nel contesto di un proprio caso di carico nel sottomodello. Questo caso di carico Pretensione del Bullone viene poi considerato come condizione iniziale per il vero e proprio caso di carico di progettazione. In funzione del fattore di pretensione indicato nella Configurazione di Capacità Portante (e per default secondo EN 1993-1-8 pari a 0,7), la pretensione è applicata in funzione della resistenza a trazione come carico sull'asta del bullone.
Saldature
Il modello delle saldature a piena penetrazione utilizza una connessione diretta tra le piastre saldate. È implementato tramite accoppiamenti rigidi del tipo "Linea a Linea". La connessione è simile alla connessione tra le parti di una sezione trasversale di un'asta (piastre di asta). Questo tipo di accoppiamento rigido utilizza le opzioni "Distribuzione personalizzata" e "Ignora l'influenza della distanza".
Il modello delle saldature a cordone utilizza anch'esso un sistema di accoppiamenti rigidi (vedi ➁ nella seguente grafica) e superfici di sostituzione (vedi ➀ nella seguente grafica) per il giunto di saldatura.
Il tipo di accoppiamento rigido è "Linea a Linea" con le opzioni "Distribuzione personalizzata" e "Ignora l'influenza della distanza", e collega il bordo della piastra saldata con il bordo della superficie di sostituzione della saldatura e il secondo bordo di questa con la piastra di riferimento. La superficie di sostituzione si trova a metà altezza della sezione triangolare della saldatura a cordone. Questa altezza è definita come "spessore del collo" della saldatura a cordone. La superficie di sostituzione della saldatura a cordone ha il tipo di rigidità "Standard" e uno spessore uniforme con dimensioni corrispondenti al spessore del collo della saldatura. Si applica un modello materiale ortotropo-plastico appositamente adattato ai criteri di rottura.
Il Modello Materiale della Saldatura è impostato per corrispondere al comportamento delle saldature considerato nelle normative. Ciò significa che le tensioni che si verificano sulla superficie di sostituzione corrispondono solo alle componenti di tensione di saldatura σ⊥, τ⊥ e τ||. Nelle altre direzioni di tensione, la rigidità della superficie di sostituzione è vicina allo zero.
Analisi al Collasso
L'approccio del "Modello FE di Sostituzione della Connessione in Acciaio" è adatto anche per valutare il collasso delle piastre in acciaio utilizzando un'analisi FE del modello guscio. A tale scopo, il modello utilizzato per l'analisi statica è modificato in un certo modo in modo che alla fine si applichi il "Modello FE di Sostituzione del Collasso della Connessione in Acciaio" ("Sottomodello di Collasso").
Le modifiche del "Sottomodello di Collasso" sono le seguenti:
- Tutti i materiali utilizzati sono considerati elastici (materiale delle aste e delle piastre, tutte le parti del modello di bulloneria, superficie di sostituzione della saldatura).
Il modello viene caricato agli estremi tramite deformazioni nodali imposte invece delle forze del modello strutturale globale. Queste deformazioni corrispondono ai carichi nodali, ma il loro utilizzo assicura che le libere aste non influenzino negativamente i risultati dell'analisi di stabilità.
- Il sottomodello di collasso utilizza di default il tipo di analisi "Secondo Ordine (P-Δ)" per l'analisi statica e il "metodo degli autovalori (lineare)" con i quattro autovalori più bassi per l'analisi di stabilità.
Dopo il calcolo, il modello fornisce il numero richiesto di autovalori con il rispettivo fattore di carico critico. Spetta all'utente giudicare se la stabilità della connessione in acciaio è sufficiente.
Analisi della Rigidità
Per determinare la rigidità della connessione, vengono utilizzati due sottomodelli. Si tratta del modello principale Modello FE di Sostituzione della Rigidità (Sottomodello di Rigidità) - un modello dettagliato di guscio identico al sottomodello utilizzato per l'analisi statica, fatta eccezione per il carico e il supporto - e il Modello FE di Sostituzione della Rigidità Ausiliaria (Sottomodello di rigidità ausiliario), utilizzato per considerare i risultati delle deformazioni degli elementi collegati.
I parametri del "Sottomodello di Rigidità" vengono gestiti nella Configurazione di Analisi della Rigidità. Con questa impostazione è possibile selezionare il "tipo di analisi" (geometrico lineare o P-Δ secondo ordine) così come definire il "numero massimo di iterazioni" e il "numero di fasi di carico". È inoltre possibile controllare la dimensione del modello e le impostazioni della mesh, simili alle impostazioni della configurazione di capacità portante, che si applicano all'analisi della deformazione della connessione. Ulteriori parametri del modello sono anch'essi adottati dalla configurazione di capacità portante.
Le componenti di carico applicate a entrambi i sottomodelli (sottomodello di rigidità e sottomodello di rigidità ausiliaria) corrispondono alle rigidità giunto indagate. La rigidità viene analizzata separatamente per ogni asta nel giunto. L'asta analizzata viene caricata alla sua estremità con un carico di piccolo valore, che corrisponde al tipo e alla direzione della rigidità studiata S (SN+, SN-, SMy+, SMy-, SMz+, SMz-). Le altre aste nella connessione sono supportate rigidamente alle loro estremità. La dimensione del carico per determinare la "rigidità iniziale" dipende dalle dimensioni di ciascuna asta collegata.
Dopo aver eseguito il calcolo, si utilizza il sottomodello di rigidità per determinare la deformazione (rotazione o spostamento) all'estremità di ciascuna asta analizzata. La deformazione ottenuta dal sottomodello di rigidità ausiliaria viene sottratta da questa deformazione per tenere conto della rigidità delle aste collegate. Il risultato è la rigidità della connessione calcolata dal carico e dalla deformazione. Sulla base di questa rigidità, le connessioni possono essere classificate come "cerniera", "cedevole" o "rigida".