3 Colonne e strutture composte

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1 CdL Speialistia in Ingegneria Civile - Corso di Strutture Speiali 1/12 3 Colonne e strutture omposte 3.1 Introduzione Le olonne omposte aiaio-alestruzzo sono ottenute onsiderando la possibile ollaborazione tra un profilo metallio ed una parte di alestruzzo he rivesta ompletamente o parzialmente lo rivesta ompletamente o he ne sia tenuto. La Figura 3.1 mostra diverse tipologie di sezioni per olonne omposte aiaio-alestruzzo. Figura 3.1: diverse tipologie di sezione per travi omposte In partiolare si distinguono le sezioni lassifiabili ome segue: - sezioni ompletamente rivestite di alestruzzo (Figura 3.1a); - sezioni parzialmente rivestite di alestruzzo (Figura 3.1b, ); - sezioni satolari rettangolari riempite di alestruzzo (Figura 3.1d, e); - sezioni irolari ave riempite di alestruzzo (Figura 3.1f).

2 CdL Speialistia in Ingegneria Civile - Corso di Strutture Speiali 2/12 In generale, si possono progettare e realizzare sezioni di vario tipo, in ui gli elementi in aiaio e in alestruzzo sono assemblati in modo da realizzare qualunque tipo di forma. Il progetto e le verifihe di tali elementi strutturali va eseguito utilizzando proedure numerihe affidabili he tengano in onto le nonlinearità dei materiali e dei sistemi di onnessione, i fenomeni di ritiro e visosità, le non linearità legate alle imperfezioni. Le olonne o le membrature omposte di qualsiasi sezione trasversale devono essere verifiate rispetto ai seguenti aspetti: resistenza ad azione normale, flessione e taglio; resistenza all instabilità loale seondo le limitazioni in termini di snellezza loale delle parti metallihe; aspetti relativi all appliazione dei arihi; resistenza di sorrimento all interfaia tra aiaio e alestruzzo ed eventuale progettazione di appositi dispositivi per assiurarne la onnessione. Nei paragrafi he seguono verranno esposti i punti fondamentali della progettazione di olonne omposte aiaio-alestruzzo, adottando il Metodo Semi-Probabilistio agli Stati Limite seondo quanto speifiato dai seguenti doumenti normativi nazionali: D.M. M.II.TT. 14/01/2008: Approvazione del nuovo testo sulle nuove Norme Tenihe, Supplemento Ordinario n.30 alla Gazzetta Uffiiale n.29 del 4 febbraio 2008 (NTC D.M. 14/01/2008, nel seguito); Cirolare 2 febbraio 2009 ontenente le Istruzioni per l appliazione delle Nuove norme tenihe per le ostruzioni di ui al DM 14 gennaio 2008, Gazzetta Uffiiale n. 47 del 26 febbraio 2009 Suppl. Ordinario n. 27; C.N.R /2000: "Travi omposte in aiaio e alestruzzo: istruzioni per l'impiego nelle ostruzioni". Per gli aspetti eventualmente non operti dalla normativa nazionale si farà riferimento alle presrizioni degli Euroodii, ed in partiolare ai due seguenti doumenti: UNI EN : Design of omposite steel and onrete strutures - Part 1.1: General rules and rules for buildings UNI ENV : General rules Supplementary rules for old formed thin gauge members and sheeting. 3.2 Simboli I simboli utilizzati nel presente paragrafo sono elenati nel seguito: - b larghezza della parte in alestruzzo; - h altezza della parte in alestruzzo; - f k il valore aratteristio della resistenza ilindria di ompressione del alestruzzo; - f sk il valore aratteristio della tensione di snervamento dell aiaio delle barre; - f ak il valore aratteristio della tensione di snervamento dell aiaio da arpenteria metallia;

3 CdL Speialistia in Ingegneria Civile - Corso di Strutture Speiali 3/12 Quanto alle grandezze relative alle altre aratteristihe meanihe dei materiali si adotta la medesima simbologia prevista dalla Norma Tenia per le Costruzioni. 3.3 Materiali e lassifiazione delle sezioni I materiali he possono essere impiegati per la realizzazione della soletta e della trave metallia sono i medesimi generalmente utilizzati per la realizzazione di membrature in emento armato o metallihe. Si rimanda, dunque, a testi e normative relativi a tali sistemi strutturali per la desrizione di tali materiali e delle loro proprietà meanihe. Anhe per le ostruzioni omposte aiaio-alestruzzo, la gamma degli aiai da arpenteria normalmente impiegabili è stata estesa dall aiaio S235 fino all aiaio S460. Per poter appliare le proedure di alolo he verranno esposte nel seguito, il alestruzzo ordinario deve avere lasse non inferiore a C20/25 né superiore a C50/60. Problematihe speifihe, riguardanti la ompatibilità delle deformazioni, riduono l effiaia di alestruzzi a maggiore resistenza per i quali vanno ondotti studi più approfonditi. L effetto di instabilità loale si può trasurare in olonne ompletamente rivestite (Figura 3.1a) ed in olonne on altri tipi di sezione se sono rispettati i limiti geometrii riportati nella seguente Figura 3.2 Figura 3.2: limiti geometrii inerenti la sensibilità a fenomeni di instabilità loale (EN , Tabella 6.3) 3.4 Definizione di grandezze meanihe signifiative Nell analisi e nella verifia di olonne ompresse gioano un ruolo di notevole rilievo due parametri meanii alla ui definizione sono dediati i due seguenti sotto-paragrafi.

4 CdL Speialistia in Ingegneria Civile - Corso di Strutture Speiali 4/ Contributo meanio dell aiaio Il osiddetto ontributo dell aiaio d rappresenta la porzione della resistenza assiale di progetto N pl,rd attribuibile al profilo metallio in ondizioni di ompleta interazione tra alestruzzo ed aiaio. Di onseguenza tale parametro è definito dal seguente rapporto: Aafad δ =, (3.1) N pl,rd nella quale: N = A f + A f + A f, (3.2) pl,rd a ad s sd d definendo l area di alestruzzo A al netto delle aree (quantitativamente rilevanti) dell aiaio di barre e profilo: A = b h A A. (3.3) a Per le olonne omposte si assume he generalmente il valore del ontributo meanio del profilo metallio sia ompreso entro i seguenti limiti: 0,2 δ 0,9. (3.4) Snellezza non dimensionale N r,e 2 π EI =, (3.5) L 2 0 EI = E I + E I + K E I, (3.6) eff a a s s e m dove - K e è un fattore di orrezione essenzialmente legato alla possibile riduzione della rigidezza del alestruzzo per effetto della fessurazione (si assume generalmente K e =0,6); - I a, I s e I sono i momenti d inerzia delle sezioni in aiaio da arpenteria, per barre e del alestruzzo. L effetto dei arihi di lunga durata sulle possibili deformazioni differite della parte in alestruzzo si può onsiderare tenendo onto di un valore effiae del modulo di elastiità del alestruzzo definito ome segue: E,eff 1 = Em, NG,Ed 1+ ϕt N Ed (3.7)

5 CdL Speialistia in Ingegneria Civile - Corso di Strutture Speiali 5/12 dove NG,Ed rappresenta il valore di alolo della parte sforzo normale dovuto alle azioni permanenti e φ t è il oeffiiente di visosità definito in funzione del tempo t di verifia e t 0 di appliazione dei arihi, oltre he degli altri parametri he hanno effetto sullo sviluppo delle deformazioni visose nel alestruzzo (perimetro esposto, umidità relativa, e.). λ N pl,rk λ = =, (3.8) λ N p r,e 3.5 Analisi strutturale eff,ii o [ E I + E I K E I ] EI = K +, (3.9) a a s s e,ii m dove - K e,ii è un fattore di orrezione essenzialmente legato alla possibile riduzione della rigidezza del alestruzzo per effetto della fessurazione (si assume generalmente K e,ii =0,5); - K o è un fattore di alibrazione della relazione (3.6) e può essere generalmente onsiderato pari a 0,9. Gli effetti del seondo ordine possono essere trasurati nell analisi quando l analisi il valore del moltipliatore ritio α r, valutato on riferimento alla rigidezza flessionale delle olonne definita dall equazione (3.6) risulta maggiore di 10. L influenza delle imperfezioni geometrihe e meanihe possono essere onsiderate tenendo onto di una imperfezione geometria equivalente. Indiazioni sull entità di tali imperfezioni equivalenti possono essere desunte dallo shema riportato nella Figura 3.7 in funzione della lunghezza L della olonna e della forma della sezione omposta. Per le verifihe della singola olonna l effetto delle imperfezioni può onsiderarsi amplifiando le azioni flettenti derivanti da una analisi del primo ordine tramite il seguente fattore di amplifiazione (magnifiation fator) β k = 1,0, N Ed 1 N r,eff (3.10) dove - N r,eff è lo sforzo normale ritio euleriano valutato onsiderando la rigidezza flessionale definita dalla (3.6) ed una lue libera di inflessione pari alla lunghezza della olonna L;

6 CdL Speialistia in Ingegneria Civile - Corso di Strutture Speiali 6/12 - β è un fattore di equivalenza del diagramma del momento rispetto alla ondizione di momento uniforme (lo shema nella Figura 3.3). Figura 3.3: Valori del fattore β per la verifia di stabilità 3.6 Resistenza delle sezioni: lo SLU per tensioni normali Metodo generale b eff = b0 + be1 + be2, (3.11) Metodo semplifiato Un metodo semplifiato per la valutazione della resistenza a flesisone delle sezioni omposta può esse

7 CdL Speialistia in Ingegneria Civile - Corso di Strutture Speiali 7/12 Figura 3.4: Metodo semplifiato per il traiamento di domini N-M Cenni al aso delle olonne tubolari riempite di alestruzzo Figura 3.5: Sezione di profilo tubolare riempito di alestruzzo

8 CdL Speialistia in Ingegneria Civile - Corso di Strutture Speiali 8/ Resistenza delle sezioni: lo SLU per taglio 3.8 Tensioni di interfaia e onnessione a taglio Figura 3.6: Possibile disposizione dei onnettori a taglio 3.9 La stabilità delle membrature

9 CdL Speialistia in Ingegneria Civile - Corso di Strutture Speiali 9/12 Figura 3.7: Valori del fattore β per la verifia di stabilità 3.10 Cenni sulle unioni trave-olonna Classifiazione in termini di rigidezza Classifiazione in termini di resistenza

10 CdL Speialistia in Ingegneria Civile - Corso di Strutture Speiali 10/ Stati Limite di Eserizio Aspetti relativi ai metodi di verifia ed analisi 3.12 Rassegna di presrizioni normative Nel presente paragrafo vengono passate in rassegna le prinipali presrizioni relative ai dettagli ostruttivi per olonne omposte. Tali presrizioni sono tratte dalla NTC D.M. 14/01/2008 e risultano sostanzialmente oerenti on la orrispondente normativa nazionale (Euroodie 4, EN ) Materiali Per le aratteristihe degli aiai (strutturali, da lamiera greata e da armatura) utilizzati nelle strutture omposte di aiaio e alestruzzo si deve fare riferimento alle aratteristihe meanihe ed alle proedure di qualifiazione presritte nel paragrafo 11 della NTC D.M. 14/01/ Indiazioni relative al opriferro Al fine di realizzare ondizioni di omogeneità ed isotropia dell elemento strutturale omposto, ipotesi di base per l appliazione degli usuali proedimenti di analisi e verifia, si devono rispettare le seguenti limitazioni relative alle dimensioni dei opri ferri del profilo metallio e delle barre di armatura: - il opriferro dell ala deve essere non minore di 40 mm, né minore di 1/6 della larghezza dell ala; - il opriferro delle armature deve essere in aordo on le disposizioni relative alle strutture in emento armato ordinario Minimi di armatura Le armature devono essere realizzate rispettando le seguenti indiazioni: - l armatura longitudinale, nel aso he venga onsiderata nel alolo, non deve essere inferiore allo 0,3% della sezione in alestruzzo; - l armatura trasversale deve essere progettata seguendo le regole delle strutture in emento armato ordinario; - la distanza tra le barre ed il profilo può essere inferiore a quella tra le barre oppure nulla; in questi asi il perimetro effiae per l aderenza aiaio-alestruzzo deve essere ridotto alla metà o a un quarto, rispettivamente;

11 CdL Speialistia in Ingegneria Civile - Corso di Strutture Speiali 11/12 - le reti elettrosaldate possono essere utilizzate ome staffe nelle olonne rivestite ma non possono sostituire l armatura longitudinale. Nelle sezioni riempite di alestruzzo (ome quelle rappresentate nella Figura 3.1d, e, f) non si pongono partiolari limiti inferiori sul rapporto minimo di armatura metallia Altre presrizioni 3.13 Esempio di alolo 3.14 Bibliografia R. P. Johnson: Composite Strutures of Steel and Conrete - Volume 1: Beams, Slabs, Columns, and Frames for Buildings, Blakwell Sientifi Publiations, Seond Edition (Oxford, UK); D. J. Oehlers, M. A. Bradford (1995): Composite steel and onrete strutural members : fundamental behaviour, Kidlington, Oxford, U.K. ; Tarrytown, N.Y. : Pergamon, Glossario Nel seguito si elenano una serie di termini ed espressioni della letteratura anglosassone relative alla teoria ed alla progettazione delle solette omposte aiaio-alestruzzo: Conneting devie dispositivo di onnessione; Headed stud pioli on testa; Profiled steel sheeting lamiera greata;

12 CdL Speialistia in Ingegneria Civile - Corso di Strutture Speiali Appunti sulle Colonne Composte Aiaio-Calestruzzo 3 Colonne e strutture omposte Introduzione Simboli Materiali e lassifiazione delle sezioni Definizione di grandezze meanihe signifiative Contributo meanio dell aiaio Snellezza non dimensionale Analisi strutturale Resistenza delle sezioni: lo SLU per tensioni normali Metodo generale Metodo semplifiato Cenni al aso delle olonne tubolari riempite di alestruzzo Resistenza delle sezioni: lo SLU per taglio Tensioni di interfaia e onnessione a taglio La stabilità delle membrature Cenni sulle unioni trave-olonna Classifiazione in termini di rigidezza Classifiazione in termini di resistenza Stati Limite di Eserizio Aspetti relativi ai metodi di verifia ed analisi Rassegna di presrizioni normative Materiali Indiazioni relative al opriferro Minimi di armatura Altre presrizioni Esempio di alolo Bibliografia Glossario... 11