STRUTTURE E CALCOLI Componenti strutturali in acciaio Progettare componenti e connessioni secondo Eurocodici e Norme Tecniche per le Costruzioni Domenico Leone - Adriano Castagnone 137379_00-1_Leone_Acciaio.indd 3 12/06/12 14.54
2012 Wolters Kluwer Italia S.r.l. Strada I, Palazzo F6-20090 Milanofiori Assago (MI) I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento totale o parziale, con qualsiasi mezzo (compresi i microfilm e le copie fotostatiche), sono riservati per tutti i Paesi. Le fotocopie per uso personale del lettore possono essere effettuate nei limiti del 15% di ciascun volume/fascicolo di periodico dietro pagamento alla SIAE del compenso previsto dall art. 68, commi 4 e 5, della legge 22 aprile 1941 n. 633. Le riproduzioni diverse da quelle sopra indicate (per uso non personale cioè, a titolo esemplificativo, commerciale, economico o professionale e/o oltre il limite del 15%) potranno avvenire solo a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da EDISER S.r.l., società di servizi dell Associazione Italiana Editori, attraverso il marchio CLEARedi Centro Licenze e Autorizzazioni Riproduzioni Editoriali. Informazioni: www.clearedi.org L elaborazione dei testi, anche se curata con scrupolosa attenzione, non può comportare specifiche responsabilità per eventuali errori o inesattezze. Editor: Carlo Olivero Sviluppo e realizzazione software: S.T.A. DATA - Torino Cover design: Sandro Scherling, saegenvier.at Editing: Alma Bellino - Moncalieri (TO) Coordinamento tecnico: Domenico Bellino Fotocomposizione: Finotello - Borgo S. Dalmazzo (CN) Stampa: L.E.G.O. S.p.A. - Lavis (TN) ISBN 978-88-6750-004-8
Prefazione Il presente volume vuole essere una guida sintetica e pratica all uso degli Eurocodici e della normativa tecnica nazionale (NTC) per il calcolo di componenti strutturali in acciaio. Si intendono qui per componenti sia gli elementi lineari che compongono la struttura (travi, colonne e controventi), sia gli elementi di giunzione tra gli stessi (collegamenti bullonati e saldati e ancoraggi di base di colonne). La trattazione si articola in due parti: la prima parte (corrispondente ai capitoli 1-3) offre una descrizione generale delle caratteristiche degli acciai da costruzione, nonché un condensato delle norme di progettazione e realizzazione dei manufatti sotto forma di Specifica Tecnica Generale ; la seconda parte (nei capitoli 4 e 5) affronta in modo diretto la progettazione di componenti strutturali, con un esempio applicativo reale di struttura industriale in zona sismica. Tale struttura viene esaminata a partire dalla creazione del modello, con un programma ad elementi finiti (FEM), passando attraverso l analisi delle sollecitazioni in condizioni normali e sismiche, per concludersi col progetto ragionato degli elementi strutturali che la compongono e dei relativi collegamenti. Per progettazione ragionata si intende l esecuzione dei calcoli di verifica, eseguiti secondo il ragionamento di un normale progettista, dopo aver analizzato i risultati di un calcolo FEM. Tale calcolo è impostato con dati di primo tentativo, successivamente modificati per rispondere in modo completo sia alle esigenze di resistenza e stabilità delle singole componenti lineari della struttura, sia all interazione tra le stesse, attraverso la progettazione più idonea dei collegamenti, con particolare attenzione alle richieste di duttilità e sovraresistenza previste dalla normativa antisismica. Nel volume si evidenzia quanto sia importante, nella progettazione strutturale, non perdere mai di vista il comportamento globale della struttura, ovvero l interazione tra le varie componenti. È altresì importante non operare mai un completo atto di fede sui risultati di verifica che il calcolo FEM ci offre per ogni singola componente, la cui resistenza dipende anche da quella delle componenti che con essa interagiscono, specie nella progettazione antisismica, là dove sia richiesto anche il rispetto della gerarchia delle resistenze. L Appendice al volume raccoglie le risposte ai quesiti e ai dubbi più frequenti dei professionisti circa le modalità di applicazione delle norme tecniche a progetti reali, nonché i contenuti non esplicitamente esposti nel testo normativo. Il volume è integrato da un software in versione light che consente il calcolo completo di elementi lineari compressi, tesi o in presso-flessione piana e di unioni bullonate semplici. In particolare: Il programma denominato PrefleEC3 esegue la verifica di resistenza e stabilità per pressoflessione piana di elementi in acciaio con sezione a I o T monosimmetrica secondo EN 1993-1-1 nonché la verifica in condizioni sismiche in base alle norme EN 1998-1 o NTC 2008 (o O.P.C.M. 3274 come riferimento storico) per elementi trave o colonna di telai resistenti a momento o con controventi concentrici. Esegue inoltre la verifica di resistenza e stabilità in condizioni di incendio standard in base alla norma EN 1993-1-2 per sezioni non protette
VI Elementi di completamento strutturale in acciaio oppure protette con materiale ignifugo applicato in aderenza o con pannelli, calcestruzzi e murature. Il programma denominato Traliccio esegue la verifica a compressione (anche con imperfezione iniziale di freccia) e/o a trazione di elementi lineari incernierati alle estremità secondo EN 1993-1-1 e 1-3. La versione light consente la verifica di sezioni a I, H laminate o saldate, sezioni scatolari composte saldate o laminate, sezioni circolari, tondi e piatti, profili a L o C laminati o piegati a freddo, singoli o accoppiati con possibilità di scelta automatica dei profili da catalogo. Il calcolo può essere eseguito anche in condizioni sismiche e di incendio standard in base alla norma EN 1993-1-2 per sezioni non protette oppure protette con materiale ignifugo applicato in aderenza o con pannelli, calcestruzzi e murature. Il programma denominato GiuntoBull esegue il calcolo di un giunto trave-trave o travecolonna con squadrette o piatti bullonati in base alla norma EN 1993-1-8 con distribuzione elastica lineare oppure plastica delle forze e per unioni sia a taglio (categoria A) che ad attrito (categoria B o C) esaminando sia il comportamento del singolo bullone che di più bulloni in gruppo. L'estremità della trave collegata può essere piana o con intaglio superiore o ancora con doppio intaglio. Sono previste al massimo due file verticali di bulloni allineati o sfalsati per fila. Viene eseguita anche la verifica a rottura per taglio dell'anima della trave collegata (block-shear). Il programma esegue la rappresentazione grafica del nodo. Domenico Leone Adriano Castagnone
Indice Prefazione........................................................................................................ pag. V Capitolo 1 Nota introduttiva su Eurocodici e NTC 2008..................................» 1 Capitolo 2 Materiali......................................................................................» 3 2.1 Generalità sugli acciai da costruzione.........................................................» 3 2.1.1 Qualità degli acciai....................................................................» 3 2.1.1.1 Designazione degli acciai...............................................................» 3 2.1.1.2 Acciaio per strutture antisismiche....................................................» 4 2.1.2 Certificazione e controlli............................................................» 4 2.1.3 Durabilità delle strutture in acciaio..............................................» 5 2.1.4 Acciai laminati a caldo...............................................................» 7 2.1.5 Acciai per getti.........................................................................» 7 2.1.6 Acciai per profili piegati a freddo.................................................» 7 2.1.7 Resistenza in funzione dello spessore............................................» 7 2.2 Strutture composte saldate.......................................................................» 8 2.2.1 Saldabilità................................................................................» 8 2.2.2 Accettabilità.............................................................................» 8 2.2.3 Esecuzione delle saldature..........................................................» 8 2.2.4 Fragilità alle basse temperature....................................................» 9 2.3 Bulloni...............................................................................................» 12 Capitolo 3 Progettazione delle strutture in acciaio...........................................» 13 3.1 Azioni sulle costruzioni............................................................................» 13 3.1.1 Generalità................................................................................» 13 3.1.2 Azioni permanenti o carichi permanenti (G).................................» 13 3.1.3 Azioni variabili o carichi variabili (Q)...........................................» 14 3.1.3.1 Carichi di impianto.....................................................................» 14 3.1.3.2 Carichi di esercizio......................................................................» 14 3.1.3.2.1 Carichi sulle coperture...................................................................» 14 3.1.3.2.2 Carichi su impalcati, scale e solai di copertura praticabili...........................» 15 3.1.3.3 Azioni della neve.........................................................................» 15 3.1.3.4 Azioni dei carriponte....................................................................» 15 3.1.3.4.1 Dati di progetto...........................................................................» 15 3.1.3.5 Azione del vento.........................................................................» 17
VIII Indice 3.1.3.6 Azioni sismiche.......................................................................... pag. 18 3.1.3.7 Azioni indirette dovute a variazioni di temperatura...............................» 18 3.1.3.8 Azioni impresse da cedimenti delle fondazioni.....................................» 18 3.2 Metodi di calcolo e combinazione dei carichi..............................................» 19 3.2.1 Generalità................................................................................» 19 3.2.2 Metodo di calcolo agli stati limite................................................» 19 3.2.3 Combinazione dei carichi per lo S.L.U.........................................» 19 3.2.4 Combinazione dei carichi per lo S.L.E.........................................» 21 3.2.4.1 Limiti di deformazione.................................................................» 22 3.2.5 Progettazione antisismica............................................................» 23 3.2.5.1 Analisi lineare e non lineare............................................................» 27 3.2.5.2 Analisi statica o dinamica...............................................................» 27 3.2.5.3 Caratteristiche dei materiali............................................................» 28 3.2.5.4 Fattori di struttura q....................................................................» 28 3.3 Verifiche di resistenza delle membrature.....................................................» 29 3.3.1 Generalità................................................................................» 29 3.3.2 Classificazione delle sezioni........................................................» 29 3.3.2.1 Calcolo dei parametri a e } per sezioni soggette a presso-flessione............» 30 3.3.3 Sezione efficace di elementi di classe 4..........................................» 30 3.3.4 Sezioni tese..............................................................................» 31 3.3.5 Sezioni compresse.....................................................................» 32 3.3.6 Sezioni flesse............................................................................» 32 3.3.7 Sezioni presso-flesse...................................................................» 32 3.3.7.1 Combinazioni di azioni................................................................» 33 3.3.8 Effetto del taglio.......................................................................» 34 3.3.9 Sezioni irrigidite efficaci.............................................................» 35 3.3.10 Lamiere sottili piegate a freddo...................................................» 36 3.4 Verifiche di stabilità................................................................................» 37 3.4.1 Generalità................................................................................» 37 3.4.2 Stabilità di elementi compressi....................................................» 38 3.4.2.1 Generalità.................................................................................» 38 3.4.2.2 Lunghezze di instabilità................................................................» 38 3.4.3 Stabilità di elementi presso-flessi..................................................» 40 3.4.4 Stabilità al taglio delle anime......................................................» 41 3.4.5 Stabilità degli involucri..............................................................» 42 3.5 Verifiche a fatica.....................................................................................» 42 3.5.1 Generalità................................................................................» 42 3.5.1.1 Criteri di verifica.........................................................................» 42 3.6 Verifica di resistenza dei collegamenti.........................................................» 44 3.6.1 Collegamenti saldati..................................................................» 44 3.6.1.1 Saldature di testa.........................................................................» 44
Indice IX 3.6.1.2 Saldature d angolo....................................................................... pag. 45 3.6.1.3 Saldature d angolo entro fori o intagli...............................................» 45 3.6.1.4 Saldature di riempimento di fori o intagli...........................................» 45 3.6.1.5 Distribuzione delle forze...............................................................» 46 3.6.2 Collegamenti bullonati..............................................................» 46 3.6.2.1 Unione con squadrette..................................................................» 46 3.6.2.2 Unione a flangia.........................................................................» 47 3.6.2.3 Unioni di continuità....................................................................» 48 3.7 Ancoraggio di base delle colonne...............................................................» 49 3.7.1 Generalità................................................................................» 49 3.7.2 Criteri di calcolo.......................................................................» 50 3.7.3 Regole pratiche.........................................................................» 51 Capitolo 4 Progettazione dei rivestimenti e delle opere complementari..............» 53 4.1 Elementi di rivestimento..........................................................................» 53 4.1.1 Generalità................................................................................» 53 4.1.2 Elementi in lamiera grecata........................................................» 54 4.1.3 Pannelli monolitici coibentati.....................................................» 55 4.1.4 Regole pratiche di progettazione ed esecuzione..............................» 55 4.2 Solette grecate........................................................................................» 56 4.2.1 Generalità................................................................................» 56 4.2.2 Verifica statica..........................................................................» 56 4.2.3 Regole pratiche di progettazione ed esecuzione..............................» 58 Capitolo 5 Esempio di calcolo sismico di una struttura industriale....................» 61 5.1 Modellazione e analisi..............................................................................» 61 5.1.1 Descrizione..............................................................................» 61 5.1.2 Definizione della normativa utilizzata..........................................» 61 5.1.3 Carichi di progetto....................................................................» 62 5.1.4 Modello di calcolo....................................................................» 62 5.1.5 Raggruppamento e combinazioni dei carichi.................................» 65 5.1.6 Tabelle riassuntive.....................................................................» 70 5.1.7 Ciclo di progetto integrato.........................................................» 72 5.1.8 Comportamento del nodo trave-colonna per i telai resistenti a momento.» 75 5.1.9 Conclusioni.............................................................................» 78 5.2 Verifica della trave principale superiore in normale esercizio..........................» 79 5.3 Verifica delle colonne in normale esercizio..................................................» 82 5.4 Verifica del giunto di sommità trave-colonna..............................................» 90 5.4.1 Condizioni iniziali di progetto....................................................» 90 5.4.2 Rispetto della gerarchia trave-colonna...........................................» 92 5.4.3 Verifica della saldatura trave-flangia e degli irrigidimenti.................» 94 5.4.4 Verifica della flangia e dei bulloni di giunto a parziale resistenza.......» 95
X Indice 5.4.5 Verifica della flangia e dei bulloni di giunto a piena resistenza.......... pag. 108 5.4.6 Verifica del nodo in condizioni sismiche in accordo con NTC 2008.» 111 5.4.7 Verifica delle componenti del nodo nella situazione finale...............» 114 5.4.7.1 Anima della colonna soggetta a forza di taglio (& 6.2.6.1)......................» 115 5.4.7.2 Verifica dell anima della colonna soggetta a compressione locale (& 6.2.6.2).» 116 5.4.7.3 Verifica dell anima della colonna soggetta a trazione locale (& 6.2.6.3).......» 118 5.4.7.4 Verifica della flangia della colonna soggetta a flessione trasversale (& 6.2.6.4)..» 119 5.4.7.5 Verifica della trave soggetta a compressione locale (& 6.2.6.7)..................» 122 5.4.7.6 Verifica della trave soggetta a trazione locale (& 6.2.6.8).........................» 124 5.4.7.7 Verifica della trave soggetta a compressione locale nel vertice della rastremazione (& 6.2.6.2)...............................................................................» 125 5.4.8 Verifica della trave principale superiore con sezione ridotta..............» 126 5.4.9 Considerazioni finali.................................................................» 127 5.5 Verifica del sistema di controvento............................................................» 128 5.5.1 Analisi delle sollecitazioni...........................................................» 128 5.5.1.1 Diagonale superiore.....................................................................» 128 5.5.1.2 Diagonale inferiore......................................................................» 129 5.5.1.3 Traverso superiore......................................................................» 129 5.5.1.4 Traverso inferiore.......................................................................» 129 5.5.2 Verifica del diagonale superiore...................................................» 129 5.5.2.1 Verifica di resistenza alla instabilità in condizioni non sismiche.................» 130 5.5.2.2 Calcolo dell unione bullonata in condizioni non sismiche.......................» 132 5.5.2.3 Verifica di resistenza alla instabilità in condizioni sismiche......................» 134 5.5.2.4 Verifica di resistenza del diagonale superiore teso in condizioni sismiche.....» 134 5.5.2.5 Calcolo dell unione bullonata in condizioni sismiche.............................» 135 5.5.3 Verifica del diagonale inferiore....................................................» 137 5.5.3.1 Verifica di resistenza alla instabilità in condizioni non sismiche.................» 137 5.5.3.2 Calcolo dell unione bullonata in condizioni non sismiche.......................» 138 5.5.3.3 Verifica di resistenza alla instabilità in condizioni sismiche......................» 140 5.5.3.4 Verifica di resistenza del diagonale teso in condizioni sismiche..................» 140 5.5.3.5 Calcolo dell unione bullonata in condizioni sismiche.............................» 141 5.5.4 Verifica del traverso inferiore.......................................................» 144 5.5.4.1 Verifica di resistenza alla instabilità in condizioni non sismiche.................» 144 5.5.4.2 Verifica di resistenza alla instabilità in condizioni sismiche......................» 144 5.5.5 Verifica del traverso superiore......................................................» 150 5.5.5.1 Verifica di resistenza alla instabilità in condizioni non sismiche.................» 150 5.5.5.2 Verifica di resistenza alla instabilità in condizioni sismiche......................» 151 5.6 Conclusioni...........................................................................................» 156 Appendice FAQ.............................................................................................» 157 Bibliografia......................................................................................................» 185 Guida all utilizzo dei moduli del software Saitu : GiuntoBull, PrefleEC3,Traliccio...........» 187