Collegamenti in acciaio prequalificati (AISC) - Sommario, Conclusioni e Raccomandazioni

La serie di esempi di verifica è stata preparata nell'ambito di un progetto congiunto tra Ohio State University e IDEA StatiCa. Gli autori sono elencati di seguito:

• Baris Kasapoglu, dottorando
• Ali Nassiri, Ph.D.
• Halil Sezen, Ph.D.

Collegamento a momento con sezione di trave ridotta (RBS)

Un collegamento a momento RBS testato è stato scelto da uno studio sperimentale (Uang et al., 2000) e sono state create cinque variazioni aggiuntive. Le capacità di resistenza al momento di sei provini con modalità di rottura sono state stimate seguendo la procedura AISC e utilizzando IDEA StatiCa. Le differenze tra le capacità calcolate (1 - capacità al momento da IDEA StatiCa/capacità al momento calcolata dalla procedura AISC) variano da -3% a +7%, mentre la differenza media è di circa il 4% (Tabella 6.1). Inoltre, la relazione momento-rotazione calcolata da IDEA StatiCa mediante analisi di rigidezza è stata confrontata con quella fornita nel rapporto di prova (Figura 6.1). Si può osservare che IDEA StatiCa è in grado di identificare la modalità di rottura, calcolare la capacità di resistenza al momento e la curva momento-rotazione dei collegamenti a momento RBS.

Tabella 6.1: Resistenza al momento flessionale dei collegamenti a momento RBS calcolata da IDEA StatiCa e dalla procedura AISC (rispetto alla faccia del pilastro)

Figura 6.1: Confronto della rotazione plastica del momento (rispetto all'asse del pilastro) del collegamento a momento RBS (modello baseline)

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Collegamento a momento con piastra d'estremità (EPM)

Sei collegamenti EPM testati sono stati valutati seguendo la procedura di progetto AISC e utilizzando IDEA StatiCa. Le loro capacità al momento e le modalità di rottura sono state calcolate e confrontate con le osservazioni dell'esperimento (Sumner et al., 2000). Le differenze tra i risultati variano da -7% a +11%, mentre la differenza media è di circa il 2% (Tabella 6.2). È opportuno notare che lo snervamento della piastra d'estremità è lo stato limite determinante per la variazione 3, dove viene calcolata una differenza dell'11%, mentre la resistenza insufficiente della saldatura tra la piastra d'estremità e l'anima della trave è la modalità di rottura osservata dall'analisi di IDEA StatiCa. Quando la saldatura raggiunge il suo limite di resistenza, nella piastra d'estremità viene calcolata una deformazione plastica dell'1,9%, inferiore al limite del 5% di deformazione plastica per le piastre. Da questo esempio si può dedurre che la procedura delineata in AISC 358 per lo stato limite di snervamento della piastra d'estremità fornisce un risultato più conservativo rispetto a IDEA StatiCa. Per il modello baseline, la curva momento-rotazione ottenuta con IDEA StatiCa è stata confrontata con quella misurata sperimentalmente. IDEA StatiCa dimostra la sua capacità di stimare la capacità di rottura dei bulloni, inclusi gli effetti della forza di leva sulla capacità di resistenza dei bulloni e il contributo dell'irrigidimento della piastra d'estremità alla resistenza flessionale dei provini EPM. La differenza tra le pendenze dopo lo snervamento e il divario tra i valori di picco del momento raggiunto possono essere attribuiti rispettivamente al degrado di rigidezza subito dal provino di prova e al modello di materiale bilineare utilizzato da IDEA StatiCa.

Figura 6.2: Confronto della rotazione plastica del momento (rispetto all'asse del pilastro) del collegamento EPM (modello baseline)

Tabella 6.2: Resistenza al momento flessionale dei collegamenti EPM calcolata da IDEA StatiCa e dalla procedura AISC (rispetto alla faccia del pilastro)

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Collegamento a momento con flangia saldata non rinforzata e anima saldata (WUF-W) 

Le capacità al momento e le modalità di rottura di sei provini WUF-W testati sono state calcolate utilizzando IDEA StatiCa e seguendo la procedura di progetto AISC, e le osservazioni sono state confrontate con i risultati delle prove eseguite da Ricles et al. (2000). Le modalità di rottura ottenute dalle tre fonti sono simili in tutti i collegamenti, mentre le capacità al momento calcolate con IDEA StatiCa sono circa l'8% superiori a quelle ottenute dalla procedura di progetto AISC, ad eccezione del modello baseline (Tabella 6.3). Il motivo per cui IDEA StatiCa calcola capacità al momento maggiori rispetto alla procedura AISC per le variazioni può essere associato all'ipotesi sulla posizione della cerniera plastica. Si raccomanda che questa venga assunta alla faccia del pilastro secondo AISC 358 per i collegamenti a momento WUF-W, il che comporta un momento aggiuntivo minore dovuto alla forza di taglio nella posizione della cerniera plastica rispetto al caso in cui essa si verifichi a una certa distanza dalla faccia del pilastro. Per il modello baseline, l'analisi di IDEA StatiCa mostra che il provino raggiunge la sua capacità quando la saldatura tra la faccia del pilastro e la piastra d'anima si rompe. Analogamente, i calcoli manuali eseguiti seguendo la procedura di progetto AISC indicano che la saldatura non soddisfa il limite di resistenza richiesto. Tuttavia, non esiste una procedura delineata dall'AISC per calcolare la capacità al momento di questo tipo di collegamenti controllati dalla saldatura tra il pilastro e la trave o la piastra d'anima. È opportuno notare che la capacità al momento calcolata seguendo la procedura AISC è basata sulla resistenza al momento plastico della trave, sebbene questo collegamento non sia ammesso dalla progettazione AISC poiché il requisito di resistenza per la saldatura non è soddisfatto. Nel complesso, la differenza media tra le capacità al momento calcolate da IDEA StatiCa e dalla procedura AISC è di circa il 5%. Inoltre, l'analisi momento-rotazione è stata eseguita con IDEA StatiCa e ABAQUS per il modello baseline e i risultati sono stati confrontati. La curva di rotazione plastica del momento calcolata da IDEA StatiCa è stata confrontata con quella misurata fornita dai ricercatori che hanno condotto le prove (Figura 6.3). La differenza tra le pendenze delle curve può essere attribuita al degrado di rigidezza subito dal provino testato durante il carico ciclico. Un'ulteriore osservazione è che, poiché IDEA StatiCa utilizza un modello di materiale bilineare, il comportamento di incrudimento non può essere catturato completamente.

Tabella 6.3: Resistenza al momento flessionale dei collegamenti a momento WUF-W calcolata da IDEA StatiCa e dalla procedura AISC (rispetto alla faccia del pilastro)

Figura 6.3: Confronto della rotazione plastica del momento (rispetto all'asse del pilastro) del collegamento a momento WUF-W (modello baseline)

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Collegamento a momento con flangia saldata non rinforzata e anima bullonata (WUF-B)

Il comportamento flessionale di cinque provini WUF-B testati (Lee et al., 1999) è stato studiato con un totale di otto modelli utilizzando due diversi tipi di bulloni: 1) attrito, 2) appoggio. Le capacità al momento flessionale dei provini sono state calcolate utilizzando IDEA StatiCa e seguendo la procedura di progetto AISC e confrontate (Tabella 6.4). Poiché i bulloni a scorrimento controllato possono essere progettati come bulloni ad appoggio pretesi se il coefficiente di scorrimento della superficie di contatto è maggiore o uguale a 0,30 secondo AISC 341 (2016), i provini contenenti bulloni a scorrimento controllato (ad es. baseline.SC, Var-2.SC, Var-3.SC) possono essere ignorati nel confronto della resistenza al momento tra IDEA StatiCa e la procedura AISC. Per i restanti collegamenti, le differenze tra le capacità al momento calcolate da IDEA StatiCa e AISC variano da -18% a -6%, mentre la differenza media è di circa il 13%. Il motivo per cui IDEA StatiCa calcola una resistenza al momento più conservativa rispetto alla procedura AISC può essere associato alla debole aderenza tra l'anima della trave e la flangia del pilastro. Un'ulteriore analisi può essere condotta sostituendo la piastra d'anima con una saldatura di testa lungo l'anima della trave, ottenendo un miglioramento significativo della capacità al momento seguendo la stessa procedura in IDEA StatiCa.

Per il modello baseline, la rotazione plastica del momento è stata ottenuta dall'analisi di IDEA StatiCa e confrontata con quella misurata sperimentalmente (Figura 6.4). È opportuno notare che i bulloni ad attrito (a scorrimento controllato) sono utilizzati per l'analisi della rotazione del momento, mentre i bulloni ad appoggio sono utilizzati per l'analisi della capacità al momento. La differenza tra le curve può essere associata al processo di estrazione dei dati. Poiché la curva momento-rotazione misurata è stata estratta dalla figura fornita nel rapporto di prova, piccoli errori sono inevitabili. La differenza nel comportamento post-snervamento può essere spiegata con il modello di materiale bilineare utilizzato dal software.

Figura 6.4: Confronto della rotazione plastica del momento (rispetto all'asse del pilastro) del collegamento a momento WUF-B (modello baseline)

Tabella 6.4: Resistenza al momento flessionale dei collegamenti a momento WUF-B calcolata da IDEA StatiCa e dalla procedura AISC (rispetto alla faccia del pilastro)

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Collegamento a momento a doppia T

Sei collegamenti a doppia T testati sono stati esaminati seguendo la procedura di progetto AISC e utilizzando IDEA StatiCa. Le loro capacità al momento sono state calcolate e i risultati sono stati confrontati.

Le differenze tra i risultati variano da -9% a +7%, mentre la differenza media è di circa il 3% (Tabella 6.5). Inoltre, le modalità di rottura sono state stimate in modo ragionevolmente accurato. L'analisi momento-rotazione è stata eseguita tramite IDEA StatiCa e ABAQUS utilizzando due diversi tipi di bulloni (ad es. appoggio, attrito), poiché il tipo di bullone a controllo di trazione non è disponibile in IDEA StatiCa. Le curve sono state confrontate con quella ottenuta sperimentalmente da Leon (1999) per il modello baseline (Figura 6.5). Si osserva che la curva di rotazione plastica del momento del provino di prova ricade, come previsto, tra quelle calcolate dalle analisi di IDEA StatiCa per bulloni ad attrito e ad appoggio. Inoltre, sono state eseguite le verifiche di prequalificazione delineate in AISC 358 per i provini. Per il modello baseline, l'analisi di progetto in capacità è stata eseguita in IDEA StatiCa e confrontata con quella ottenuta seguendo la procedura AISC. Si può concludere che IDEA StatiCa è molto capace di calcolare la capacità al momento e determinare la modalità di rottura dei collegamenti a momento a doppia T. Inoltre, si può aggiungere che l'analisi in capacità (ad es. CD) è in grado di determinare se il collegamento dispone di sufficiente capacità di resistenza quando si forma una cerniera plastica in entrambe le travi, come richiesto da AISC 358 per i collegamenti sismici.

Tabella 6.5: Resistenza al momento flessionale dei collegamenti a momento a doppia T calcolata da IDEA StatiCa e dalla procedura AISC (rispetto alla faccia del pilastro)

Figura 6.5: Confronto della rotazione plastica del momento (rispetto all'asse del pilastro) del collegamento a momento a doppia T (modello baseline)

Nel complesso, vi è una buona concordanza tra le capacità al momento e le modalità di rottura ottenute dalle prove, dall'analisi di IDEA StatiCa e dalla procedura di progetto AISC. Le raccomandazioni per migliorare ulteriormente il software sono elencate di seguito:

• È possibile sviluppare un nuovo tipo di bullone per bulloni a controllo di trazione/pretesi e renderlo disponibile agli utenti in aggiunta ai tipi di bulloni ad appoggio e ad attrito.
• Le forze da applicare con l'opzione "i carichi sono in equilibrio" possono essere calcolate da IDEA StatiCa per diverse lunghezze degli elementi e condizioni al contorno in base alle preferenze dell'utente. In questo modo, è possibile eseguire un'analisi per la condizione desiderata senza ricorrere ad altri software o calcoli manuali aggiuntivi. Con la versione attuale di IDEA StatiCa (v22), per calcolare la capacità al momento dei provini di prova, le forze al collegamento sono state calcolate utilizzando SAP2000 rappresentando le condizioni di prova (ad es. lunghezze degli elementi, condizioni al contorno), dopodiché tali forze calcolate sono state applicate in IDEA StatiCa utilizzando l'opzione "i carichi sono in equilibrio".
• Il carico incrementale può essere applicato automaticamente e sistematicamente da IDEA StatiCa e la capacità al momento può essere fornita senza la necessità di regolare i carichi e rieseguire l'analisi.
• Le verifiche di prequalificazione possono essere eseguite da IDEA StatiCa.
• Uno strumento di generazione della rete più efficace può essere integrato nel software.
• La rappresentazione della curva momento-rotazione può essere migliorata/arricchita fornendo agli utenti strumenti per regolare il carattere, il colore e le dimensioni del grafico.
• Alcuni simboli devono essere corretti/adattati per gli utenti americani (ad es. θ invece di ϕ per la rotazione secondo AISC).

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