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 dell armatura trasversale L INFLUENZA DELLE MODALITA COSTRUTTIVE - Concetti base - trave appoggiata con e senza puntelli 1
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 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
Tipologie di connettori (Sistemi di connessione) Esistono in commercio una notevole quantità di brevetti per sistemi di connessione per travi composte acciaio-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. E una connessione di tipo duttile. 3
Tipologie di connettori Pioli Nelson (Sistemi di connessione) 4
Tipologie di connettori (Sistemi di connessione) Connettori ad attrito SI UTILIZZANO IN GENERE IN PRESENZA DI SOLETTE PREFABBRICATE 5
Tipologie di connettori (Sistemi di connessione) Connettori a pressione Evitano il sollevamento 6
(Sistemi di connessione) Connettori a blocco: uncini e cappi (si usano in presenza di solette piene) Tipologie di connettori 7
Tipologie di connettori (Sistemi di connessione) Connettori misti a pressione e a blocco con uncini e cappi (si usano in presenza di solette piene) 8
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CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI i T1 T2 (Sistemi di connessione) 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: (T1 T2 ) * S 2 Fc b i i J id Se si utilizzassero connettori uguali, per sfruttare la meglio la loro resistenza sarebbe necessario disporli a passo non costante. L EC4 al punto 6.2.2 permette la disposizione dei connettori a passo variabile in accordo con l andamento del Taglio calcolato con la teoria elastica. 16
CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI (Sistemi di connessione) 17
CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI (Sistemi di connessione) 18
CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI (Sistemi di connessione) 19
CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI (Sistemi di connessione) 20
CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI (Sistemi di connessione a pioli) 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 4.3.4.3.1.1) definiscono un sistema di connessione a pioli duttile se: diametro compreso tra 16 e 22 mm altezza h> 4 n connettori N > 0.4 Nf (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. 21
CALCOLO DEL NUMERO DI PIOLI (Sistemi di connessione) 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: Fc min( Rc, Rs ) dove Rc b0 sf cd Rs As f yd Il numero dei connettori per motivi di simmetria della sollecitazione di scorrimento è dato dal rapporto tra Fc e la resistenza del singolo connettore. (Diagramma dello scorrimento) Fc/(L/2) Numero connettori + Nc=Fc/Pc - Fc Passo connettori se M pl, sez.comp 2.5M pl, profilo i=nc/(l/2) i= costante i 5 L 22
CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI Sistemi di connessione 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 Mpl,c Zona di collasso per schiacciamento del cls Zona di collasso dei connettori Ms,pl Zona di collasso acciaio Fc Metodo dell interpolazione lineare 23
Sistemi di connessione CALCOLO DELLA RESISTENZA DEI CONNETTORI EC4, NCT08 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: Pc min Pr,cls, Pr,c dove Pr,cls 0.29 2 v RESISTENZA MASSIMA DEL CONNETTORE SECONDO EC4 f ck Ecm f u 2 Pr,c 0.8 v 4 Resistenza a rifollamento del cls Resistenza a taglio del connettore 24
CALCOLO DELL ARMATURA TRASVERSALE DELLA SOLETTA (EC4,NCT08) 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 superfici 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 Pc la resistenza del connettore la forza di trazione che agirà sull armatura trasversale sarà semplicemente Fs=Pc/2 con la quale si potrà dimensionare l armatura As=Fs/fyd 25
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. Considerando 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: As,w,min = 0.002 s 1
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 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 28
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Influenza delle modalità costruttive Guadagno di rigidezza grazie al puntellamento 30
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 31
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 32
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 33
Influenza delle modalità costruttive: TRAVE 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 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 34 Se rigidi e poco duttili : calcolo elastico