STRUTTURE MISTE ACCIAIO-CLS Lezione 2

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1 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A STRUTTURE MISTE ACCIAIO-CLS Lezione 2 I SISTEMI DI CONNESSIONE Tipologie di connettori Calcolo della sollecitazione nei connettori Connettori a totale ripristino di resistenza Connettori a parziale ripristino della resistenza Calcolo della resistenza dei connettori Calcolo o dell armatura atu a trasversale tas esae L INFLUENZA DELLE MODALITA COSTRUTTIVE - Concetti base - trave appoggiata con e senza puntelli 1

2 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS Sistemi di connessione (Introduzione) Lo sviluppo di sistemi composti acciaio-cls è evidentemente dovuto allo sviluppo di efficienti sistemi di connessione tra profili d acciaio a soletta in cls, i quali devono essere in grado annullare lo scorrimento tra le due parti e di trasmettere adeguatamente le forze che i due materiali si scambiano all interfaccia del collegamento. Si parla nel caso specifico di travi composte acciaio-cls di collegamenti a taglio. Dal punto di vista meccanico i connettori sono caratterizzati da: Rigidezza: connettori rigidi annullano lo scorrimento tra cls e acciaio e le forze di scorrimento si trasmettono proporzionalmente p al taglio. Nel caso di connessione poco rigida si è in presenza di una ridistribuzione della sollecitazione per la presenza di scorrimento tra soletta e profilo d acciaio Resistenza: se i connettori hanno una resistenza a taglio tale che la sezione arrivi a rottura per superamento del momento ultimo si parla di connettori a totale ripristino di resistenza. In caso contrario si parla di connettori a parziale ripristino di resistenza Duttilità: la duttilità dei connettori è loro capacità di avere deformazioni plastiche senza per altro raggiungere la rottura. Connessioni duttili permettono una più uniforme distribuzione della sollecitazione tra i connettori. 2

3 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS (Sistemi di connessione) Tipologie di connettori Esistono in commercio una notevole quantità di brevetti per sistemi di connessione per travi composte acciaio-cls: cls: Pioli Nelson: sono i più usati anche perché sono facilmente installabili e non richiedono saldatori specializzati. Hanno inoltre la testa ringrossata per evitare il sollevamento (Uplift) della soletta rispetto al profilo d acciaio acciaio. E una connessione di tipo duttile. 3

4 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS (Sistemi di connessione) Tipologie di connettori Pioli Nelson 4

5 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS (Sistemi di connessione) Tipologie di connettori Connettori ad attrito SI UTILIZZANO IN GENERE IN PRESENZA DI SOLETTE PREFABBRICATE 5

6 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS (Sistemi di connessione) Tipologie di connettori Connettori a pressione Evitano il sollevamento 6

7 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS (Sistemi di connessione) Tipologie di connettori Connettori a blocco: uncini e cappi (si usano in presenza di solette piene) 7

8 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS (Sistemi di connessione) Tipologie di connettori Connettori misti a pressione e a blocco con uncini e cappi (si usano in presenza di solette piene) 8

9 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS (Sistemi di connessione) CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI T1 i T2 Connettori rigidi e poco duttili Nell ipotesi di connettori rigidi e poco duttili la forza su ogni connettore si valuta con la formula di Jourawsky: Fc =τ b i = ( T 1 + T 2) * S 2 i J id Se si utilizzassero connettori uguali, per sfruttare la meglio la loro resistenza sarebbe necessario disporli a passo non costante. L EC4 LEC4 al punto permette la disposizione dei connettori a passo variabile in accordo con l andamento del Taglio calcolato con la teoria elastica. 9

10 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS (Sistemi di connessione) CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI 10

11 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS (Sistemi di connessione) CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI 11

12 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS (Sistemi di connessione) CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI 12

13 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS (Sistemi di connessione a pioli) CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI CONNETTORI POCO RIGIDI E DUTTILI Ma mano che la rigidezza dei connettori diminuisce la distribuzione delle sollecitazioni si allontana dall andamento lineare e tende ad essere uniforme per connettori duttili. Se al limite i connettori fossero infinitamente duttili sarebbe utilizzabile tutta la loro resistenza. In tal caso la loro disposizione sarebbe evidentemente a passo costante. L Eurocodice 4 (punto 6.1.2) così come le NTC (punto ) 3 definiscono o un sistema ste di connessione o e a pioli duttile se: diametro φ compreso tra 16 e 22 mm altezza h> 4φφ n connettori N > 0.4 N f (n di connettori per completo ripristino di resistenza) Connettori a totale e parziale ripristino di resistenza (Eurocodice 4) L EC4 e le NTC prevedono due tipologie di connettori in funzione proprio della distribuzione delle sollecitazioni. Nel caso i connettori permettano il raggiungimento del momento ultimo della sezione, senza che per essi sopraggiunga la rottura, si parla di connessioni a totale ripristino della resistenza. In caso contrario si parla di connessioni a parziale ripristino di resistenza. 13

14 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS (Sistemi di connessione) CALCOLO DEL NUMERO DI PIOLI CONNETTORI A TOTALE RIPRISTINO DI RESISTENZA In tal caso la forza che essi dovranno sopportare è evidentemente data dal minimo tra la resistenza a trazione dell acciaio e a compressione della soletta di cls: F = min( R,R ) dove R = b sf R = c c s c 0 cd s A s f yd Il numero dei connettori per motivi di simmetria della sollecitazione di scorrimento è dato dal rapporto tra F c e la resistenza del singolo connettore. (Diagramma dello scorrimento) Fc/(L/2) + - Fc Numero connettori N c =F c /P c Passo connettori i= costante i=n c /(L/2) L i > 5φ se M pl, sez. comp < 2. 5M pl, profilo 14

15 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS Sistemi di connessione CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI Connettori a parziale ripristino di resistenza: Il calcolo dei connettori può essere effettuato anche nell ipotesi che la connessione non permetta il raggiungimento del momento ultimo della sezione. In tal caso si parla di parziale ripristino di resistenza, e occorre calcolare la reale forza di scorrimento trasmessa ai pioli corrispondente alla reale sollecitazione di taglio calcolato con la teoria plastica. In alternativa l EC4 permette l utilizzo di una relazione lineare tra Momento e forza di scorrimento (metodo dell interpolazione lineare). M Zona di collasso dei connettori M pl,c Zona di collasso per schiacciamento del cls M s,pl Zona di collasso acciaio F c Metodo dell interpolazione lineare 15

16 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS Sistemi di connessione CALCOLO DELLA RESISTENZA DEI CONNETTORI EC4,NCT La resistenza del connettore è stata determinata mediante numerose prove sperimentali, i cui risultati sono stati utilizzati per tarare delle formule interpretative che tengono conto dell interazione tra resistenza del cls e del connettore. L Eurocodice 4 tende ad essere ancora più semplificativo distinguendo la rottura del cls da quella del connettore: P c ( P,P ) = min r,cls r,c dove RESISTENZA MASSIMA DEL CONNETTORE SECONDO EC4 P P r,cls r,c = αφ γ v 2 fu πφ = 0.8 γ 4 v f ck E cm Resistenza a rifollamento del cls Resistenza a taglio del connettore 16

17 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS CALCOLO DELL ARMATURA TRASVERSALE DELLA SOLETTA (EC4,NCT) Alla verifica dei collegamenti va associata anche una verifica allo scorrimento delle sezioni che non tagliano i connettori e che potrebbero andare in crisi per scorrimento. Nel caso di pioli data la resistenza a scorrimento unitaria del cls si deve verificare che quest ultima applicata alle due superifici a-a indicate in figura dia luogo ad una forza maggiore dello scorrimento trasmesso dalla connessione. Per la determinazione dell armatura trasversale necessaria è sufficiente far riferimento al modello a traliccio indicato il figura. Detta P c la resistenza del connettore la forza di trazione che agirà sull armatura trasversale sarà semplicemente F s =P c /2 con la quale si potrà dimensionare l armatura A s =F s /f yd 17

18 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS Sistemi di connessione CALCOLO DELL ARMATURA TRASVERSALE DELLA SOLETTA (EC4,NCT) Le NTC e l EC4 prescrivono un armatura trasversale minima pari allo 0.2% dell area del calcestruzzo longitudinale. l Considerando d un area pari allo spessore s della soletta per un metro di lunghezza longitudinale della soletta l area minima di armatura trasversale si può esprimere come: A s,w,min = s 1

19 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A 2008-

20 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS Influenza delle modalità costruttive La realizzazione di travi composte acciaio-cls avviene generalmente per fasi successive secondo modalità differenti ognuna delle quali può influenzare lo stato tensionale finale della trave. In particolare sono due le fasi principali i da considerare: a) SOLETTA NON COLLABORANTE In questa fase la soletta non collabora alla resistenza in quanto il cls non ha raggiunto ancora la maturazione opportuna In questa fase la trave in acciaio può essere o meno puntellata b) SOLETTA COLLABORANTE Dopo la presa e l indurimento del cls la soletta è parte integrante della sezione e contribuisce per sole tensioni di compressione alla resistenza della sezione 20

21 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLSCLS Influenza delle modalità costruttive Il grafico seguente illustra le varie possibili fasi con particolare attenzione ai casi di travi puntellate e non puntellate. Travi puntellate Nel caso di travi di acciaio puntellate i puntelli limitano o eliminano del tutto le tensioni nella trave di acciaio prima che la soletta indurisca. Esiste di fatto una sola fase nella quale la trave è da considerare composta. La rigidezza in fase di esercizio (a lungo termine) è dunque elevata. Travi non puntellate Nel caso di travi non puntellate inizialmente il sistema è più deformabile (trave d acciaio soggetta al peso della soletta) per diventare successivamente più rigido dopo la maturazione del cls. Se i materiali sono duttili si perviene però allo stesso carico ultimo. Dunque le modalità costruttive assumono particolare rilevanza solo in fase di esercizio. 21

22 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS Influenza delle modalità costruttive Guadagno di rigidezza grazie al puntellamento 22

23 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS Influenza delle modalità costruttive: TRAVE NON PUNTELLATA Momento dovuto al peso proprio della trave e al peso della soletta Momento dovuto ai sovraccarichi permanenti e variabili 23

24 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS Influenza delle modalità costruttive: TRAVE NON PUNTELLATA Verifiche Fase di costruzione (trave d acciaio) Verifica in esercizio con controllo degli spostamenti Verifiche in esercizio (instabilità flesso-torsionale, imbozzamento anima) Verifica allo SLU Soletta collaborante (trave composta) Verifica in esercizio con controllo degli spostamenti e della fessurazione Verifiche in esercizio (instabilità flesso-torsionale, imbozzamento anima) Verifica allo SLU Calcolo e verifica dei connettori Se flessibili e duttili : calcolo plastico Se rigidi e poco duttili : calcolo elastico 24

25 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS Influenza delle modalità costruttive: TRAVE PUNTELLATA Trave puntellata (profilo d acciaio) + + Fase di disarmo (soletta collaborante) = = Trave senza puntelli (soletta collaborante) Momento dovuto al peso trave e soletta Momento dovuto ai Sovr. Per. e Variabili 25

26 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS Influenza delle modalità costruttive: TRAVE PUNTELLATA Verifiche Fase di costruzione (trave d acciaio) Verifica in esercizio i con controllo degli spostamenti ti Verifiche in esercizio (instabilità flesso-torsionale, imbozzamento anima) Verifica allo SLU Soletta collaborante (trave composta) Verifica di esercizio, spostamenti + fessurazione (azioni disarmo +s. per+var) Verifiche in esercizio (instabilità flesso-torsionale, imbozzamento anima) Verifica allo SLU Calcolo e verifica dei connettori Se flessibili e duttili : calcolo plastico 26 Se rigidi e poco duttili : calcolo elastico

27 Corso di Complementi di Tecnica delle Costruzioni A/A TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS Influenza delle modalità costruttive: TRAVE PUNTELLATA ESEMPIO: verificare la trave composta acc-cls allo SLE e allo SLU in assenza di puntellamento e in presenza di un solo puntello b 0 L=15 m IPE 450 s=10 cm Dati Geometrici Spessore soletta: 10 cm Profilo d acciaio IPE450 Luce trave L=15 m MATERIALI Cls: C25/30 Acciaio carpenteria: Fe510 Connettori: pioli nelson (fy=350 Mpa, fu=450 Mpa Sovr. Variabili 5 kn/m 2 27