Rigidezza flessionale del collegamento saldato di sezioni aperte

Descrizione

La previsione della rigidezza rotazionale è descritta su un giunto a momento saldato di gronda. Viene studiato un collegamento saldato di sezione aperta con colonna HEB e trave IPE, e il comportamento del giunto è descritto su un diagramma momento-rotazione. I risultati del modello analitico con il metodo delle componenti (CM) sono confrontati con i risultati numerici ottenuti con il metodo degli elementi finiti basato sulle componenti (CBFEM). È disponibile un caso di riferimento.

Modello analitico

La rigidezza rotazionale di un giunto deve essere determinata dalla deformazione delle sue componenti di base, rappresentate dal coefficiente di rigidezza k_i. La rigidezza rotazionale del giunto S_j si ottiene da:

$$S_j = \frac{E z^2}{\mu \Sigma_i \frac{1}{k_i}}$$

dove:

• k_i  è il coefficiente di rigidezza per la componente del giunto i;
• z   è il braccio della leva; vedere 6.2.7;
• μ   è il rapporto di rigidezza; vedere 6.3.1.

Le componenti del giunto considerate in questo esempio sono: pannello d'anima della colonna a taglio k₁, anima della colonna a compressione k_2, e anima della colonna a trazione k₃. I coefficienti di rigidezza sono definiti nella Tabella 6.11 della EN 1993-1-8:2005. La rigidezza iniziale S_j,ini si ottiene per un momento M_j,Ed ≤ 2/3 M_j,Rd.

$$S_j = \frac{E \, z^{2}}{\frac{1}{k_1} + \frac{1}{k_2} + \frac{1}{k_3}}$$

$$S_{j,\text{ini}} = \frac{S_j}{1.5^{\psi}}$$

dove 

$S_{j}$ — rigidezza rotazionale del giunto

$\psi$ = 2.7 — EN 1993-1-8 tabella 6.8

Nell'esempio, una trave a sezione aperta IPE 400 è saldata a una colonna HEB 300. Le ali della trave sono collegate alla flangia della colonna con saldature con spessore di gola di 9 mm. L'anima della trave è collegata con saldature con spessore di gola di 5 mm. Nella saldatura si considera una distribuzione plastica delle tensioni. Il materiale della trave e della colonna è S235. La resistenza di progetto è limitata dalle componenti pannello della colonna a taglio e pannello della colonna a compressione trasversale. I coefficienti di rigidezza calcolati delle componenti di base, la rigidezza iniziale, la rigidezza alla resistenza di progetto e la rotazione della trave sono riassunti nella Tab. 10.1.1.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Tab. 10.1.1 Risultati del modello analitico}}}$$

Modello numerico

Informazioni dettagliate sulla previsione della rigidezza in CBFEM sono disponibili nel capitolo 3.9. Viene modellato lo stesso giunto a momento saldato di gronda e i risultati sono riportati nella Tab. 10.1.2. La resistenza di progetto è raggiunta con una deformazione plastica del 5% nella componente anima della colonna a trazione. Le analisi CBFEM consentono di calcolare la rigidezza rotazionale in qualsiasi fase di carico.

Panoramica sperimentale 

Ai fini del confronto, la sezione trasversale della colonna è stata impostata su HEB300 e la sezione trasversale della trave è stata variabile. Tutti i materiali utilizzati erano S235. 

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Tab. 10.1.2 Panoramica sperimentale}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Tab. 10.1.3 Panoramica sperimentale}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1 Verifica del CBFEM rispetto al CM}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2 Studio di sensibilità della sezione trasversale della trave IPE}}}$$

Verifica della rigidezza

La rigidezza rotazionale calcolata con CBFEM è confrontata con il CM. Il confronto mostra una buona concordanza nella rigidezza iniziale e nella corrispondenza del comportamento del giunto. Le rigidezze calcolate con CBFEM e CM sono riassunte nella Tab. 10.1.3.

È preparato un confronto del comportamento globale di un giunto a momento saldato di gronda descritto da un diagramma momento-rotazione. Il giunto viene analizzato e viene calcolata la rigidezza della trave collegata. La caratteristica principale è la rigidezza iniziale calcolata a 2/3M_j,Rd, dove M_j,Rd è la resistenza di progetto a momento del giunto. Il diagramma momento-rotazione è mostrato nella Fig. 10.1.1.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 3 Diagramma momento-rotazione per un giunto a momento saldato di gronda, IPE240}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4 Diagramma momento-rotazione per un giunto a momento saldato di gronda, IPE270}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5 Diagramma momento-rotazione per un giunto a momento saldato di gronda, IPE300}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6 Diagramma momento-rotazione per un giunto a momento saldato di gronda, IPE360}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7 Diagramma momento-rotazione per un giunto a momento saldato di gronda, IPE400}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 8 Diagramma momento-rotazione per un giunto a momento saldato di gronda, IPE450}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9 Diagramma momento-rotazione per un giunto a momento saldato di gronda, IPE500}}}$$

Caso di riferimento

Dati di input

Trave e colonna

• Acciaio S235
• Colonna HEB 300
• Trave IPE 400
• Spessore di gola della saldatura dell'ala a_f  = 9 mm
• Spessore di gola della saldatura dell'anima a_w  = 5 mm
• Eccentricità della colonna s = 150 mm
• Saldatura a doppio cordone d'angolo

Risultati

• Resistenza di progetto $M_\mathrm{j,Rd}= 199 \quad \mathrm{kNm}$
• Carico $M_\mathrm{j,Ed}=2/3M_\mathrm{j,Rd}= 133\quad \mathrm{kNm}$ 
• Rigidezza rotazionale secante $S_\mathrm{j,ini}= 81.3\quad \mathrm{MNm/rad}$ 

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 10 Caso di riferimento per il giunto a momento saldato di gronda (IPE 400 su HEB 300)}}}$$