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Centro di supportoEsempi di verificaAnalisi non lineare geometrica e materiale con imperfezioni (GMNIA) di travi inflesse
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Analisi non lineare geometrica e materiale con imperfezioni (GMNIA) di travi inflesse

Questo articolo รจ disponibile anche in
ENCZDEESFRITPTNLHUROKRPLTHTRVIZH
Tradotto dall'inglese tramite IA

Confronto dei risultati GMNIA in IDEA Member con una soluzione analitica e una numerica

1. Obiettivo

L'obiettivo di questo articolo รจ la verifica del modulo GMNIA (analisi non lineare geometrica e materiale con imperfezioni) dell'applicazione IDEA Member. Le resistenze risultanti da IDEA Member vengono confrontate con la soluzione analitica secondo EN 1993-1-1 [1] per travi inflesse.

2. Descrizione del modello

Sono stati analizzati un totale di 18 casi individuali per verificare il modulo GMNIA. Tutti condividono la stessa sezione trasversale IPE 240 e la stessa classe di acciaio Sย 235. Sono state studiate tre diverse condizioni di carico (A โ€“ momenti alle estremitร , B โ€“ forza al centro, C โ€“ carico distribuito). Sono stati verificati sei valori di snellezza relativa, variabili da 0,6 a 1,6.

Fig. 1: Diverse condizioni di carico utilizzate per la verifica

3. Imperfezioni iniziali

Sono stati utilizzati quattro approcci per calcolare l'imperfezione iniziale di una trave inflessa. Sono designati A, B, C e D. Gli approcci A, B e C utilizzano l'imperfezione iniziale per l'instabilitร  intorno all'asse debole moltiplicata per un fattoreย kย = 0,5, come specificato nella EN 1993-1-1, Clausola 5.3.4 (3) [1]. L'imperfezione iniziale secondo l'approccio D viene determinata direttamente per l'instabilitร  flesso-torsionale.

Approccio A โ€“ secondo EN 1993-1-1:2005, Tabella 5.1:

Tab. 1: Valore di progetto dell'imperfezione iniziale a freccia e0/L per elementi

Approccio B โ€“ secondo prEN 1993-1-1:2020, seconda bozza [2], Clausola 5.3.3.1:

e0L=ฮฑฮตฮฒ\frac{e_0}{L}=\frac{ฮฑ}{ฮต} \betaLe0โ€‹โ€‹=ฮตฮฑโ€‹ฮฒ

dove:

  • e0ย โ€“ imperfezione iniziale
  • ฮฑย โ€“ fattore di imperfezione dipendente dalla curva di instabilitร  pertinente secondo EN 1993-1-1, Tabella 6.1 [1]
  • ฮต=235fy\varepsilon = \sqrt{\frac{235}{f_y}}ฮต=fyโ€‹235โ€‹โ€‹
  • fyย โ€“ resistenza a snervamento della colonna [MPa]
  • ฮฒย โ€“ imperfezione relativa a freccia di riferimento secondo la Tabella 2
  • Lย โ€“ lunghezza dell'elemento

Tab. 2: Imperfezione relativa a freccia di riferimento

Approccio C โ€“ metodo EUGLI (Equivalent Unique Global and Local Initial Imperfection) secondo EN 1993-1-1:2005, Clausola 5.3.2 (11) [1]:

e0=ฮฑ(ฮปห‰โˆ’0.2)MRkNRke_0=\alpha (\bar \lambda - 0.2) \frac{M_{Rk}}{N_{Rk}}e0โ€‹=ฮฑ(ฮปห‰โˆ’0.2)NRkโ€‹MRkโ€‹โ€‹

dove

  • e0ย โ€“ imperfezione iniziale
  • ฮฑย โ€“ fattore di imperfezione dipendente dalla curva di instabilitร  pertinente secondo EN 1993-1-1, Tabella 6.1 [1]
  • ฮปห‰\bar \lambdaฮปห‰ย ย โ€“ snellezza relativa dell'elemento
  • NRkย โ€“ resistenza caratteristica a sforzo normale di una sezione trasversale
  • MRkย โ€“ resistenza caratteristica a momento di una sezione trasversale

Approccio D โ€“ secondo [3]:

e0=ฮฑLT(ฮปห‰LTโˆ’0.2)MRkNRke_0=\alpha_{LT} (\bar \lambda_{LT} - 0.2) \frac{M_{Rk}}{N_{Rk}}e0โ€‹=ฮฑLTโ€‹(ฮปห‰LTโ€‹โˆ’0.2)NRkโ€‹MRkโ€‹โ€‹

dove

  • e0ย โ€“ imperfezione iniziale
  • ฮฑLTย โ€“ fattore di imperfezione dalla Tabellaย 3
  • ฮปห‰LT\bar \lambda_{LT}ฮปห‰LTโ€‹ย โ€“ snellezza relativa dell'elemento
  • NRkย โ€“ resistenza caratteristica a sforzo normale di una sezione trasversale
  • MRkย โ€“ resistenza caratteristica a momento di una sezione trasversale

Tab. 3: Fattori di imperfezione per il calcolo di e0

I valori di imperfezione iniziale risultanti sono riassunti nella tabella seguente. Si noti che, per questa sezione trasversale e questa classe di acciaio, gli approcci A e B forniscono gli stessi valori.

Tab. 4: Valori di imperfezione iniziale risultanti

4. Soluzione analitica

Per calcolare la resistenza all'instabilitร  della trave viene utilizzato il seguente approccio secondo EN 1993-1-1, Clausole 6.3.2.1 e 6.3.2.2 [1]:

ฮปห‰LT=Wpl,yfyMcr\bar \lambda_{LT} = \sqrt{\frac{W_{pl,y} f_y}{M_{cr}}}ฮปห‰LTโ€‹=Mcrโ€‹Wpl,yโ€‹fyโ€‹โ€‹โ€‹

ฯ•LT=0.5[1+ฮฑLT(ฮปห‰LTโˆ’0.2)+ฮปห‰LT2]\phi_{LT} = 0.5 \left [1 + \alpha_{LT} \left (\bar \lambda_{LT} - 0.2 \right ) + \bar \lambda_{LT} ^2 \right]ฯ•LTโ€‹=0.5[1+ฮฑLTโ€‹(ฮปห‰LTโ€‹โˆ’0.2)+ฮปห‰LT2โ€‹]

ฯ‡LT=1ฯ•LT+ฯ•LT2โˆ’ฮปห‰LT2\chi_{LT} = \frac{1}{\phi_{LT} + \sqrt{\phi_{LT}^2 - \bar \lambda_{LT} ^2}}ฯ‡LTโ€‹=ฯ•LTโ€‹+ฯ•LT2โ€‹โˆ’ฮปห‰LT2โ€‹โ€‹1โ€‹

Mb,Rd=ฯ‡LTWpl,yfyฮณM1M_{b,Rd} = \frac{\chi_{LT} W_{pl,y} f_y}{\gamma_{M1}}Mb,Rdโ€‹=ฮณM1โ€‹ฯ‡LTโ€‹Wpl,yโ€‹fyโ€‹โ€‹

5. Risultati

Le resistenze ultime (per le imperfezioni iniziali A = B, C e D) da IDEA Member vengono confrontate con i valori analitici per una sezione trasversale laminata (EN) e anche per la sua rappresentazione senza i raccordi anima-ala (Ew). Infine, vengono presentati i risultati del software ANSYS (A) [4], utilizzando le imperfezioni iniziali basate sull'approccio C.

Tab. 5: Valori di resistenza a momento risultanti

Grafico 1: Valori di resistenza a momento risultanti

Grafico 2: Confronto delle resistenze a momento risultanti

I risultati della GMNIA sono conservativi rispetto alla soluzione dell'Eurocodice. Ciรฒ รจ in parte dovuto alla modellazione della sezione trasversale in IDEA Member; questa influenza รจ compresa tra il 5 e il 10 %, come si puรฒ osservare dai valori delle colonne blu nel grafico sopra.

Confrontando le due colonne arancioni (Member e ANSYS), รจ evidente una buona corrispondenza con la soluzione numerica in ANSYS.

La scelta dell'imperfezione iniziale gioca un ruolo determinante nella resistenza risultante. Utilizzando le imperfezioni iniziali A o B, le resistenze a momento risultanti sono inferiori del 10โ€“30 % rispetto all'Eurocodice. I metodi C e D risultano solo leggermente conservativi (< 10 %) rispetto alla soluzione analitica dell'Eurocodice per una sezione trasversale laminata reale. Tuttavia, sono molto vicini al valore atteso calcolato analiticamente per una sezione trasversale priva dei raccordi anima-ala.

Fig. 2: Forma deformata alla resistenza ultima e deformazione plastica del modello B_4

6. Bibliografia e riferimenti

[1] EN 1993-1-1:ย Eurocodice 3:ย Progettazione delle strutture di acciaio โ€“ Parte 1-1: Regole generali e regole per gli edifici, CEN, 2005.

[2] prEN 1993-1-1: Eurocodice 3: Progettazione delle strutture di acciaio โ€“ Parte 1-1: Regole generali e regole per gli edifici, seconda bozza, CEN, 2017.

[3] Snijder, H. H., van der Aa, R. P., Hofmeyer, H., & van Hove, B. W. E. M. (2018). Lateral torsional buckling design imperfections for use in non-linear FEA. Steel Construction: Design and Research, 11(1), 49-56.

[4] Aa, R.P. van der: Numerical assessment of the design imperfections for steel beam lateral torsional buckling, Master thesis, report 2015.96, Eindhoven University of Technology, Eindhoven, Dept. of the Built Environment, Structural Design, The Netherlands, 2015.