Giunti prequalificati per applicazioni sismiche

12.1 Progetto EQUALJOINTS

Il progetto di ricerca europeo EQUALJOINTS fornisce criteri di prequalifica dei giunti in acciaio per la prossima versione della EN 1998-1. L'attività di ricerca ha riguardato la standardizzazione delle procedure di progettazione e fabbricazione per una serie di tipologie di collegamento bullonato e una sezione di trave ridotta saldata con profili pesanti, progettati per soddisfare diversi livelli di prestazione. È stato inoltre sviluppato un nuovo protocollo di carico per la prequalifica europea, rappresentativo della domanda sismica europea. La campagna sperimentale dedicata alla caratterizzazione ciclica sia dell'acciaio al carbonio dolce europeo che dei bulloni ad alta resistenza ha raggiunto il comportamento richiesto per quattro tipologie di giunti prequalificati: giunti bullonati con mensola rastremata, giunti bullonati con piastra d'estremità estesa non irrigidita, giunti bullonati con piastra d'estremità estesa irrigidita e giunti con sezione di trave ridotta saldata; si veda la Fig. 12.1.1. I risultati raggiunti sperimentalmente nell'ambito del progetto EQUALJOINTS sono riassunti in (Stratan et al. 2017) e (Tartaglia e D'Aniello, 2017).

Fig. 12.1.1 Giunti strutturali prequalificati nel progetto EQUALJOINTS

12.2 Giunti con piastra d'estremità

I collegamenti bullonati con piastra d'estremità estesa irrigidita sono i più comuni tra le industrie europee di carpenteria metallica e sono ampiamente utilizzati nella pratica europea come giunti resistenti al momento in telai in acciaio di bassa e media altezza, grazie alla semplicità e all'economia di fabbricazione e montaggio. I criteri di progettazione e i relativi requisiti per i giunti trave-colonna bullonati con piastra d'estremità estesa irrigidita sono stati approfonditi e discussi criticamente, e attualmente codificati nella EN 1998-1:2005 sulla base di uno studio parametrico fondato su analisi agli elementi finiti. Purtroppo, la procedura di progettazione per capacità è stata sviluppata solo nell'ambito del metodo delle componenti. Essa tiene conto anche della presenza di nervature ed è in grado di controllare la risposta del giunto per diversi livelli di prestazione.

I giunti con piastra d'estremità estesa non irrigidita sono comunemente utilizzati nelle costruzioni in acciaio per collegare travi a sezione I o H a colonne a sezione I o H nei casi in cui devono essere trasferiti momenti flettenti significativi. Questa configurazione consente un facile montaggio tramite bullonatura, mentre la saldatura della piastra d'estremità alla trave è automatizzata in officina. La resistenza a flessione del collegamento è generalmente inferiore alla resistenza a flessione degli elementi collegati. Pertanto, tali giunti sono considerati a resistenza parziale. Il raggiungimento di una situazione di resistenza uguale, in cui la resistenza plastica del giunto è approssimativamente uguale alla resistenza plastica della sezione della trave, può essere ottenuto mediante un'adeguata progettazione. La loro duttilità a flessione dipende in larga misura dai dettagli costruttivi dei giunti, che influenzano il modo di rottura (Jaspart, 1997). Se la componente del giunto che governa la rottura è duttile e se la resistenza delle componenti attive fragili è significativamente superiore, si può ottenere una risposta duttile del giunto. Nel caso contrario, non si dovrebbe fare affidamento sulla capacità del giunto di formare cerniere plastiche e ridistribuire le forze interne per assorbire energia in zona sismica.

Per i collegamenti resistenti al momento con sezione di trave ridotta saldata, noti anche come dog-bone, sono state adottate due strategie principali: il rinforzo del collegamento o l'indebolimento della trave. Tra le due opzioni per il profilo della riduzione di sezione, il taglio a raggio tende a mostrare un comportamento relativamente più duttile, ritardando la frattura ultima (Jones et al. 2002). Tuttavia, il lavoro ha dimostrato che gli elementi con sezione di trave ridotta sono più soggetti all'instabilità flesso-torsionale a causa della riduzione dell'area delle ali. Ulteriori ricerche sperimentali e analitiche incentrate sull'applicazione di colonne di grande altezza (Zhang e Ricles, 2006) hanno indicato che la presenza di un solaio composito può ridurre notevolmente la torsione che si sviluppa nella colonna, poiché offre un vincolo alla trave e riduce lo spostamento laterale dell'ala inferiore.

Secondo la procedura di progettazione sviluppata nell'ambito del progetto EQUALJOINTS, il giunto comprende tre macro-componenti: il pannello d'anima della colonna, la zona di collegamento e la zona della trave; si veda la Fig. 12.2.1. Ogni macro-componente è progettata individualmente secondo ipotesi specifiche, e successivamente vengono applicati i criteri di progettazione per capacità al fine di ottenere tre diversi obiettivi di progettazione definiti per valutare il giunto: giunti a piena resistenza, a resistenza uguale e a resistenza parziale. I giunti a piena resistenza sono progettati per garantire la formazione di tutte le deformazioni plastiche nella trave, in coerenza con le regole di progettazione per capacità colonna forte – trave debole della EN 1998-1:2005. I giunti a resistenza uguale sono teoricamente caratterizzati dalla plasticizzazione contemporanea di tutte le macro-componenti, ovvero collegamento, pannello d'anima e trave. I giunti a resistenza parziale sono progettati per sviluppare la deformazione plastica solo nel collegamento o nel pannello d'anima della colonna. In base alla resistenza delle macro-componenti di collegamento e pannello d'anima della colonna, sia per i giunti a resistenza uguale che per quelli a resistenza parziale, può essere introdotta un'ulteriore classificazione. Per un pannello d'anima forte, la domanda plastica è concentrata nel collegamento per il giunto a resistenza parziale, o nel collegamento e nella trave per il giunto a resistenza uguale. Per un pannello d'anima bilanciato, la domanda plastica è distribuita tra il collegamento e il pannello d'anima della colonna per il giunto a resistenza parziale, e nel collegamento, nel pannello d'anima e nella trave per il giunto a resistenza uguale. Per un pannello d'anima debole, la domanda plastica è concentrata nel pannello d'anima della colonna per il giunto a resistenza parziale, o nel pannello d'anima e nella trave per il giunto a resistenza uguale.

Fig. 12.2.1 Suddivisione del giunto in macro-componenti

La duttilità del giunto dipende dal tipo di modo di rottura e dalla corrispondente capacità di deformazione plastica della componente attivata. La capacità di deformazione può essere approssimativamente prevista soddisfacendo i criteri sviluppati per il metodo delle componenti (CM) o calcolata più precisamente tramite CBFEM. Di seguito sono presentati esempi di progettazione di due configurazioni di giunti prequalificati descritte nei materiali del progetto EQUALJOINTS e nella norma ANSI/AISC358-16, considerando separatamente il comportamento delle macro-componenti.

12.2.1 Validazione

I modelli CBFEM di rigidezza, capacità portante e capacità di deformazione dei giunti prequalificati sono stati validati da Montenegro (2017) su un insieme di esperimenti disponibili dal progetto EQUALJOINTS. Gli esempi di soluzioni strutturali sono riportati nella Fig. 12.2.2. I risultati della validazione del modo di rottura sono mostrati nella Fig. 12.2.3. Il riepilogo della validazione della resistenza e della capacità di deformazione per una deformazione del 15 % è mostrato nelle Figg. 12.2.4 e 12.2.5.

Fig 12.2.2 Giunti utilizzati per la validazione e la verifica a) EH2-TS-35-M e EH2-TS-45-M, b) ES1-TS-F-M e ES3-TS-F-M, c) E1-TS-E-M e E2-TS-E-M

Fig. 12.2.3 Validazione del modo di rottura del CBFEM sui giunti con piastra d'estremità estesa con mensola rastremata E1-TS-F-C2 (Tartaglia e D'Aniello, 2017)

Fig.12.2.4 Validazione della resistenza del CBFEM sugli esperimenti del progetto EQUALJOINTS

Fig. 12.2.5 Validazione della capacità rotazionale del CBFEM sugli esperimenti del progetto EQUALJOINTS

12.2.2 Verifica

Il modello CBFEM è stato verificato rispetto al metodo delle componenti (CM) secondo il Cap. 6 della EN 1993-1-8:2006. La selezione dei risultati è presentata nella Tab. 12.2.1 e nella Fig. 12.2.6. I risultati mostrano la perdita di accuratezza del CM per giunti di maggiori dimensioni, dove l'approssimazione grossolana del braccio della leva guida l'accuratezza.

Tab. 12.2.1 Verifica del CBFEM rispetto al CM

Fig. 12.2.6 Verifica della resistenza del CBFEM rispetto al CM

Tre giunti con mensola rastremata a un lato sono descritti in maggior dettaglio in (Landolfo et al. 2017) e (applicazione Equaljoints). I giunti sono caricati sia da momenti flettenti positivi che negativi e dal corrispondente carico di taglio. Le anime delle colonne sono rinforzate con piatti di rinforzo, quindi le componenti determinanti sono i T-stub della piastra d'estremità o dell'ala della colonna. Gli assi di rotazione sono assunti al centro dell'ala superiore della trave per il momento flettente positivo e al centro della mensola rastremata per il momento flettente negativo. La posizione della cerniera plastica è assunta in corrispondenza della faccia della piastra di irrigidimento all'estremità della mensola rastremata. Il momento flettente alla faccia della colonna utilizzato per la verifica del collegamento è incrementato dal corrispondente carico di taglio; si veda la Fig. 12.2.7.

Fig. 12.2.7 Posizione della cerniera plastica, andamento del momento flettente nel giunto con mensola rastremata

Tab. 12.2.2 Resistenza delle componenti con il CM per i giunti con mensola rastremata

Il fattore di incrudimento è stato scelto pari a 1,2 come suggerito dalla EN 1993-1-8:2006 e dal rapporto finale del progetto Equaljoints (la EN 1998-1:2005 suggerisce il valore 1,1). Il fattore di sovraresistenza è stato assunto pari a 1,25 (Landolfo et al. 2017). Tutto l'acciaio era di grado S355. Le resistenze delle singole componenti sono riassunte nella Tab. 12.2.2. Le verifiche in grassetto non sono soddisfatte. Si noti che la resistenza della mensola rastremata è la resistenza plastica della sezione della trave con la mensola rastremata alla piastra d'estremità. La resistenza della trave è assunta incrementata dal fattore di sovraresistenza in corrispondenza della cerniera plastica, ma non alla piastra d'estremità. Se il fattore di sovraresistenza fosse applicato anche alla piastra d'estremità, questa resistenza sarebbe maggiore. Pertanto, la resistenza successivamente più bassa, il T-stub – piastra d'estremità, è stata assunta come determinante per la resistenza del giunto n. 267. Nessuno dei giunti esaminati soddisfa il requisito per un giunto a piena resistenza. Tuttavia, la resistenza è molto vicina e i giunti sono a resistenza uguale. Il pannello d'anima della colonna è in tutti i casi forte.

Il modo di rottura determinante secondo il CBFEM è la rottura dei bulloni con plasticizzazione delle piastre, principalmente piastra d'estremità, ala della colonna e mensola rastremata. Secondo il CBFEM, i giunti n. 4.2 e n. 264 sono a piena resistenza e il giunto n. 267 è a resistenza uguale. I pannelli d'anima della colonna sono forti in tutti i casi.

Fig. 12.2.8 Le deformazioni alla resistenza per a) l'intero giunto, b) la sola macro-componente collegamento con piastra d'estremità bullonata, c) la sola macro-componente pannello d'anima della colonna a taglio con piatti di rinforzo, d) la sola macro-componente trave

12.2.3 Giunti con piastra d'estremità estesa non irrigidita

Per uno studio di sensibilità, è stato selezionato un giunto prequalificato con piastra d'estremità estesa non irrigidita. La trave IPE 450 è collegata alla colonna HEB 300 tramite una piastra d'estremità estesa di spessore 25 mm con dodici bulloni M30 10.9, con e senza piatto di rinforzo dell'anima di spessore 10 mm. Per tutte le piastre è stato utilizzato acciaio di grado S 355. Per determinare separatamente il contributo di ciascuna macro-componente, il diagramma del materiale della macro-componente selezionata era elastoplastico, mentre il resto del giunto aveva solo un diagramma del materiale elastico. Le deformazioni alla resistenza dell'intero giunto, del solo pannello d'anima della colonna a taglio con piatti di rinforzo e del solo collegamento con piastra d'estremità bullonata sono confrontate con la sola macro-componente trave nella Fig. 12.2.8. L'influenza di ciascuna macro-componente sul comportamento del giunto è presentata nella Fig. 12.2.9, dove è mostrato il pannello d'anima della colonna con e senza piatti di rinforzo. Il comportamento del giunto mostra una maggiore resistenza della macro-componente collegamento.

Fig. 12.2.9 Influenza delle macro-componenti, il pannello d'anima della colonna con piatti di rinforzo a taglio, il collegamento con piastra d'estremità bullonata e la trave sul comportamento dell'intero giunto

12.2.4 Posizione del centro di compressione

Per i giunti con piastra d'estremità, la EN 1993-1-8:2006 specifica che il centro di compressione è situato al centro dello spessore dell'ala della trave, o all'estremità della mensola rastremata nel caso di giunti con mensola rastremata. I risultati sperimentali e numerici hanno mostrato che la posizione del centro di compressione dipende sia dal tipo di giunto che dalla domanda di rotazione, a causa della formazione di modi plastici con diverso coinvolgimento di ciascuna componente del giunto (Landolfo et al. 2017). Secondo la procedura di progettazione CM proposta e sulla base dei risultati sia sperimentali che numerici, per i giunti con piastra d'estremità irrigidita è previsto un contatto in prossimità del baricentro della sezione formata dall'ala della trave e dagli irrigidimenti a nervatura, oppure a circa 0,5 dell'altezza della mensola rastremata nel caso di giunti con mensola rastremata. Questa approssimazione grossolana è precisata dalla procedura CBFEM, che fornisce valori corretti durante il carico e la plasticizzazione iniziale delle parti del giunto.

I risultati presentati mostrano la buona accuratezza del CBFEM verificato rispetto al ROFEM e validato sugli esperimenti EQUALJOINTS e sul CM. Ciò offre la possibilità di considerare separatamente il comportamento delle macro-componenti e la posizione degli assi neutri in modo accurato in funzione del carico/plasticizzazione.

12.3 Giunto con sezione di trave ridotta saldata

Per questo studio è stato selezionato un giunto prequalificato con sezione di trave ridotta saldata secondo ANSI/AISC 358-16. La trave IPE 450 è collegata alla colonna HEB 300 tramite saldature di testa alle ali e una piastra d'anima di spessore 12 mm con tre bulloni precaricati M30 10.9, con e senza piatto di rinforzo dell'anima di spessore 10 mm; si veda la Fig. 12.3.1. Tutto l'acciaio utilizzato è di grado S355.

Le deformazioni alla resistenza ultima dell'intero giunto e della sola macro-componente pannello d'anima della colonna a taglio con piatti di rinforzo sono mostrate nella Fig. 12.3.2. L'influenza di ciascuna macro-componente sul comportamento del giunto è presentata nella Fig. 12.3.3, dove è mostrato il pannello d'anima della colonna con e senza piatti di rinforzo. Il giunto mostra che le resistenze delle macro-componenti del giunto sono ben ottimizzate.

Fig. 12.3.1 Giunto con sezione di trave ridotta, a) trave con sezione ridotta, b) il pannello d'anima della colonna con piatti di rinforzo a taglio, il collegamento con piastra d'estremità bullonata,

Fig. 12.3.2 Le deformazioni alla resistenza per a) l'intero giunto e b) la sola macro-componente pannello d'anima della colonna con piatti di rinforzo a taglio 

Fig. 12.3.3 Influenza delle macro-componenti sul comportamento dell'intero giunto nel diagramma M-φ

Riferimenti

EN 1993-1-8, Eurocode 3, Design of steel structures – Part 1-8: Design of joints, CEN, Brussels, 2005.

Jones S.L., Fry GT., Engelhardt M.D. Experimental evaluation of cyclically loaded reduced beam section moment connections. Journal of Structural Engineering. 128 (4), 441–451, 2002.

Landolfo R. et al. Design of Steel Structures for Buildings in Seismic Areas, ECCS Eurocode Design Manual. Wiley, 2017.

Stratan A., Maris C, Dubina D, and Neagu C. Experimental prequalification of bolted extended end plate beam to column connections with haunches. ce/papers, 1(2–3), 414–423, 2017.

Tartaglia R, D'Aniello M. Nonlinear performance of extended stiffened end-plate bolted beam-to-column joints subjected to column removal. The Open Civil Engineering Journal Vol 11, Issue Suppl-1, 369–383, 2017.

Zhang X., Ricles J.M. Experimental evaluation of reduced beam section connections to deep columns. Journal of Structural Engineering. 132 (3), 346-357, 2006.