La classificazione delle sezioni in acciaio secondo il D.M. 14.01.2008: condizioni di impiego delle tabelle di normativa

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Nell’ ambito della nuova normativa italiana sulle strutture, il D.M. 14.01.2008, le sezioni in acciaio sono suddivise in quattro classi in funzione della possibilità di mobilitare le risorse plastiche:

classe 1: sezioni duttili, in grado sviluppare appieno una cerniera plastica e di garantire un comportamento resistente fino alla fine del tratto plastico della curva di comportamento dell’acciaio

classe 2: sezioni compatte, in grado di sviluppare appieno la resistenza in campo plastico, ma con capacità rotazionali più limitate rispetto alla classe 1

classe 3: sezioni semicompatte, in grado di sviluppare appieno la resistenza solo fino al limite del campo elastico per ragioni legate a possibili fenomeni di instabilità locale

classe 4: sezioni snelle, in grado di sviluppare solo una parte della resistenza in campo elastico a causa del fatto che intere parti di sezione sono interessate da fenomeni di instabilità locale

La classificazione, del tutto coerente con quanto previsto dall’Eurocodice 3, individua per ciascuna sezione un preciso comportamento in ragione delle caratteristiche geometriche, ma, non di meno, delle azioni esterne che agiscono sull’elemento strutturale.

I parametri fondamentali per la classificazione sono di fatto soltanto due, come testimoniano le tabelle 4.2.I, 4.2.II e 4.2.III del D.M. 14.01.2008:

  • il rapporto fra la lunghezza di una parte di sezione e il suo spessore;
  • il rapporto fra la tensione di snervamento del materiale di riferimento (235 MPa) e quella del materiale costituente.

Le tabelle anzidette forniscono i “massimi rapporti larghezza spessore per parti compresse” di sezioni in acciaio, in funzione dello stato di sollecitazione: flessione, compressione e pressoflessione.

Di particolare interesse sono gli aspetti relativi al rapporto tra la tensione di snervamento di riferimento e quella dell’elemento strutturale considerato e l’individuazione della classe in regime di sollecitazione misto (ovvero compressione e flessione concomitanti).

In primo luogo, si fa riferimento al rapporto fra la tensione di snervamento del materiale di riferimento (235 MPa) e quella del materiale costituente.

Le tabelle del D.M. 14.01.2008 indicano in modo inequivocabile il principio secondo cui le limitazioni imposte al rapporto larghezza spessore si fanno via via più restrittive al crescere del valore della tensione di snervamento del materiale costituente.

A titolo di esempio, si può considerare il caso di un elemento strutturale soggetto a carichi tali da richiedere, al massimo, l’impiego di un acciaio S235, ovvero con fyk = 235 MPa.  Si consideri anche che l’elemento strutturale in esame abbia caratteristiche geometriche tali da poter essere considerato al limite della classe 2.

Per l’elemento strutturale, si avrebbe che la sollecitazione di progetto Sd è inferiore alla resistenza valutata in classe 2:

Sd < Rd (2)

Potrebbe però accadere che l’elemento strutturale debba essere previsto in un acciaio di caratteristiche superiori, ad esempio un S275, con la conseguenza che, applicando le tabelle per la classificazione, si finisca per ricadere nella classe 3.

Risultando chiaro che la resistenza di una sezione di classe 2 è inferiore a quella della stessa sezione, ma valutata in classe 3 per via del passaggio dal modulo di resistenza plastico a quello elastico, potrebbe verificarsi la situazione descritta dalla seguente disequazione:

Rd (3) < Sd < Rd (2)

Applicando quindi le tabelle di normativa, si arriverebbe al discutibile risultato in base al quale un elemento strutturale che potrebbe, dal punto di vista della resistenza, essere previsto in classe S235, non sarebbe idoneo se previsto in acciaio S275.

Se invece si considera, nella lettura delle tabelle, come valore di fyk quello minimo che consente la verifica dell’elemento strutturale, il paradosso del risultato sopra descritto potrebbe essere eliminato con facilità.

La conclusione è quindi che, nella lettura delle tabelle 4.2.I, 4.2.II e 4.2.III del D.M. 14.01.2008, il termine “fyk” non è da intendersi come il valore di snervamento del materiale costituente l’elemento strutturale considerato, ma come il minimo valore di snervamento tale da garantire il rispetto di tutte le verifiche (resistenza e stabilità) del suddetto elemento strutturale.

In secondo luogo, nella lettura delle tabelle, occorre considerare la presenza degli stati di sollecitazione composti.

Le classi possono essere anche molto diverse per uno stesso profilo.

Ad esempio, se si considera un elemento IPE200 in acciaio S355, si avrebbe:

  • ala in classe 1 a compressione
  • anima in classe 2 a compressione
  • ala e anima in classe 1 a flessione

La situazione di cui sopra si risolve applicando quanto al punto 4.2.3.1 del D.M. 14.01.2008: “la classe di una sezione composta corrisponde al valore di classe più alto tra quelli dei suoi elementi componenti”. Un profilo IPE200 in S355 va quindi considerato:

  • in classe 2 a compressione
  • in classe 1 a flessione

La differenza fra le classi può però essere ancora più marcata. È il caso, ad esempio, di buona parte dei profili tipo IPE dal 220 in su, che risultano in classe 4 a compressione (dall’IPE220 in acciaio S460 all’IPE 550 in acciaio S235) e in classe 1 a flessione.

In regime di pressoflessione, la prescrizione di cui al suddetto punto 4.2.3.1 del decreto non è applicabile, ma occorre invece seguire le indicazioni fornite dalla tabella 4.2.I in merito alle parti soggette “a flessione e compressione”.

Per una corretta lettura delle tabelle, occorre calcolare i seguenti parametri:

  • a, coefficiente di valore compreso fra 0.5 e 1.0 che definisce l’estensione della parte di anima compressa: detta “c” l’altezza dell’anima, la zona compressa può esprimersi come ac (a = 0.5 flessione pura, a = 1.0 compressione pura)
  • y, coefficiente che esprime il valore della tensione all’estremità del profilo opposta rispetto a quella in cui si raggiunge il valore di snervamento, in modo che le due tensioni possano individuarsi come fy e yfy, con y compreso fra -1 e +1 (y = -1 flessione pura, y = +1 compressione pura)

Il primo dei due coefficienti è impiegato per la descrizione dello stato tensionale nelle sezioni di classe 1 e 2, mentre il secondo è impiegato per le sezioni di classe 3 e 4.

Si faccia riferimento agli schemi sottostanti, in cui i regimi tensionali di pressoflessione complessivi sono descritti come somma di una componente flessionale e di una di compressione.

Per quanto riguarda il coefficiente a, è possibile partire esprimendo il valore dello sforzo normale esterno e l’estensione della zona compressa (sollecitazioni scomposte) come:

Ned = x · tw · fy

x = (2·a – 1) · c

Essendo tw lo spessore dell’anima.

Effettuando gli opportuni passaggi, è possibile ricavare la seguente espressione:

Per quanto invece riguarda il coefficiente y, si possono esprimere le tensioni di estremità come:

fy = s1 + sn

yfy = sn – s1

Da cui si può ricavare:

fy + yfy = s1 + sn + sn – s1 = 2 sn

La tensione sn è anche definibile in funzione dello sforzo normale Ned e dell’area della sezione trasversale:

Quindi si può ottenere l’espressione:

 Ovvero:

Le espressioni ricavate (e, per comodità di lettura, riportate di seguito) consentono quindi di determinare il valore dei coefficienti a e y di una determinata sezione e, di conseguenza, di applicare i criteri di classificazione di cui alla tabella 4.2.I del D.M. 14.01.2008.

Emanuele Ruggerone

Bibliografia

Bernuzzi, “Progetto e verifica delle strutture in acciaio”, Milano, Hoelpli, 2009

Arangio, Bucchi, Bontempi “Progettazione di strutture in acciaio”, Palermo, Flaccovio, 2010

Furiozzi, Messina, Paolini “Prontuario per il calcolo di elementi strutturali”, Firenze, Le Monnier, 2007

Nunziata “Teoria e pratica delle strutture in acciaio”, Palermo, Flaccovio, 2007

Ballio, Mazzolani, “Strutture in acciaio”, Milano, Hoepli, 1996.

 

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