Collegamento a momento in testa di telaio portale bullonato

Descrizione

L'obiettivo di questo studio è la verifica del collegamento in testa di telaio portale bullonato, come mostrato in Fig. 9.2.1. Il corrente di falda è bullonato tramite piastra d'estremità sulla flangia del pilastro. Il pilastro è irrigidito con due irrigidimenti orizzontali in corrispondenza delle flange della trave. Le piastre compresse, ad esempio gli irrigidimenti orizzontali del pilastro, il pannello d'anima a taglio o a compressione e la flangia compressa della trave, sono progettate come sezione trasversale di classe 3. La trave orizzontale è lunga 6 m e caricata da un carico continuo su tutta la lunghezza.

Fig. 9.2.1 Collegamento in testa di telaio portale bullonato

Modello analitico

Vengono esaminate otto componenti: saldatura d'angolo, pannello d'anima a taglio, anima del pilastro a compressione trasversale, anima del pilastro a trazione trasversale, flangia della trave a compressione e trazione, flangia del pilastro a flessione, piastra d'estremità a flessione e bulloni. Tutte le componenti sono progettate secondo EN 1993-1-8:2005. I carichi di progetto delle componenti dipendono dalla posizione. Il pannello d'anima a taglio è caricato dai carichi di progetto sull'asse verticale del pilastro. Le altre componenti sono caricate dai carichi di progetto ridotti nella flangia del pilastro a cui è collegata la trave orizzontale.

Saldatura d'angolo

La saldatura è chiusa attorno all'intera sezione trasversale della trave. Lo spessore della saldatura sulle flange può differire dallo spessore della saldatura sull'anima. La forza di taglio verticale è trasferita solo dalle saldature sull'anima e si considera una distribuzione plastica delle tensioni. Il momento flettente è trasferito dall'intera forma della saldatura e si considera una distribuzione elastica delle tensioni. Si considera la larghezza efficace della saldatura in funzione della rigidezza orizzontale del pilastro (a causa della flessione della flangia del pilastro non irrigidita). La progettazione della saldatura è eseguita secondo EN 1993-1-8:2005, Cl. 4.5.3.2(6). La verifica viene effettuata in due punti principali: sul bordo superiore o inferiore della flangia (tensione massima di flessione) e nell'intersezione tra flangia e anima (combinazione delle tensioni da forza di taglio e momento flettente).

Pannello d'anima a taglio

Lo spessore dell'anima del pilastro è progettato per essere al massimo di terza classe; vedere EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.1(1). Si considerano due contributi alla capacità portante: la resistenza della parete del pilastro a taglio e il contributo del comportamento a telaio delle flange del pilastro e degli irrigidimenti orizzontali; vedere EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.1 (6.7 e 6.8).

Anima del pilastro a compressione o trazione trasversale

Si considera l'effetto dell'interazione del carico di taglio; vedere EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.2 e Tab. 6.3. Si considera l'influenza della tensione longitudinale nella parete del pilastro; vedere EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.2(2). Gli irrigidimenti orizzontali prevengono l'instabilità e sono inclusi nella capacità portante di questa componente con l'area efficace.

Flangia della trave a compressione

La trave orizzontale è progettata per essere al massimo di terza classe.

Flangia del pilastro o piastra d'estremità a flessione

Le lunghezze efficaci per le rotture circolari e non circolari sono considerate secondo EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6. Si considerano tre modalità di collasso secondo EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.4.1.

Bulloni

I bulloni sono progettati secondo EN 1993-1-8:2005, Cl. 3.6.1. La resistenza di progetto considera la resistenza a punzonamento e la rottura del bullone.

Modello numerico di progetto

Il T-stub è modellato con elementi shell a 4 nodi come descritto nel Capitolo 3 e riassunto di seguito. Ogni nodo ha 6 gradi di libertà. Le deformazioni dell'elemento comprendono contributi membranali e flessionali. Lo stato del materiale elastico-plastico non lineare è analizzato in ogni strato del punto di integrazione. La verifica si basa sulla deformazione massima indicata secondo EN 1993-1-5:2006 con un valore del 5 %. I bulloni sono suddivisi in tre sotto-componenti. Il primo è il gambo del bullone, modellato come una molla non lineare che lavora solo a trazione. Il secondo sotto-componente trasmette la forza di trazione alle flange. Il terzo sotto-componente risolve la trasmissione del taglio.

Comportamento globale

È stato effettuato il confronto del comportamento globale del giunto, descritto dai diagrammi momento-rotazione per entrambe le procedure di progetto sopra menzionate. L'attenzione è stata focalizzata sulle caratteristiche principali del diagramma momento-rotazione: rigidezza iniziale, resistenza di progetto e capacità di deformazione. La trave IPE 330 è collegata al pilastro HEB 300 tramite piastra d'estremità estesa con 5 file di bulloni M24 8.8. I risultati di entrambe le procedure di progetto sono mostrati nel grafico in Fig. 9.2.2 e in Tab. 9.2.1. Il metodo delle componenti (CM) fornisce generalmente una rigidezza iniziale più elevata rispetto al CBFEM. Il CBFEM fornisce una resistenza di progetto leggermente superiore rispetto al CM in tutti i casi, come mostrato nel Capitolo 9.2.5. La differenza è fino al 10%. Viene confrontata anche la capacità di deformazione. La capacità di deformazione è stata calcolata secondo (Beg et al. 2004) poiché EC3 fornisce un background limitato per la capacità di deformazione dei giunti con piastra d'estremità.

Fig. 9.2.2 Diagramma momento-rotazione

Tab. 9.2.1 Panoramica del comportamento globale

Verifica della resistenza

La resistenza di progetto calcolata con il CBFEM è stata confrontata con i risultati del metodo delle componenti nel passaggio successivo. Il confronto è stato focalizzato sulla resistenza e anche sulla componente critica. Lo studio è stato eseguito per il parametro della sezione trasversale del pilastro. La trave IPE 330 è collegata al pilastro tramite piastra d'estremità estesa con 5 file di bulloni. Vengono utilizzati bulloni M24 8.8. Le dimensioni della piastra d'estremità P15 con le distanze dei bordi dei bulloni e l'interasse in millimetri sono: altezza 450 (50-103-75-75-75-73) e larghezza 200 (50-100-50). Il bordo esterno della flangia superiore è a 91 mm dal bordo della piastra d'estremità. Le flange della trave sono collegate alla piastra d'estremità con saldature con spessore di gola di 8 mm. L'anima della trave è collegata con spessore di gola della saldatura di 5 mm. Il pilastro è irrigidito con irrigidimenti orizzontali in corrispondenza delle flange della trave. Gli irrigidimenti hanno uno spessore di 15 mm e la loro larghezza corrisponde alla larghezza del pilastro. Lo spessore dell'irrigidimento della piastra d'estremità è di 10 mm e la sua larghezza è di 90 mm. I risultati sono mostrati in Tab. 9.2.2 e Fig. 9.2.3.

Tab. 9.2.2 Resistenza di progetto per parametro – profilo del pilastro

Fig. 9.2.3 Resistenza di progetto in funzione della sezione trasversale del pilastro

Per illustrare l'accuratezza del modello CBFEM, i risultati degli studi parametrici sono riassunti nel grafico che confronta le resistenze previste dal CBFEM e dal CM; vedere Fig. 9.2.4. I risultati mostrano che il CBFEM fornisce una resistenza di progetto leggermente superiore rispetto al CM in quasi tutti i casi. La differenza tra i due metodi è fino al 10%.

Fig. 9.2.4 Verifica del CBFEM rispetto al CM

Esempio di riferimento

Dati di input

• Acciaio S235
• Trave IPE 330
• Pilastro HEB 300
• Altezza piastra d'estremità h_p = 450 (50-103-75-75-75-73) mm
• Larghezza piastra d'estremità b_p = 200 (50-100-50) mm
• Piastra d'estremità P15
• Irrigidimenti del pilastro spessore 15 mm e larghezza 300 mm
• Irrigidimento della piastra d'estremità spessore 10 mm, larghezza e altezza 90 mm, smussi 20 mm 
• Spessore di gola della saldatura della flangia a_f = 8 mm
• Spessore di gola della saldatura dell'anima e dell'irrigidimento della piastra d'estremità a_w = 5 mm
• Bulloni M24 8.8

Risultati

• Resistenza di progetto a flessione M_Rd = 206 kNm
• Forza di taglio verticale corrispondente V_Ed= –206 kN
• Modalità di collasso: snervamento dell'irrigidimento della trave sulla flangia superiore
• Sfruttamento dei bulloni 90,2 %
• Sfruttamento delle saldature 99,0 %