Collegamento a momento in testa di telaio portale saldato

Descrizione

In questo capitolo, il metodo degli elementi finiti basato sui componenti (CBFEM) per un collegamento a momento in testa di telaio portale saldato viene verificato con il metodo delle componenti (CM). Una trave a sezione aperta è saldata a un pilastro a sezione aperta. Il pilastro è irrigidito con due irrigidimenti orizzontali in corrispondenza delle ali della trave. Le piastre compresse, ad esempio gli irrigidimenti orizzontali del pilastro, il pannello d'anima del pilastro a taglio e l'ala compressa della trave, sono limitate alla classe 3^rd per evitare l'instabilità. Il corrente di falda è caricato da forza di taglio e momento flettente.

Modello analitico

Nello studio vengono esaminate cinque componenti: il pannello d'anima a taglio, l'anima del pilastro in compressione trasversale, l'anima del pilastro in trazione trasversale, l'ala del pilastro in flessione e l'ala della trave in compressione. Tutte le componenti sono progettate secondo EN 1993-1-8:2005. Le saldature a cordone d'angolo sono progettate in modo da non essere la componente più debole del giunto. Lo studio di verifica di una saldatura a cordone d'angolo in un giunto trave-pilastro irrigidito è nel capitolo 4.4.

Pannello d'anima a taglio

Lo spessore dell'anima del pilastro è limitato dall'esbeltezza per evitare problemi di stabilità; vedere EN 1993‑1‑8:2005, Cl 6.2.6.1(1). Un pannello d'anima del pilastro di classe 4 a taglio è studiato nel capitolo 6.2. Vengono considerate due contribuzioni alla capacità portante: la resistenza del pannello del pilastro a taglio e il contributo del meccanismo a telaio delle ali 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 in compressione trasversale

Viene considerato l'effetto dell'interazione con il carico di taglio; vedere EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.2, Tab. 6.3. Viene considerata l'influenza della tensione longitudinale nel pannello del pilastro; vedere EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.2(2). Gli irrigidimenti orizzontali sono inclusi nella capacità portante di questa componente.

Anima del pilastro in trazione trasversale

Viene considerato l'effetto dell'interazione con il carico di taglio; vedere EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.2, Tab. 6.3. Gli irrigidimenti orizzontali sono inclusi nella capacità portante di questa componente.

Ala del pilastro in flessione

Gli irrigidimenti orizzontali controventano l'ala del pilastro; questa componente non viene considerata.

Ala della trave in compressione

La trave orizzontale è progettata come sezione trasversale di classe 3 o superiore per evitare l'instabilità.

Una panoramica degli esempi considerati e del materiale è riportata nella Tab. 9.1.1. La geometria del giunto con le dimensioni è mostrata nella Fig. 9.1.1. I parametri considerati nello studio sono la sezione trasversale della trave, la sezione trasversale del pilastro e lo spessore del pannello d'anima del pilastro.

Tab. 9.1.1 Panoramica degli esempi

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.1 Geometria e dimensioni del giunto}}}\]

Modello numerico

Lo stato del materiale elastico-plastico non lineare viene analizzato in ogni strato di un punto di integrazione. La valutazione si basa sulla deformazione massima pari al 5% secondo EN 1993-1-5:2006. 

Comportamento globale

Viene presentato il confronto del comportamento globale di un collegamento a momento di telaio portale, descritto dal diagramma momento-rotazione. Le caratteristiche principali del diagramma momento-rotazione sono la rigidezza iniziale, la resistenza elastica e la resistenza di progetto. Nell'esempio, una trave a sezione aperta IPE 330 è saldata a un pilastro HEB 260. Un collegamento a momento di telaio portale con irrigidimenti orizzontali nel pilastro è considerato secondo il metodo delle componenti come giunto rigido con S_j,ini = ∞. Pertanto viene analizzato un giunto senza irrigidimenti orizzontali nel pilastro. Il diagramma momento-rotazione è mostrato nella Fig. 9.1.2 e i risultati sono riassunti nella Tab. 9.1.2. I risultati mostrano un ottimo accordo nella rigidezza iniziale e nel comportamento globale del giunto.

Tab. 9.1.2 Rigidezza rotazionale di un collegamento a momento di telaio portale in CBFEM e CM

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.2 Diagramma momento-rotazione per un giunto senza irrigidimenti del pilastro}}}\]

Verifica della resistenza

I risultati calcolati con CBFEM vengono confrontati con il CM. Il confronto è incentrato sulla resistenza di progetto e sulla componente critica. Lo studio è condotto per tre diversi parametri: sezione trasversale della trave, sezione trasversale del pilastro e spessore del pannello d'anima del pilastro.

Nell'esempio in cui il parametro è la sezione trasversale della trave viene utilizzato un pilastro a sezione aperta HEB 260. Il pilastro è irrigidito con due irrigidimenti orizzontali di spessore 10 mm in corrispondenza delle ali della trave. La larghezza degli irrigidimenti corrisponde alla larghezza dell'ala della trave. Le sezioni IPE della trave sono selezionate da IPE 140 a IPE 500. I risultati sono mostrati nella Tab. 9.1.3. L'influenza della sezione trasversale della trave sulla resistenza di progetto di un collegamento a momento di telaio portale saldato è mostrata nella Fig. 9.1.4. Le componenti critiche in CBFEM erano le ali della trave, l'ala del pilastro e l'anima del pilastro. La Fig. 9.1.3 mostra il modello di uno degli esempi con la descrizione delle ali. 

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.3 Modello con descrizione delle ali}}}\]

Tab. 9.1.3 Resistenze di progetto e componenti critiche in CBFEM e CM

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.4 Studio di sensibilità della dimensione della trave in un collegamento a momento di telaio portale}}}\]

Nell'esempio in cui il parametro è la sezione trasversale del pilastro viene utilizzata una trave a sezione aperta IPE330. Il pilastro è irrigidito con due irrigidimenti orizzontali di spessore 10 mm in corrispondenza delle ali della trave. La larghezza degli irrigidimenti corrisponde alla larghezza dell'ala della trave. La larghezza combinata degli irrigidimenti è 160 mm. Le sezioni del pilastro sono selezionate da HEB 160 a HEB 500. I risultati sono mostrati nella Tab. 9.1.4. L'influenza della sezione trasversale del pilastro sulla resistenza di progetto di un collegamento a momento di telaio portale saldato è mostrata nella Fig. 9.1.5.

Tab. 9.1.4 Resistenze di progetto e componenti critiche di un collegamento a momento in CBFEM e CM

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.5 Studio di sensibilità della dimensione del pilastro in un collegamento a momento di telaio portale}}}\]

Il terzo esempio presenta un collegamento a momento di telaio portale composto da una trave a sezione aperta IPE 330 e un pilastro HEA 320. Il parametro è lo spessore dell'anima del pilastro. Il pilastro è irrigidito con due irrigidimenti orizzontali di spessore 10 mm e larghezza 160 mm. Lo spessore dell'anima del pilastro è scelto da 4 a 16 mm. I risultati sono riassunti nella Tab. 9.1.5. L'influenza dello spessore dell'anima del pilastro sulla resistenza di progetto di un collegamento a momento di telaio portale saldato è mostrata nella Fig. 9.1.6.

Tab. 9.1.5 Resistenze di progetto e componenti critiche di un collegamento a momento in CBFEM e CM

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.6 Studio di sensibilità dello spessore dell'anima del pilastro}}}\]

Per illustrare l'accuratezza del modello CBFEM, i risultati degli studi parametrici sono riassunti in un diagramma che confronta le resistenze del CBFEM e del metodo delle componenti; vedere Fig. 9.1.7. I risultati mostrano che la differenza tra i due metodi di calcolo è inferiore al 5%, valore generalmente accettabile. Lo studio con il parametro spessore dell'anima del pilastro fornisce una resistenza maggiore per il modello CBFEM rispetto al metodo delle componenti. Questa differenza è dovuta alla considerazione delle sezioni trasversali saldate. Il trasferimento del carico di taglio nel metodo delle componenti è considerato solo nell'anima e il contributo delle ali è trascurato.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.7 Verifica di CBFEM rispetto a CM}}}\]

Esempio di riferimento

Dati di input

Pilastro

• Acciaio S235
• HEB260

Trave

• Acciaio S235
• IPE330

Irrigidimenti del pilastro

• Spessore t_s = 19 mm
• Larghezza 80 mm
• In corrispondenza delle ali della trave

Saldatura

• Ala della trave: spessore di gola del cordone d'angolo a_f  = 8 mm
• Anima della trave: spessore di gola del cordone d'angolo a_w  = 8 mm
• Saldatura di testa attorno agli irrigidimenti

Risultati

• Resistenza di progetto a flessione M_Rd = 146 kNm
• Componente critica: Ala della trave 1

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.8 Esempio di riferimento}}}\]