Metodi comuni
Ogni ingegnere strutturale è abituato a utilizzare la tensione di snervamento come valore limite della verifica normativa, poiché praticamente ogni norma e codice di progettazione si basa su questo approccio.
Tuttavia, questo si applica al comportamento puramente elastico del materiale. Ciò può portare a una progettazione conservativa e talvolta a un sovradimensionamento non necessario della struttura, con conseguente maggiore consumo di materiale.
Il comportamento reale dell'acciaio è però diverso, ed è corretto assumere il comportamento plastico del materiale dopo che la tensione di snervamento è stata superata.
IDEA StatiCa e il metodo CBFEM
Il Metodo degli Elementi Finiti basato sui Componenti (CBFEM) è una sinergia tra il Metodo delle Componenti e l'analisi agli Elementi Finiti.
La verifica normativa di un giunto con il metodo standard basato sui componenti e con il CBFEM utilizzato in IDEA StatiCa Connection si basa sulla verifica di tutte le parti del giunto – le componenti. Le componenti possono essere bulloni, ancoraggi, saldature, piastre e calcestruzzo alla fondazione.
CBFEM suddivide l'intero giunto nelle componenti separate sopra menzionate. Il modello di analisi viene quindi creato automaticamente dal software a partire da ciascuna componente.
Tutte le piastre in acciaio, come le ali o le anime delle sezioni trasversali, gli irrigidimenti, le nervature, le mensole rastremata, ecc., sono modellate con elementi finiti. Il Metodo degli Elementi Finiti è ampiamente accettato nell'ingegneria strutturale e fornisce risultati molto buoni e affidabili.
Il comportamento del materiale si basa sul criterio di snervamento di von Mises. Si assume un comportamento elastico prima del raggiungimento della tensione di snervamento di progetto fyd.
Il criterio allo stato limite ultimo per le regioni non soggette a instabilità è il raggiungimento del valore limite della deformazione principale di membrana. Si raccomanda un valore del 5% (ad es. EN 1993-1-5, App. C, Par. C.8, Nota 1).
ANSI/AISC 360-16 utilizza un approccio diverso. Nel Capitolo B – Requisiti di progettazione, è presente il seguente articolo: "Resistenza del collegamento. La resistenza di un collegamento è il momento massimo che è in grado di sopportare, Mn, come mostrato nella Figura C-B3.2. La resistenza di un collegamento può essere determinata sulla base di un modello allo stato limite ultimo del collegamento, o da prove fisiche. Se la risposta momento-rotazione non presenta un carico di picco, la resistenza può essere assunta come il momento a una rotazione di 0,02 rad (Hsieh e Deierlein, 1991; Leon et al., 1996)."
Le figure sono tratte da ANSI/AISC 360-16, Comm. B3, p. 332, 333.
Viene presentato un esempio di collegamento saldato in IDEA StatiCa:
La resistenza flessionale di progetto di questo collegamento, secondo questo articolo dell'AISC 360, è determinata come il momento flettente alla rotazione di 20 mrad (MRd = 408,5 kip-in). Questa resistenza è quasi uguale alla resistenza flessionale determinata limitando la deformazione plastica al 5% come suggerito dall'EN 1993-1-5 (MRd = 402,5 kip-in).
Un altro esempio di collegamento bullonato mostra risultati simili:
Anche in questo caso, la resistenza determinata dalla rotazione di 20 mrad (MRd = 372 kip-in) coincide strettamente con la resistenza determinata limitando la deformazione plastica al 5% (MRd = 374,7 kip-in).
Conclusione
ANSI/AISC 360 lascia la modellazione agli elementi finiti (si veda l'Appendice 1 – Progettazione mediante analisi avanzata e il Capitolo B – Requisiti di progettazione – 4. Progettazione dei collegamenti e dei supporti – Analisi strutturale) al giudizio dell'ingegnere. L'utilizzo del diagramma bilineare elastico-plastico del materiale per le piastre in acciaio e la limitazione della deformazione plastica rappresenta un approccio semplice e ragionevole che consente di risolvere tutti i tipi di collegamenti soggetti a carichi generici. I risultati coincidono strettamente con l'approccio suggerito specificamente da ANSI/AISC 360.
Il limite di deformazione plastica può essere modificato nella configurazione normativa, sebbene gli studi di verifica siano stati eseguiti con il valore raccomandato del 5%. Il valore ha generalmente un effetto ridotto sulla resistenza del collegamento. La differenza nella resistenza al momento flettente tra un limite di deformazione del 2% e uno del 10% è solo del 7% nel secondo esempio di collegamento bullonato.
Riferimenti
ANSI/AISC 360-16 (2016), An American National Standard – Specification for Structural Steel Buildings, AISC, Chicago, 676 p.
EN1993-1-5 (2006), Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-5: General rules - Plated structural elements, CEN, Brussels, 53 p.
Hsieh, S.H. e Deierlein, G.G. (1991), "Nonlinear Analysis of Three-Dimensional Steel Frames with Semi-Rigid Connections," Computers and Structures, Elsevier, Vol. 41, No. 5, pp. 995–1.009.
Leon, R.T. (1994), "Composite Semi-Rigid Construction," Engineering Journal, AISC, Vol. 31. No. 2, pp. 57–67.