Nella prima parte di questo articolo, saranno mostrate le forme più frequenti di collegamenti con piastra d'anima, saranno specificati i loro vantaggi e svantaggi e alcuni saranno spiegati in dettaglio. Le collegamenti trave-colonna non sono più prese in considerazione, anche se sono possibili in linea di principio. Inoltre, le questioni operative non dovrebbero essere trascurate. Sfortunatamente, quando si progettano collegamenti in acciaio, accade che la praticabilità del collegamento non sia o non sia presa in considerazione in modo insufficiente. Pertanto, anche questi possibili problemi dovrebbero essere discussi in questo articolo.
Nella seconda parte, il calcolo e il progetto di collegamenti a piastra d'anima secondo EN 1993-1-8 [1] sono mostrati e spiegati su un esempio calcolato da RF-JOINTS Steel - Pinned. Questo articolo si concentra su alcuni progetti che a volte vengono saltati nella pratica di progetto. Ci sono molte ragioni per questo, le due più frequentemente sono probabilmente le seguenti: Il calcolo non dovrebbe essere troppo complesso, perché è, come è noto, "solo" su un collegamento di una trave secondaria. Oppure l'ingegnere progettista non è a conoscenza della necessità dell'uno o dell'altro progetto.
Il presente articolo dovrebbe spiegare la necessità di un progetto o dell'altro. Infine, in caso di danno, l'argomento spurio "In passato ha sempre funzionato senza questo progetto!" non sarà molto utile. Quando si esegue la progettazione, diventa ovvio molto rapidamente quanto sia complessa la progettazione di un collegamento con piastra d'anima e quanto sia utile un programma di progettazione come RF-JOINTS Steel - Pinned può consentire un progetto economico secondo le norme pertinenti entro un ragionevole tempo di elaborazione.
Nell'ultima sezione, si mostrerà quale grande svantaggio è di utilizzare i collegamenti con piastra d'anima ed altre collegamenti a cerniera: la riduzione spesso considerevole del momento critico d'instabilità. La maggior parte dei collegamenti a cerniera ed in particolare i collegamenti con piastra d'anima non possono essere considerati come vincoli laterali e torsionali, il che può portare ad una notevole riduzione della resistenza per le travi a rischio di stabilità.
Progettazione di collegamenti con piastra d'anima
In questa sezione, saranno mostrate e valutate le forme più comuni di collegamenti con piastra d'anima come collegamenti trave-trave in relazione ai loro vantaggi e svantaggi nel calcolo e nella progettazione, nonché nella produzione e assemblaggio. I punti menzionati rappresentano solo suggerimenti e non hanno alcuna pretesa di completezza.
Fondamentalmente, i collegamenti con piastra d'anima possono essere utilizzate sia come collegamenti trave-colonna che trave-fascio, mentre i collegamenti trave-colonna non saranno discussi in alcun dettaglio ulteriore qui. Nella maggior parte dei casi, gli altri tipi di collegamento incernierati sono più favorevoli per i collegamenti trave-colonna.
Il problema principale con i collegamenti con piastra d'anima durante l'assemblaggio è che è impossibile compensare in modo specifico le tolleranze di produzione come la lunghezza massima o corta della trave, come è possibile con i collegamenti con piastra d'estremità corta e i collegamenti a doppio angolo. Le travi sono qui prodotte specificamente con una lunghezza corta secondo la tolleranza massima che corrisponde alla norma. Il breve tratto così ottenuto può essere quindi compensato in loco con le piastre di supporto in dotazione.
Il fatto che questo metodo non sia possibile con i collegamenti con piastra d'anima assicura che non si debbano sistemare tra due colonne, perché può accadere che la trave possa essere assemblata solo con la forza. A parte questo fatto che gli assemblatori hanno problemi con esso, nel sistema strutturale vengono introdotti effetti dovuti al vincolo che dovrebbero essere effettivamente evitati.
Un grande vantaggio dei collegamenti con piastra d'anima è, in generale, la struttura a frammenti più bassi rispetto alla maggior parte degli altri tipi di collegamenti incernierati. Non sono necessarie piccole parti eccetto i bulloni.
Nel seguito, i due tipi più comuni di collegamenti con piastra d'anima saranno mostrati come collegamento trave - trave. Questo è considerato come un collegamento con una piastra d'anima "lunga" o "corta".
Collegamento trave-trave con piastra d'anima "lunga":
I collegamenti con piastra d'anima "lunga" sono caratterizzati dal fatto che non è necessaria alcuna intaccatura nella trave collegata che si traduce in una piastra lunga. I due principali vantaggi di questo tipo di collegamento sono in primo luogo probabilmente meno lavoro in officina, perché non sono necessari intagli fabbricati complessi e in secondo luogo, il fatto che non ci sono problemi quando si inserisce la singola trave durante l'assemblaggio della trave.
Il principale svantaggio di questo tipo di collegamento è il fatto che spesso è lontano da un vincolo laterale e torsionale. Se per questa trave è possibile instabilità flesso-torsionale, è importante considerare la rigidezza torsionale ridotta del collegamento durante la progettazione della trave. Poiché la progettazione strutturale di strutture in acciaio è spesso eseguita da una persona diversa rispetto ai progetti di collegamento, può portare a problemi.
Poiché la piastra d'anima è saldata anche ad una o entrambe le ali della trave principale quando si utilizza questo tipo di collegamento, viene creata una sorta di barriera. Quando si utilizzano strutture verniciate a caldo, questo si traduce in ulteriori perforazioni e ritagli nella piastra d'anima, in modo che lo zinco liquido possa fuoriuscire quando viene estratto dal bagno di zinco. Se il progettista deve tenerne conto, dipende dal contratto concluso. Nell'analisi strutturale o nella progettazione, queste aperture aggiuntive sono generalmente trascurabili.
A causa della grande eccentricità per questo tipo di collegamento, sono rapidamente necessari spessori maggiori per l'aletta. Questo, a sua volta, risulta nel fatto che le saldature devono essere progettate per essere molto resistenti, perché dovrebbero avere uno stato limite ultimo maggiore della piastra collegata per garantire un comportamento duttile dei componenti strutturali. È importante tenere presente che per cordoni di saldatura con radice della saldatura 6 mm e oltre, è necessario saldare in più strati. Il collegamento diventa così rapidamente antieconomico per quanto riguarda il materiale e la produzione.
Collegamento trave-trave con piastra d'anima "corta":
Questo tipo di collegamento ha tutti i vantaggi della configurazione con piastra d'anima "lunga", ad eccezione di un assemblaggio garantito, privo di problemi, della singola trave. Per spaziature tra le travi inferiori, può succedere che la singola trave non possa essere inserita nel luogo di installazione.
Tuttavia, poiché le piattaforme di lavoro e le passerelle sono spesso preassemblate a terra e quindi inseriti e installati nel luogo di installazione nel suo insieme o in grandi parti (assemblaggio), si verifica raramente il caso di inserire una singola trave e di riscontrare i problemi relativi . In ogni caso, l'ingegnere progettista e/o il progettista dovrebbero prendere confidenza con la tecnologia di assemblaggio della società esecutrice.
Un ulteriore vantaggio di questa opzione con piastra d'anima "corta" è l'eccentricità di collegamento generalmente piuttosto piccola, che spesso risulta in risultati più economici rispetto all'opzione con piastra d'anima "lunga".
Uno svantaggio di questo tipo di collegamento è la scanalatura solitamente necessaria della trave secondaria, che si traduce in alcuni casi in due o addirittura tre problemi. Prima di tutto, dovrebbe essere menzionato qui lo sforzo aggiuntivo nella produzione, che difficilmente si applica alle officine moderne.
Il secondo problema è la resistenza della trave inferiore nella zona dentellata. Qui sono necessari ulteriori progetti, che in alcuni casi diventano anche i progetti determinanti. Ciò è particolarmente vero se sono necessari intagli ad entrambe le estremità (cioè all'ala superiore e inferiore della trave). Questo è spesso il caso quando la trave secondaria e principale sono quasi uguali.
Il terzo problema che può derivare dall'intaglio si verifica solo con strutture immerse a caldo in acciaio strutturale ad alta resistenza (da S355). Si deve verificare qui che nessuna formazione di fessure nell'area di intaglio si verifica durante il processo di zincatura. Questo può essere eseguito mediante il calcolo o la classificazione del dettaglio secondo la linea guida 022 DASt (Comitato tedesco per le costruzioni in acciaio). Il secondo potrebbe essere il caso normale.
Esempio di verifica di un collegamento con piastra d'anima corta e intagliata
In questa sezione, il calcolo e il progetto di un collegamento a piastra d'anima secondo EN 1993-1-8 [1] è mostrato e parzialmente spiegato. La Figura 03 mostra la piattaforma di lavoro considerata. Ha un'area della base di 4,00 mx 4,00 m, è attaccata su un lato tramite ganci alla piattaforma principale sopra ed è collegata sull'altro lato alla struttura principale. Pertanto, la piattaforma può essere "staccata" dal calcolo globale a causa del vincolo esterno, che non è strettamente necessario, ma spesso aiuta ad avere un calcolo e una progettazione più chiari e talvolta più veloci.
Di seguito, si presume che la piattaforma considerata sia pre-assemblata a terra e quindi inserita e installata nel sito nel suo insieme. Pertanto, qui sarà utilizzato un tipo di collegamento a piastra d'anima corta.
La verifica (preliminare) utilizzando il modulo aggiuntivo Rf-/STEEL EC3 è risultata in una sezione trasversale della trave principale IPE220-S235JR e una sezione trasversale della trave della piattaforma IPE180-S235JR. I vincoli esterni sono eseguiti come IPE160-S235JR a causa di fattori di progetto. L'irrigidimento della piattaforma non dovrebbe essere considerato ulteriormente qui.
La Figura 04 mostra il collegamento a piastra d'anima con le sue dimensioni più importanti. Più dimensioni saranno probabilmente indicate durante la progettazione. Le forze interne del collegamento risultano in:
Prima che il progetto venga eseguito in dettaglio e in parte spiegato, si dovrebbe prima menzionare una richiesta ovvia: l'altezza della piastra d'anima deve essere inferiore all'altezza della trave secondarie. Questa richiesta dovrebbe evitare il contatto tra la trave collegata e le componenti strutturali di supporto. La prima componente della verifica persegue questo obiettivo che sarà mostrato di seguito.
Rotazione disponibile in un collegamento:
Questo è uno di quei progetti che sono facilmente saltati nella pratica di progetto, ma garantisce che un collegamento incernierato possa essere assunto dove uno è stato assunto nel calcolo delle forze interne. Per questa verifica, si presume un punto di rotazione nel baricentro geometrico della disposizione dei bulloni. Si calcola quindi un angolo dal quale avviene il contatto tra l'ala della trave e il componente strutturale di supporto (qui, l'anima della trave principale).
Il contatto è fondamentalmente possibile.
Il collegamento può assorbire le rotazioni in atto di 0,45 °, il progetto è soddisfatto.
Prevenzione della rottura prematura della saldatura:
Fondamentalmente, la verifica delle saldature deve essere eseguita secondo la sezione 4 della EN 1993-1-8 [1]. In caso di carichi relativamente piccoli, rispetto alla resistenza a taglio della trave collegata, le saldature necessarie possono diventare molto sottili. In questo caso, la resistenza della saldatura è spesso minore della resistenza degli altri componenti. Di conseguenza, l'eventuale rottura del collegamento è caratterizzato da una rottura fragile della saldatura. Il collegamento non ha quasi nessuna duttilità.
Lo spessore della saldatura selezionato è stato assunto con 4 mm. Il criterio è così soddisfatto.
Rottura a taglio del singolo bullone:
L'unica difficoltà di questo progetto è la corretta distribuzione delle forze interne del collegamento sui singoli bulloni. In generale, la distribuzione delle forze è descritta in diversi libri di testo, quindi non sarà ulteriormente discussa qui.
Rottura a taglio duttile del gruppo di bulloni:
Questa condizione di progetto dovrebbe garantire che possa aver luogo una ridistribuzione plastica delle forze interne dallo stato attuale allo stato di progetto. Questo criterio non dovrebbe mai diventare determinante, ciò significa che il massimo rapporto di utilizzo dovrebbe verificarsi in questa verifica.
Rottura della portata del foro di un bullone nella piastra d'anima:
Poiché il numero di piani di taglio in corrispondenza di un collegamento di piastra pinna è sempre 1, le componenti di forza corrispondono a quelle della rottura da taglio. Pertanto, non è necessario ricalcolare.
Rottura da taglio nella sezione trasversale lorda della piastra d'anima:
Rottura da taglio nella sezione trasversale netta della piastra d'anima:
Resistenza al taglio del blocco del gruppo di bulloni nella piastra d'anima:
La verifica contro la resistenza a taglio del blocco del gruppo di bulloni è una verifica standard come la verifica della resistenza a taglio e portante del singolo bullone, che non è spiegata ulteriormente qui. Per una presentazione più dettagliata delle formule di progetto, fare riferimento a vari libri di testo.
Rottura per flessione del piastra d'anima:
Questo meccanismo di errore potrebbe non verificarsi in molti casi. Poiché lo sforzo per il calcolo della resistenza alla flessione della piastra d'anima è piuttosto gestibile, normalmente viene sempre calcolato un valore di resistenza. Tuttavia, si può escludere che questo meccanismo di rottura possa diventare determinante se l'altezza della piastra d'anima supera 2,73 volte il braccio z. In questo caso, la resistenza alla flessione è sempre maggiore di quella per rottura a taglio nella sezione trasversale lorda della piastra d'anima.
Instabilità della piastra:
Questo progetto è spesso dimenticato nella pratica di progetto. Potrebbe accadere che diventi semplicemente il progetto determinante in condizioni geometriche sfavorevoli. Il progetto deriva dal vecchio regolamento britannico di costruzione in acciaio BS 5950-1 [3] dall'anno 2000. Per un esame più approfondito, si fa riferimento al presente regolamento e alla letteratura di commento.
La resistenza all'instabilità (in realtà resistenza all'instabilità flesso-torsionale) dipende quindi dalla resistenza della piastra d'anima per instabilità flesso-torsionale, che a sua volta dipende dalla snellezza della piastra. Il valore della resistenza può essere desunto dalla normativa britannica BS 5950-1 [3] nella Tabella 17, mentre deve essere menzionato che gli acciai strutturali della resistenza S235 non sono o raramente sono utilizzati nel Regno Unito; ecco perché nessun valore è contenuto esplicitamente per questo acciaio. Tuttavia, possono essere utilizzati i valori di S275 e la tensione di snervamento S235.
Teoricamente, sarebbe così possibile una verifica all'instabilità, che, tuttavia, non è considerata appropriata. Sembra meglio escludere completamente questo tipo di rottura della piastra d'anima. Può essere dato per scontato se è soddisfatta la seguente verifica.
Rottura da trazione della piastra d'anima nella sezione trasversale lorda:
Questo progetto è necessario solo per il verificarsi di forze normali nel collegamento. Nonostante i piccoli carichi dalla forza normale, che possono essere classificati come trascurabili, il progetto viene eseguito per completezza.
Rottura per trazione dell'anima della trave nella sezione trasversale netta:
Verifica della resistenza della trave nell'area intagliata:
Questo progetto diventa spesso determinante quando gli intagli sono necessari su entrambi i lati della trave. Deve essere qui chiarito che i momenti flettenti che si verificano e le forze di taglio nella trave intagliata possono essere assorbite in sicurezza.
La forza di taglio può essere trascurata nella successiva verifica. Teoricamente, si può eseguire una verifica tensionale equivalente, che è, tuttavia, trascurata nel testo seguente. È determinata e verificata solo la tensione normale dai momenti flettenti e dalle frequenze normali.
Rottura del cuscinetto di un foro del bullone nell'anima della trave:
Le forze agenti corrispondono a quelle della piastra d'anima. Tuttavia, le resistenze devono essere ricalcolate a causa dei diversi spessori delle piastre.
Rottura per taglio nella sezione trasversale lorda dell'anima della trave:
Rottura per taglio nella sezione trasversale netta dell'anima della trave:
Resistenza a taglio del blocco del gruppo di bulloni nell'anima della trave:
Rottura per trazione dell'anima della trave nella sezione trasversale lorda:
Questo progetto è necessario solo per il verificarsi di forze normali nel collegamento. Nonostante i piccoli carichi dalla forza normale, che possono essere classificati come trascurabili, il progetto viene eseguito per completezza.
Rottura per trazione dell'anima della trave nella sezione trasversale netta:
Rottura per flessione dell'anima della trave principale:
Questo progetto è necessario per i collegamenti a piastra d'anima a una via e a due vie, ma non correttamente caricati, sull'anima della colonna. Questo progetto dovrebbe essere eseguito anche se una piastra d'anima è saldata ad una trave. Questa non è sicuramente la regola generale, poiché la piastra d'anima sarà saldata ad almeno un'ala della trave principale nella pratica progettuale. In questo esempio, tale configurazione di collegamento è stato deliberatamente selezionato per mostrare brevemente questo progetto.
A causa delle basse forze normali, la verifica non sarebbe considerata anche nella pratica di progetto, poiché una rottura dell'anima della trave principale può essere esclusa dall'inizio.
A questo punto, il collegamento è stato completato correttamente. Tutte le condizioni di progetto sono state soddisfatte.
Va qui sottolineato che il progetto conteneva solo una combinazione di carico. In teoria, il progetto deve essere eseguito individualmente per tutte le possibili combinazioni di progetto, il che sarebbe molto ampio. Nella pratica di progetto, è spesso il caso di utilizzare le forze interne da un inviluppo, il che può portare a collegamenti molto antieconomici nel caso peggiore.
Influenza dei collegamenti sulla stabilità del componente
Infine, si menziona il problema più grande che si verifica con i collegamenti della piastra d'anima, così come con altri tipi di collegamento: la deviazione parzialmente grande da un vincolo laterale e torsionale. Questa deviazione è, contrariamente alle collegamenti rigidi, spesso errate e quindi di importanza significativa in termini di sicurezza.
Il testo seguente non mostrerà l'unico metodo di verifica corretto per questo problema, ma piuttosto, come un ingegnere potrebbe gestirlo.
Nella costruzione in acciaio, spesso accade che l'ingegnere responsabile della progettazione della trave non progetti tutte i collegamenti della struttura. Progetterà usualmente le basi della colonna e i collegamenti principali della struttura e passerà i collegamenti secondari alla società esecutrice. Gli ingegneri e i progettisti che lavorano per questa azienda sanno meglio quali collegamenti si adattano alla loro tecnologia nella produzione e assemblaggio.
Il grosso problema in questa procedura di lavoro è che il progettista responsabile della verifica della trave difficilmente pensa se le sue travi secondarie sono collegate secondo le sue ipotesi. Lui/lei potrebbe spesso assumere un vincolo laterale e torsionale all'estremità della trave per le travi della piattaforma che sopportano rischi di instabilità flesso-torsionale, che a volte potrebbe essere un problema per il progettista dei collegamenti. La domanda qui è ciò che il progettista potrebbe già fare quando si progetta il trave per semplificare il lavoro per il progettista successivo del collegamento.
La vecchia norma tedesca per le costruzioni in acciaio DIN 18800-2 offriva la possibilità di considerare gli intagli della trave nell'analisi di instabilità flesso-torsionale assegnando il coefficiente della trave n = 2.0 alla trave intagliata (in contrasto con la trave non intagliata n = 2.5). Nell'attuale Eurocodice per l'instabilità flesso-torsionale, questo corrisponderebbe a una classificazione ad una curva di instabilità flesso-torsionale più sfavorevole (ad esempio, dalla curva di instabilità b a c). Tale considerazione di una tacca non è prevista in EN 1993-1-1 [2]. Questa riclassificazione della curva di instabilità per le travi secondarie incernierate di una struttura in acciaio dovrebbe essere sempre eseguita, poiché ciò offre al successivo progettista di collegamenti la possibilità di non dover necessariamente creare un vincolo laterale e torsionale. Un'altra possibilità di questa riclassificazione della curva di instabilità sarebbe quella di limitare il rapporto delle travi secondarie per instabilità flesso-torsionale ad un certo valore (ad esempio, 80%).
Nell'ambito della progettazione del collegamento, il progettista responsabile deve comunque verificare il progetto della trave secondaria per la rigidezza del collegamento inferiore, il che è possibile solo se ha alcune tolleranze rispetto alla pianificazione originale. L'aspetto di questo progetto dipende dalla decisione dell'ingegnere progettista. Sfortunatamente, le norme ingegneristiche non offrono assistenza.
La verifica della trave, tenendo conto della rigidezza inferiore del collegamento, può essere eseguita fondamentalmente in due modi: sia per considerazione diretta nel vincolo esterno utilizzando una molla a torsione o mediante valori di tabelle o diagrammi per determinare il momento critico di instabilità.
Il secondo caso è la preferenza a condizione che una verifica dell'asta equivalente dovrebbe essere eseguita manualmente. Poiché il processo di progettazione non è coperto in particolare da questo articolo, si fa riferimento solo ai riferimenti utili. Altamente raccomandabili sono gli articoli [5] , [6] e [7]. Sfortunatamente, non è stato ancora pubblicato il corrispondente rapporto di ricerca di DASt a [6] e [7] , che potrebbe essere la fonte più utile in tedesco riguardo a questa difficoltà.
La possibilità di considerare una molla a torsione appropriata è certamente l'approccio della soluzione se la verifica deve essere eseguita con il metodo generale secondo la sezione 6.3.4 della EN 1993-1-1 [2] o con il calcolo secondo l'instabilità torsionale del secondo ordine teoria. Per ottenere questi parametri della molla, è possibile un calcolo con il metodo EF (ad esempio RFEM).