I giunti nelle strutture in acciaio: considerazioni sulla classificazione dei collegamenti

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Nell’ambito delle opere in carpenteria metallica, un collegamento può essere definito come un insieme di parti (profili, piastre e bulloni) che consente di connettere fra di loro due elementi strutturali.

L’importanza dei collegamenti risulta ovvia se si considera che essi debbono essere riportati, nell’ambito progettuale, ai vincoli classici della scienza delle costruzioni e, pertanto, influenzano in modo determinante i risultati del calcolo tanto in termini di sollecitazioni, quanto di deformazioni.

Assimilare un collegamento ad un vincolo sbagliato o, viceversa, progettare un collegamento che non soddisfa i requisiti del vincolo a cui è stato assimilato può comportare grosse incongruenze in un’analisi strutturale.

In generale, quando si connettono due profili metallici a doppia T (la tipologia più diffusa), gli elementi di giunzione possono essere posizionati a collegamento delle anime oppure delle ali delle travi.

Il comportamento complessivo del collegamento, dal punto di vista del vincolo, si riduce a valutare quali possibilità di rotazione il vincolo stesso è in grado di garantire.

Assimilare un collegamento ad una cerniera pura, ad esempio, comporta ammettere che quel collegamento sarà in grado di garantire, sotto qualunque carico di esercizio, lo svilupparsi di una rotazione, all’estremità della trave, non inferiore a quella prevista dalla scienza delle costruzioni.

Esistono molti metodi, anche complessi, ma nessuno è infallibile

Esistono diversi approcci per valutare a quale vincolo assimilare un determinato collegamento, ma si tratta spesso di metodi molto complessi e onerosi dal punto di vista del calcolo.

I parametri in gioco sono moltissimi e, fra questi, senz’altro vanno elencati:

  • rigidezza degli elementi strutturali collegati
  • numero, diametro e disposizione dei bulloni
  • lunghezza degli elementi strutturali collegati e eventuale presenza di ritegni torsionali
  • piatti di imbottitura
  • elementi di collegamento (come i profili a L)
  • eventuali saldature

Un metodo onnicomprensivo comporterebbe una complessità tale da poter essere utilizzato solo con grande difficoltà nella comune pratica progettuale.

Ci si affida spesso a soluzioni predeterminate, come quelle, ad esempio, che assegnano il ruolo di cerniera pura a tutti quei collegamenti trave portante trave portata che prevedono una connessione al solo livello dell’anima.

Le soluzioni “preconfezionate

L’argomento in esame non è certo nuovo ed è stato già oggetto di diverse analisi che hanno prodotto tabelle, grafici o atlanti ai quali è possibile riferirsi per individuare il vincolo con il quale modellare uno specifico collegamento.

Si vedano, a solo titolo di esempio, i seguenti schemi (reperiti presso il seguente link).

 

Valutazioni circa una presunta cerniera

È possibile osservare, mediante un procedimento piuttosto semplice, quali possano essere le possibilità di rotazione effettive garantite da un collegamento.

In primo luogo, si consideri il meccanismo interno di sviluppo del momento resistente in una tipica sezione a doppio T.

In termini numerici, si può riferirsi ad una sezione reale a doppio T avente:

  • piattabanda di spessore hp e larghezza bp
  • anima di altezza hw e spessore bw

A fronte di un momento esterno Med, la distribuzione di tensioni in esercizio può essere valutata tramite il modulo di resistenza elastico (trattandosi di un calcolo in termini di condizioni di servizio, non si adotta il metodo degli stati limite).

La tensione massima, in questo caso, risulta quindi data da:

ed è posizionata in corrispondenza dei lembi superiore e inferiore della piattabanda.

Con riferimento allo schema seguente, si scompone il contributo resistente nelle due componenti separate dovute all’anima e alla piattabanda:

La tensione s1 all’estremità dell’anima risulta uguale a:

I due contributi resistenti possono quindi esprimersi come:

M,p = contributo della piattabanda

M,a = contributo dell’anima

Per qualunque sezione si possono calcolare i due contributi, pervenendo alla conclusione che, in linea di massima:

  • il 90% del momento resistente si sviluppa grazie alle piattabande (contributo M,p)
  • il rimanente 10% si sviluppa grazie all’anima (contributo M,a)

Si riporta di seguito un semplice esempio in tal senso:

base altezza yg
mm mm mm
ptb sup 80 20 170
anima 10 140 90
ptb inf 80 20 10
altezza totale 180 mm
distanza d 160 mm
pos baricentro Yg 90 mm
pos.baricentro Xg 40 mm
mom in Jx 2.29E+07 mm^4
2287.33 cm^4
mom in Jy 1.32E+07 mm^4
1321.83 cm^4
M,ed 100.00 kNm
100000.00 kNmm
W,el 254148.15 mm^3
s 0.39 kN/mmq
s1 0.31 kN/mmq
R,sup 559.60 kN
M,p 89.54 kNm
M,a 10.00 kNm

Si deduce pertanto che solo se un collegamento prevede la connessione dell’anima e delle due piattabande, entrambi i contributi possono svilupparsi e, quindi, si può ritenere corretto ipotizzare la presenza di un incastro.

Al contrario, se mancano del tutto le connessioni a livello delle piattabande, all’interfaccia fra i due elementi strutturali collegati può svilupparsi il solo momento M,a, pari a circa il 10% del totale.

A corredo dell’ultima osservazione si può anche considerare che:

  • se il momento in esercizio ammonta al 10% del massimo che la sezione può sopportare, ovvero è uguale al massimo valore di M,a, il collegamento si comporta come un incastro, perché gli sforzi di estremità possono essere assorbiti senza ricorrere ad alcuna deformazione della sezione;
  • per tutta la parte di momento che sfora rispetto al 10% di cui sopra, il collegamento si comporta come una cerniera, perché, in assenza del contributo M,p esso non è in grado di garantire la copertura degli sforzi di estremità.

Dal punto di vista pratico, quindi, si evidenzia che, se le anime di due elementi strutturali sono connesse nel modo appropriato a garantire la trasmissione di un momento (in termini di disposizione e numero dei bulloni), si può considerare che il collegamento sia in grado di trasmettere almeno il 10% del massimo valore resistente della sezione della trave portata, ovvero esiste un intero campo di sollecitazioni all’interno del quale esso non è assimilabile ad una cerniera pura.

Emanuele Ruggerone

Bibliografia

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

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

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

Carpinteri, “Scienza delle costruzioni”, Bologna, Pitagora, 1993.

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