I collegamenti analizzati nell’add-on Giunti acciaio utilizzano per la verifica il Modello FE equivalente del giunto acciaio (sottomodello). Questo modello viene creato in base a un modello topologico di un giunto in acciaio. I singoli componenti di verifica, come piastre, saldature o bulloni, sono rappresentati in questo modello mediante oggetti FE di base – superfici o aste – integrati da oggetti speciali, come contatti tra superfici o link rigidi. Questo approccio consente di confrontare il comportamento di questi elementi di base con le formule analitiche fornite dalle norme di progettazione. Utilizzando questo sottomodello, è possibile analizzare la resistenza e l’instabilità, nonché la rigidezza e la capacità di deformazione del giunto in acciaio.
Le dimensioni del sottomodello vengono determinate proporzionalmente alla dimensione della sezione trasversale delle aste collegate. Le aste modellate con superfici 2D vengono estese assialmente di un multiplo della dimensione massima della sezione trasversale oltre i componenti del collegamento. Questo coefficiente è impostato di default a 1,5, ma può essere adattato nella Configurazione ultima. Come riferimento per la distanza si utilizza il componente più lontano del collegamento.
Nel sottomodello, l'estremità di un'asta collegata viene installata rigidamente o caricata con un carico sostitutivo calcolato nel modello globale, a seconda delle impostazioni dell'utente. I carichi alle estremità delle aste si basano sui carichi interni del modello complessivo e si adattano in modo che il loro effetto corrisponda ai carichi interni sul componente particolare nel nodo a cui il collegamento è assegnato. Le estremità dell'asta vengono irrigidite con una superficie rigida per prevenire la distorsione della sezione trasversale ed evitare concentrazioni di tensione nel nodo caricato o sostenuto.
Di default, il Modello FE equivalente del giunto acciaio utilizza l'analisi geometrico-lineare in combinazione con un modello di materiale non lineare per il calcolo della capacità portante. Per analizzare le non linearità del modello, viene applicato il metodo iterativo di Newton-Raphson. L'analisi non lineare del secondo ordine (P-Δ) viene utilizzata come impostazione predefinita per l'analisi strutturale nella valutazione dell'instabilità, mentre per l'analisi di stabilità viene utilizzato il metodo degli autovalori lineari. Ulteriori informazioni si trovano nel capitolo Impostazioni per l'analisi statica del manuale RFEM.
Quando nella analisi statica del modello principale si considera la teoria del secondo o terzo ordine, ciò può portare a incoerenze tra il modello principale (l'equilibrio viene stabilito sul sistema deformato) e il sottomodello (le forze vengono esercitate sul sottomodello non deformato). Tuttavia, per i tipici sistemi strutturali, questo effetto dovrebbe essere trascurabile.
Modello del materiale
Le superfici che rappresentano le piastre dell'asta e le lastre integrate nel sottomodello hanno uno spessore uniforme e sono soggette a un modello di materiale isotropo-plastico. L'ipotesi di rottura della tensione è basata sul criterio di snervamento di von Mises. Viene utilizzato un diagramma bilineare, dopo il quale il materiale si deforma elasticamente fino al limite di snervamento sotto il modulo di elasticità dell'acciaio. Nella successiva fase plastica, 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 adattato nella Configurazione della capacità portante. Questo permette di sfruttare il comportamento plastico dell'acciaio e le ridistribuzioni delle tensioni nel collegamento. Questo corrisponde al comportamento reale di un giunto in acciaio con una buona approssimazione.
Aste e piastre
Per la modellazione di piastre dell'asta piane e piastre integrate, vengono utilizzati il tipo di geometria Piano e il tipo di rigidità Standard. Le superfici hanno uno spessore uniforme e sono dotate di un modello di materiale isotropo-plastico descritto nella sezione Modello del materiale. Le superfici sono oggetti 2D che si trovano nei piani mediani delle lastre. Se le singole lastre che rappresentano l'asta non possono essere collegate direttamente tramite le loro linee di delimitazione, si utilizza un collegamento con link rigidi. Il tipo di accoppiamento "Linea a linea" collega la linea di delimitazione della lastra collegata con la linea integrata creata nella lastra a cui è collegata. Questa collegamento viene utilizzata ad esempio per i profili a I.
Aste o parti di esse da superfici non piane, come profili cavi circolari o profili cavi rettangolari arrotondati, vengono modellate segmentando la sezione curva come superfici piane più piccole. Queste superfici hanno le stesse proprietà delle superfici utilizzate per lastre piane. Il grado di segmentazione può essere adattato dall'utente nella Configurazione ultima.
Mesh
Le impostazioni delle mesh per tutte le superfici consentono elementi finiti triangolari e quadrangolari con l'opzione "Genera quadrati uguali, dove possibile".
Le lastre di ciascuna asta hanno la stessa dimensione degli elementi della mesh. Le dimensioni minime e massime degli elementi sono impostate di default. La dimensione di un elemento viene derivata dalla dimensione della sezione trasversale dell'asta. Di default, il bordo più lungo della sezione viene suddiviso in otto parti. L'impostazione della mesh delle lastre integrate viene trattata separatamente: la dimensione dell'elemento della mesh viene derivata dal bordo più lungo della lastra. Per una lastra senza bulloni vengono creati di default otto elementi sul bordo più lungo, per una lastra bullonata vengono creati di default 16 elementi.
Nell'area dei bulloni viene applicata una mesh di nodi circolare alle superfici delle lastre bullonate. Per questa mesh nodale circolare, è possibile impostare il raggio come multiplo del raggio del foro del bullone e definire il numero di elementi sul bordo del foro.
Per la superficie sostitutiva della saldatura a cordone, è possibile definire il numero massimo di elementi lungo la lunghezza della saldatura e le dimensioni minime e massime degli elementi.
I nodi della mesh sono collegati tramite Link rigidi e Contatto tra superfici con linee o superfici collegate. Questo influenza la mesh della superficie collegata, quindi la sua discrezione non è completamente indipendente.
Bulloni
Il modello del bullone consiste in un sistema di aste, superfici e contatti tra superfici che rappresentano le singole parti del bullone, lo stelo, la testa e il dado. Per ciascun bullone viene generato automaticamente un foro nelle lastre bullonate.
Il foro viene riempito con aste disposte radialmente, chiamate "raggi". Queste aste del tipo "Trave" servono a trasferire la forza di taglio tra lo stelo del bullone e la lastra. Il numero di queste aste è influenzato dalle impostazioni della mesh e corrisponde al numero di elementi sul bordo del foro. La sezione di queste aste è un "Rettangolo massiccio" e le sue dimensioni sono influenzate dal numero di aste e dalle dimensioni delle piastre bullonate e corrispondono all’area del bullone in appoggio.
Un giunto dell'asta viene assegnato ai nodi in cui i raggi sono collegati alla lastra. Il giunto è impostato per ciascun nodo in modo tale che le aste non rafforzino il foro nella lastra e trasferiscano solo la forza di taglio tra la lastra e il bullone.
Gli elementi dei raggi mostrano una non linearità del tipo "Guasto a trazione" in modo tale che solo la parte compressa del bullone abbia effetto. A esse viene assegnato un materiale isotropo lineare-elastico che corrisponde all'acciaio nello stato elastico.
Il modello della testa del bullone e del dado utilizza anch'esso una serie di aste radiali ("raggi"), poiché si riferisce al foro della lastra imbullonata. Tuttavia, questi raggi differiscono per le loro dimensioni della sezione trasversale, in modo che rappresentino l'altezza della testa della vite o del dado. Inoltre, non vengono assegnati giunti agli estremi delle aste né una non linearità di guasto. Questo set di raggi viene esteso da una superficie anulare collegata ai raggi radialmente disposti. Per la superficie vengono utilizzati il tipo di geometria "Piano" e il tipo di rigidezza "Standard", con uno spessore uniforme che corrisponde all'altezza della testa del bullone o del dado.
I punti centrali del sistema radiale di aste, che rappresentano la testa del bullone, lo stelo del bullone nel foro e il dado del bullone, sono collegati da un'asta che rappresenta la testa del bullone e la filettatura. A essa viene assegnato il tipo di asta "Trave", ed è denominato "Gambo". Il gambo ha una sezione trasversale circolare, la cui area corrisponde alla sezione resistente del bullone. Il materiale della sezione trasversale è isotropo lineare elastico.
Il tipo di asta "Rigidezza" viene utilizzato nella sezione tra le lastre imbullonate. La matrice di rigidezza corrisponde all'asta utilizzata tra la testa del bullone (o il dado) e la lastra imbullonata; la sola differenza risiede nella rigidezza alla flessione, che è notevolmente aumentata. Se la rigidezza non fosse regolata, si verificherebbe una flessione fisicamente irrealistica del bullone nella posizione in cui le forze sono effettivamente trasferite esclusivamente attraverso la frizione. Il comportamento plastico di questa parte del gambo del bullone è rappresentato da un giunto dell'asta di tipo "Diagramma" al collegamento delle lastre imbullonate.
Le forze di compressione che si generano nel contatto delle lastre imbullonate e tra queste lastre e la testa del bullone o il dado, vengono trasferite tramite Contatto tra superfici. Vengono stabiliti tra la superficie dell'anello della testa del bullone e la superficie che rappresenta la prima lastra imbullonata, tra le singole lastre imbullonate che si toccano e tra la superficie che rappresenta l'ultima lastra imbullonata e l'anello del dado. Il tipo di contatto superficiale viene impostato in direzione perpendicolare alle superfici su "Guasto a trazione" e al contatto parallelo alle superfici su "Attrito rigido". Qui il coefficiente di attrito viene impostato su un valore vicino a zero. Questi contatti consentono di generare la giusta forza assiale sul gambo del bullone. La forza di trazione di progetto e la forza di taglio di progetto come risultato delle forze di taglio interne in direzione y e z, utilizzate per le verifiche di progetto, si generano sul gambo tra le lastre imbullonate.
I numeri nella figura sopra indicano i seguenti componenti:
| 1 | Gambo del bullone – asta di tipo "Rigidezza" |
| 2 | Foro del bullone – raggi |
| 3 | Dado – anello superficiale |
| 4 | Dado – raggi |
| 5 | Gambo del bullone |
| 6 | Dado – contatto superficiale |
| 7 | Testa del bullone – contatto superficiale |
| 8 | Testa del bullone – raggi |
| 9 | Testa del bullone – anello superficiale |
Bulloni precaricati
Il pretensionamento del bullone viene applicata come parte di un caso di carico separato nel sottomodello. Questo caso di carico Bullone precaricato viene quindi considerato come stato iniziale per il caso di carico di progetto effettivo. In base al coefficiente della forza di precarico, specificato nella Configurazione ultima (e che di default è pari a 0,7 secondo EN 1993-1-8), il pretensionamento viene applicato al gambo del bullone come carico dell’asta in funzione della resistenza a trazione.
Saldature
Il modello di saldature di testa a completa penetrazione utilizza un collegamento diretto tra le piastre saldate. È rappresentato da Link rigidi di tipo "Linea a linea". Il collegamento è simile al collegamento tra piastre di aste. Questo tipo di link rigido utilizza le opzioni "Distribuzione definita dall’utente" e "Ignora posizione relativa".
Il modello delle saldature a cordone utilizza anch'esso un sistema di link rigidi (vedi ➁ nella figura seguente) e superfici sostitutive (vedi ➀ nella figura seguente) per il collegamento.
Il tipo di link rigido è "Linea a linea" con le opzioni "Distribuzione personalizzata" e "Ignora influenza della distanza", dove il bordo della lastra saldata viene collegato con il bordo della superficie della saldatura sostitutiva e il secondo bordo di questo con la lastra di riferimento. La superficie sostitutiva si trova a metà altezza della sezione trasversale triangolare della saldatura a cordone. Questa altezza viene chiamata "spessore del colletto" della saldatura a cordone. La superficie sostitutiva della saldatura a cordone ha il tipo di rigidezza "Standard" e uno spessore uniforme con dimensioni corrispondenti allo spessore del colletto della saldatura. Viene applicato un modello di materiale ortotrotropo-plastico appositamente adattato ai criteri di rottura.
Il Modello di materiale della saldatura è impostato per corrispondere al comportamento della saldatura considerato nelle norme. Ciò significa che sulla superficie sostitutiva si verificano solo tensioni che corrispondono ai componenti di tensione della saldatura σ⊥, τ⊥ e τ||. Nelle restanti direzioni di tensione, la rigidezza della superficie sostitutiva è quasi nulla.
Analisi di stabilità
L'approccio del "Modello FE equivalente del giunto acciaio" è adatto anche per valutare l’instabilità delle piastre in acciaio mediante un’analisi FE del modello a guscio. A tal fine, il modello utilizzato per l’analisi statica viene adattato in un determinato modo, in modo che venga infine applicato il "modello FE equivalente della stabilità del giunto in acciaio" ("sottomodello di instabilità").
Le impostazioni modificate del "sottomodello di instabilità" sono le seguenti:
- Tutti i materiali utilizzati sono impostati come elastici (materiale di aste e piastre, tutte le parti del modello del bullone, superficie sostitutiva della saldatura).
- Il modello è caricato alle estremità mediante Spostamenti generalizzati imposti dei nodi invece delle forze provenienti dal modello globale della struttura. Queste deformazioni sono equivalenti a carichi nodali, ma il loro utilizzo garantisce che le estremità libere delle aste non influiscano negativamente sui risultati dell’analisi di stabilità
- Di default, il sottomodello di instabilità utilizza 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 della stabilità.
Dopo il calcolo, il modello fornisce il numero richiesto di autovalori con il rispettivo coefficiente di carico critico. Spetta all'utente valutare se la stabilità del giunto in acciaio sia sufficiente.
Analisi della rigidezza
Per determinare la rigidezza del collegamento vengono utilizzati due sottomodelli. Si tratta del modello principale FE di rigidezza sostitutivo (Sottomodello di rigidezza) – un modello a guscio dettagliato che, eccetto per i carichi e i supporti, è identico al sottomodello utilizzato per l'analisi statica – e il Modello FE di rigidezza ausiliario (Sottomodello ausiliario di rigidezza), utilizzato per considerare gli effetti delle deformazioni delle aste collegate.
I parametri di verifica del sottomodello di rigidezza sono gestiti nella "Configurazione di analisi della rigidezza". Questa impostazione consente di selezionare il "Tipo di analisi" (geometricamente lineare o del secondo ordine P-Δ) e di definire il "Numero massimo di iterazioni" e il "Numero di incrementi di carico". Puoi anche controllare la dimensione del modello e le impostazioni della mesh, in modo analogo alle impostazioni della "Configurazione ultima" applicabile per l’analisi tensione-deformazione del collegamento. Ulteriori parametri del modello vengono anch’essi presi dalla configurazione ultima.
I carichi su entrambi i sottomodelli (sottomodello di rigidezza e sottomodello di rigidezza ausiliario) corrispondono alla rigidezza del collegamento oggetto di analisi. La rigidezza viene analizzata separatamente per ciascuna asta nel collegamento. L’asta analizzata viene caricata all’estremità con una forza unitaria corrispondente al tipo e alla direzione della rigidezza S oggetto di analisi (SN+, SN-, SMy+, SMy-, SMz+, SMz-). Le altre aste nel collegamento hanno vincoli rigidi alle estremità. Il valore del carico unitario per determinare la "Rigidezza iniziale" dipende dalla dimensione di ciascuna asta collegata.
Una volta eseguito il calcolo, il sottomodello di rigidezza viene utilizzato per ottenere la deformazione (rotazione o spostamento) all’estremità di ciascuna asta analizzata. La deformazione ottenuta dal sottomodello di rigidezza ausiliario viene sottratta da questa deformazione per considerare la rigidezza delle aste collegate. Il risultato è la rigidezza del collegamento calcolata dal carico e dalla deformazione. In base a questa rigidezza, i collegamenti possono essere classificati come "A cerniera", "Semirigidi" o "Rigidi".