Materiali, analisi strutturale e stati limite delle costruzioni in acciaio

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1 La Progettazione delle Strutture tt di Acciaio i e composte in Acciaio-Calcestruzzo secondo il D.M Siena, Maggio 2010 Materiali, analisi strutturale e stati limite delle costruzioni in acciaio Ostilio Spadaccini Dipartimento t di Ingegneria Civile il e Ambientale Università degli Studi di Firenze it

2 Norme tecniche per le costruzioni DM 2008 Costruzioni di acciaio Materiali Acciaio per strutture metalliche Prescrizioni specifiche per acciai da carpenteria in zona sismica

3 DM 2008 Costruzioni di Acciaio Materiali Acciaio laminato Nei componenti strutturali e nei collegamenti delle costruzioni in acciaio i tre gradi di acciaio Fe360, Fe430 e Fe510 assumono la nuova dicitura S235, S275, S355. A questi tipi di acciaio si aggiunge un tipo di acciaio ad alta resistenza, l S460 che amplia le possibilità di utilizzo del materiale.

4 DM 2008 Costruzioni di acciaio Materiali Acciaio per strutture metalliche Gli acciai devono essere conformi alle norme armonizzate della serie: - UNI EN per i laminati a caldo per impieghi strutturali, - UNI EN per i tubi senza saldatura, - UNI EN per i tubi saldati. Il nome dell acciaio non fa più riferimento alla tensione di rottura a trazione nominale ma alla tensione nominale di snervamento. Per i valori caratteristici della tensione di rottura ftk e della tensione di snervamento fyk assumono a favore della sicurezza i valori nominali: f fy = ReH e f ft = Rm riportati ti nelle norme di prodotto. UNI EN 10025, Prodotti laminati a caldo di acciai per impieghi strutturali - Parte 1: Condizioni tecniche generali di fornitura - Parte 2: Condizioni tecniche di fornitura di acciai non legati per impieghi strutturali, - Parte 3: Condizioni tecniche di fornitura di acciai per impieghi strutturali saldabili a grano fine allo stato normalizzato/normalizzato laminato, - Parte 4: Condizioni tecniche di fornitura di acciai per impieghi strutturali saldabili a grano fine ottenuti mediante laminazione termomeccanica. si

5 DM 2008 Costruzioni di acciaio Materiali UNI EN Composizione chimica all analisi di colata per prodotti lunghi e piani dei tipi e delle qualità di acciai con valori di resilienza

6 DM 2008 Costruzioni di acciaio Materiali UNI EN Composizione chimica all analisi di colata e caratteristiche meccaniche per prodotti lunghi e piani dei tipi e delle qualità di acciai con valori di resilienza

7 DM 2008 Costruzioni di acciaio Materiali UNI EN Caratteristiche ti meccaniche Resilienza KV longitudinale l per prodotti piani i e lunghi Fragilità alle basse temperature Per quanto riguarda le caratteristiche di tenacità, nel caso di strutture non protette, si assumono come temperatura di riferimento T ED quella minima del luogo di installazione della struttura, con un periodo di ritorno di cinquant anni T md.

8 DM 2008 Costruzioni di acciaio Materiali Fragilità alle basse temperature Nel caso di strutture protette verrà adottata la temperatura T md aumentata di 15 C, in assenza di dati statistici locali si potrà assumere come temperatura minima di servizio il valore T ED =-25 C per strutture non protette e T ED =-10 C per strutture protette. Per la determinazione i dei massimi i spessori di utilizzo degli acciai i in funzione - della temperatura minima di servizio, - dei livelli di sollecitazione σ ED col metodo agli stati limiti, - del tipo e del grado dell acciaio, può essere utilizzata la Tab. 2.1 di UNI EN Resilienza del materiale e proprietà p attraverso lo spessore

9 DM 2008 Costruzioni di acciaio Materiali UNI EN 15132:1974 Materiali di apporto per le saldature UNI EN ISO 898-1:2001 Caratteristiche meccaniche degli elementi di collegamento di acciaio - Viti e viti prigioniere I prodotti conformi ai requisiti della presente parte della ISO 898 sono valutati esclusivamente a temperatura ambiente e possono non mantenere le caratteristiche meccaniche e fisiche specificate a temperature superiori ed inferiori. Secondo la Circolare gli elementi di collegamento impiegati nelle unioni a taglio devono soddisfare i requisiti della norma armonizzata UNI EN : 2007 Bullonatura non a serraggio controllato.

10 DM 2008 Costruzioni di acciaio Materiali Prescrizioni specifiche per acciai da carpenteria in zona sismica Per i valori caratteristici della tensione di rottura ftk e della tensione di snervamento fykk della sicurezza i valori nominali: fy =ReH e ft =Rm riportati nelle norme di prodotto si assumono a favore Già l ordinanza 3274 aveva introdotto delle richieste aggiuntive relative alle caratteristiche dei materiali. L ordinanza 3274 prescriveva che: qualora l acciaio impiegato sia di qualità diversa da quella prevista in progetto si dovrà procedere ad una ricalcolazione della struttura per dimostrarne l adeguatezza. Per le zone dissipative si applicano le seguenti regole addizionali: - per gli acciai da carpenteria il rapporto fra i valori caratteristici della tensione di rottura ftk (nominale) e la tensione di snervamento f fyk (nominale) deve essere maggiore di 1,20 e l allungamento a rottura A5, misurato su provino standard, deve essere non inferiore al 20%; - la tensione di snervamento massima deve risultare fy,max 1,2 fyk; - i collegamenti bullonati devono essere realizzati con bulloni ad alta resistenza di classe 8.8 o

11 Norme tecniche per le costruzioni DM 2008 Costruzioni i di acciaio i Analisi strutturale Effetti delle deformazioni Analisi globale con la teoria del primo ordine Stabilità di strutture intelaiate

12 DM 2008 Costruzioni di acciaio Effetti delle deformazioni Analisi globale con la teoria del primo ordine Può ritenersi trascurabile gli effetti delle deformazioni sull entità delle sollecitazioni, sui fenomeni di instabilità e su altre variazioni del comportamento strutturale, se: α cr = F cr / F ed 10 per l analisi elastica α cr = F cr /F ed 15 per l analisi plastica Il calcolo del moltiplicatore dei carichi α cr, nel caso di telai multipiano regolari e portali con falde poco inclinate può essere stimato t mediante la formula approssimata: α cr = h H Ed / δv Ed Purchè la compressione assiale nelle travi o nei puntoni non sia significativa.

13 DM 2008 Costruzioni di acciaio Effetti delle Deformazioni Stabilità di strutture tt intelaiate i t Quando α cr è minore dei limiti ricordati al C , l analisi strutturale deve tener conto delle Deformazioni. i Gli effetti del secondo ordine e le imperfezioni i i possono essere considerati nel calcolo con modalità diverse a seconda del tipo di struttura considerata e del tipo di analisi che può essere adottata. Il metodo più generale prevede di eseguire un analisi globale non lineare completa, in cui si verificano contemporaneamente sia la stabilità globale della struttura, tt ra sia la stabilità locale dei singoli elementi. Se il moltiplicatore dei carichi α cr 3, nel caso che il modo instabile orizzontale sia predominante, la circolare consente di condurre una analisi del secondo ordine semplificata: il calcolo degli effetti del secondo ordine può essere condotto anche partendo dai risultati ti dell analisi li i elastica del primo ordine applicando delle amplificazioni i i dei momenti dovuti agli spostamenti laterali, mediante un coefficiente β: β = α cr / α cr -1 Il coefficiente amplificativo dei momenti, β, per come è definito può assumere valori compresi fra 1,11 e 1,50. Analisi e confronti sono svolti da J. Morganti.

14 Norme tecniche per le costruzioni DM 2008 Costruzioni i di acciaio i Analisi strutturale Effetti delle Imperfezioni Principi Imperfezioni per l analisi globale dei telai Imperfezioni per l analisi dei sistemi di controvento Forze equivalenti

15 DM 2008 Costruzioni di acciaio Effetti delle imperfezioni Principi Si deve tener conto nell analisi strutturale degli effetti delle imperfezioni includendo tensioni residue e le imperfezioni geometriche quali: - mancanza di verticalità, di rettilineità e di planarità, - mancanza di accoppiamento e le eccentricità secondarie presenti nei collegamenti reali delle strutture non caricate. Secondo le EC3, e la circolare NTC 2009 si raccomanda che siano considerate: - imperfezioni locali per le singole membrature, - imperfezioni per l analisi globale di telai, - imperfezioni per l analisi dei sistemi di controvento. Si possono adottare nell analisi adeguate imperfezioni geometriche equivalenti.

16 DM 2008 Costruzioni di acciaio Effetti delle imperfezioni Imperfezioni per l analisi globale dei telai L errore iniziale di verticalità in un telaio può essere trascurato quando: H Ed 0.15 V ed dove HEd è il valore di progetto della reazione orizzontale alla base delle colonne del piano (taglio di piano) dovuto ai carichi orizzontali applicati e ai carichi fittizi e VEd è il carico verticale complessivamente agente nella parte inferiore del piano considerato (sforzi assiali nelle colonne). a) Le imperfezioni laterali globali iniziali possono essere stimate con la relazione: φ = φ 0 α h α φ φ 0 α h α m

17 DM 2008 Costruzioni di acciaio Effetti delle imperfezioni Imperfezioni e per l analisi a globale dei telai b) Le imperfezioni locali in termini di curvatura iniziale sono da considerare nelle analisi globali dei telai sensibili agli effetti del secondo ordine se: - le aste compresse hanno un vincolo rotazionale ad almeno un estremo, - la snellezza adimensionale

18 DM 2008 Costruzioni di acciaio Effetti delle imperfezioni Imperfezioni per l analisi lanalisidei sistemi di controvento Le imperfezioni locali in termini di curvatura iniziale sono da considerare nelle analisi dei sistemi di controvento, ai quali è richiesto di assicurare la stabilità laterale di travi o di membrature compresse. La imperfezione locale in termini di curvatura iniziale di valore: e 0 = α m L /500 m numero di membrature da vincolare

19 DM 2008 Costruzioni di acciaio Effetti delle imperfezioni Forze equivalenti a) Forze concentrate applicate a ciascun orizzontamento e in copertura Fh = φ N Ed b) Forze distribuite ib it q /L h = 8 e 0,d N Ed 2

20 DM 2008 Costruzioni di acciaio Effetti delle imperfezioni Forze equivalenti c) Forze applicate a ciascun orizzontamento Hi = φ N Ed b) Forze esercitate da piattabande e elementi giuntati compressi F d = α m N Ed / 100 Fig. C4.2.3 Effetti sugli orizzontamenti Fig. C4.2.6 Forze nelle giunzioni

21 DM 2008 Costruzioni di acciaio Effetti delle imperfezioni Forze equivalenti per un controvento orizzontale di falda: I carichi equivalenti sono q d = Σ N ed 8 (e 0 + δ q ) / L 2 = 103,2 dn/m La struttura di controvento è dimensionata per gli effetti delle imperfezioni. e 0 = α m L /500 = 1.9 cm m = 11; α m = (0.5(1+1/m) = 0.74 ; L = m ; δ q = =07cm 0,45+0,25 = 0.7 Σ N ed = dn (Progetto Ing. S. Biagini)

22 DM 2008 Costruzioni di acciaio Effetti delle imperfezioni Forze equivalenti per un controvento verticale: La struttura è inserita all interno di un complesso industriale che riduce la sua esposizione al vento solo agli ultimi 8.2 m dell altezza totale della torre di 18.8 m (Progetto ing. S. Biagini) Direzione x φ = 0.66 x 0.86 x = rad H Ed = > 0.15 V Ed = dn Direzione y φ = 0.66 x 0.80 x = rad H Ed = < 0.15 V Ed = dn Fh = φ N ed = 240,8 dn La struttura è poco sensibile alle imperfezioni.

23 Norme tecniche per le costruzioni DM 2008 Costruzioni i di acciaio i Verifiche Analisi delle relazioni Esempi di applicazione della norma

24 DM 2008 Costruzioni di Acciaio Verifiche Analisi e applicazione delle formule più rilevanti Resistenza di calcolo La resistenza di calcolo delle membrature R d si pone nella forma: R k è il valore caratteristico i della resistenza trazione, compressione, flessione, taglio e torsione della membratura, determinata dai valori caratteristici delle resistenza dei materiali f yk e dalle caratteristiche geometriche degli elementi strutturali, tt dipendentid dalla classe della sezione Per sezioni di classe 4 può farsi riferimento alle caratteristiche geometriche efficaci, area efficace A eff, modulo di resistenza efficace W eff, modulo di inerzia efficace J eff, valutati seguendo il procedimento indicato in UNI EN Nel caso di elementi strutturali formati a freddo e lamiere sottili, per valutare le caratteristiche geometriche efficaci si può fare riferimento a quanto indicato in UNI EN

25 DM 2008 Costruzioni di Acciaio Verifiche Analisi e applicazione delle formule più rilevanti Trazione L azione assiale di calcolo N Ed deve rispettare la seguente condizione: a) la resistenza plastica della sezione lorda, A, b) la resistenza a rottura della sezione netta, A net, Qualora il progetto preveda la gerarchia delle resistenze, come avviene in presenza di azioni sismiche, la resistenza plastica della sezione lorda, N pl,rd, deve risultare minore della resistenza a rottura delle sezioni indebolite dai fori per i collegamenti, N u,rd Flessione monoassiale (retta) Il momento flettente di calcolo M Ed deve rispettare la seguente condizione: M c,rd si valuta tenendo conto della presenza di eventuali fori in zona tesa per collegamenti bullonati o chiodati, W eff,min è calcolato eliminando le parti della sezione inattive a causa dei fenomeni di instabilità locali, secondo il procedimento esposto in UNI EN

26 DM 2008 Costruzioni di Acciaio Verifiche Analisi e applicazione delle formule più rilevanti Compressione La forza di compressione di calcolo N Ed deve rispettare la seguente condizione: La resistenza di calcolo vale: Non è necessario dedurre l area dei fori per i collegamenti bullonati o chiodati, purché in tutti i fori siano presenti gli elementi di collegamento e non siano presenti fori sovradimensionati o asolati. Larghezza efficace Se si considera un profilo HE 280AA acciaio S355, W el,y =799.8 cm 3, W pl,y =873.1cm 3 Altezza h 264 mm Larghezza b 280 Spessore ali t f 10 Spessore anima t w 7 Raggio r 24 (saldato composto a=6mm) Vale la relazione ε= (235/f y ) = ; c/t = (b-t w -(2r)) / 2t f = /2 10 = Ala classe 3 per HE 280AA e classe 4 per saldato composto λ p = 0.862, ρ = 0,91 b =1178mm; 3; eff 117,8 W eff,min = 598 cm

27 DM 2008 Costruzioni di Acciaio Verifiche Analisi e applicazione delle formule più rilevanti Taglio Resistenza di calcolo a taglio V c,rd, in assenza di torsione, vale: La verifica all instabilità dell anima della sezione soggetta a taglio e priva di irrigidimenti deve essere condotta in accordo con se: C Stabilità dei pannelli Per la verifica dei pannelli d anima è necessario riferirsi in genere a normative e documentazione tecnica di comprovata validità. Nei casi maggiormente ricorrenti è possibile verificare la stabilità dei pannelli d anima utilizzando le procedure esposte nei paragrafi seguenti. Flessione e taglio Si può trascurare l influenza del taglio sulla resistenza a flessione, eccetto nei casi in cui l instabilità per taglio riduca la resistenza a flessione della sezione se: Se è superiore, la resistenza a flessione si determina assumendo per l area resistente a taglio A v la tensione di snervamento ridotta (1 ρ) f yk :

28 DM 2008 Costruzioni di Acciaio Verifiche Analisi e applicazione delle formule più rilevanti Stabilità delle membrature Astecompresse E prassi comune, assunta anche dall EC3 e dal DM2008, l esprimere la snellezza di un asta non sotto forma della sua snellezza λ=l 0 /ρ min,bensìcome rapporto fra snellezza e snellezza critica, tale rapporto è definito come snellezza adimensionale = λ/λ cr = (A f yk /N cr ). Il contributo delle imperfezioni è tenuto in conto nella equazione: dove il parametro Ф include un parametro α fattore di imperfezione Analisi e confronti sono svolti da J. Morganti

29 DM 2008 Costruzioni di Acciaio Verifiche Analisi e applicazione delle formule più rilevanti Il momento resistente di progetto per i fenomeni di instabilità di una trave lateralmente non vincolata può essere assunto pari a: Analisi e confronti sono svolti da S. Biagini

30 DM 2008 Costruzioni di Acciaio Verifiche Analisi e applicazione delle formule più rilevanti Stabilità dei pannelli Gli elementi strutturali in parete sottile (di classe 4) presentano problemi complessi d instabilità locale, per la cui trattazione si deve fare riferimento a normative di comprovata validità.

31 DM 2008 Costruzioni di Acciaio Verifiche Analisi e applicazione delle formule più rilevanti Stabilità dei pannelli soggetti a taglio

32 DM 2008 Costruzioni di Acciaio Verifiche Analisi e applicazione delle formule più rilevanti svolteda J. Morganti e S. Biagini Analisi globale dei telai edei sistemi di controventamento Effetti delle deformazioni Analisi del primo ordine Analisi del secondo ordine Sistemi di forze equivalenti alle imperfezioni Resistenza delle membrature Flessione monoassiale Flessione e taglio Presso flessione retta Stabilità delle membrature Aste compresse semplici e composte Travi inflesse Membrature inflesse e compresse

33 Norme tecniche per le costruzioni DM 2008 Costruzioni i di acciaio i Unioni Sistemi di unione Esempi di applicazione della norma

34 DM 2008 Costruzioni di Acciaio Unioni UNIONI Nel presente paragrafo sono considerati sistemi di unione elementari, in quanto parti costituenti i collegamenti strutturali tra le membrature in acciaio. In particolare, sono presentati metodi per calcolare le prestazioni resistenti e le relative modalità e regole per la realizzazione dei vari tipi di unione esaminati. Le tipologie di unione analizzate sono quelle realizzate tramite bulloni, chiodi, perni e saldature. Le sollecitazioni agenti nei collegamenti allo stato limite ultimo e allo stato limite di esercizio si devono valutare con i criteri indicati in Le sollecitazioni così determinate possono essere distribuite, con criteri elastici oppure plastici, nei singoli elementi costituenti i collegamenti strutturali tra le membrature a condizione i che: - le azioni così ripartite fra gli elementi di unione elementari (unioni) del collegamento siano in equilibrio con quelle applicate e soddisfino la condizione di resistenza imposta per ognuno di essi; - le deformazioni derivanti da tale distribuzione delle sollecitazioni all interno degli elementi di unione non superino la loro capacità di deformazione.

35 DM 2008 Costruzioni di Acciaio Unioni Unioni con bulloni, chiodi e perni soggetti a carichi statici Le unioni realizzate con bulloni si distinguono in non precaricate e precaricate. Le unioni realizzate con chiodi si considerano sempre non precaricate e i chiodi devono essere preferibilmente impegnati a taglio. I perni delle cerniere sono sollecitati a taglio e flessione. 4282Unionisaldate Nel presente paragrafo sono considerate unioni saldate a piena penetrazione, a parziale penetrazione, ed unioni realizzate con cordoni d angolo. Per i requisiti riguardanti i procedimenti di saldatura, i materiali d apporto e i controlli idonei e necessari per la realizzazione di saldature dotate di prestazioni meccaniche adeguate ai livelli di sicurezza richiesti dalla presente norma, si faccia riferimento al

36 DM 2008 Costruzioni di Acciaio Unioni Analisi e applicazione delle formule più rilevanti svolte da S. Biagini Unioni con bulloni soggette a taglio e trazione Unioni con saldature a piena penetrazione Unioni con saldature a parziale penetrazione eacordoni d angolo Resistenza delle saldature a cordoni d angolo