Progettazione strutturale, collegamenti bullonati nei nodi trave–colonna

In generale, i collegamenti bullonati vengono utilizzati principalmente per:prolungare le membrature tramite giunzioni (beam splice, column splice), collegare membrature tipologicamente differenti (beam-to-column joint), collegare le colonne alle fondazioni (column base).

Tramite i collegamenti è possibile dunque trasmettere le caratteristiche di sollecitazione tra le varie membrature collegate. In questo quaderno si farà riferimento ai collegamenti bullonati per i nodi trave-colonna.

Riferimenti normativi
Le normative da seguire per la progettazione delle unioni bullonate sono:
– D.M. 14/01/2008: Norme tecniche per le costruzioni, dal 22/03/2018 il nuovo riferimento normativo italiano è il DM 17/01/2018 Aggiornamento delle “Norme tecniche per le costruzioni”)
– UNI EN 1993-1-8 (Eurocodice 3): Progettazione delle strutture di acciaio – Parte 1-8: Progettazione dei collegamenti.

Influenza nell’analisi della rigidezza dei collegamenti trave-colonna

Classificazione in base al tipo di vincolo

A seconda del tipo di connessione fra le membrature l’Eurocodice 3 individua, dal punto di vista statico, la seguente classificazione (EN 1993-1-8:2005 – 5 Analysis, classification and modelling):
– collegamenti a cerniera (collegamenti semplici)
– collegamenti rigidi e a completo ripristino di resistenza (collegamenti continui)
– collegamenti semirigidi e a parziale o completo ripristino di resistenza (collegamenti semi-continui)

Contributo alla deformazione del collegamento

La configurazione e le proprietà dei collegamenti giocano un ruolo fondamentale nel comportamento del nodo in termini di distribuzione delle sollecitazioni interne. Analizzando la configurazione deformata di un telaio generico sottoposto all’azione di forze orizzontali, è possibile concepire lo spostamento verticale v della trave in campata, attraverso un’equivalenza cinematica, come se fosse prodotto da una forza verticale F applicata nello stesso punto. Di tale spostamento è pertanto possibile individuarne i contributi in funzione delle rispettive proprietà delle membrature (trave e colonna) e del nodo (pannello d’anima della colonna e componenti del collegamento),

v = vb + vc + vj

dove: vb è il contributo della trave, vc è il contributo della colonna, vj = vwp + vconn è il contributo del nodo, fortemente variabile a seconda delle caratteristiche geometriche e meccaniche del nodo.

L’andamento forza-deformazione per le suddette tipologie di nodi è schematizzabile secondo il seguente grafico.

Un telaio può dirsi a nodi rigidi se il moltiplicatore critico elastico αcr non è significativamente influenzato dalla semi-rigidezza dei nodi, potendo dunque trascurare gli effetti del secondo ordine. Secondo il DM 14/01/2008 (cap. 4.2.3.4 Effetti delle deformazioni) è infatti possibile effettuare l’analisi del primo ordine, imponendo l’equilibrio sulla configurazione iniziale della struttura, nei casi in cui possano ritenersi trascurabili gli effetti delle deformazioni sull’entità delle sollecitazioni, sui fenomeni di instabilità e su qualsiasi altro parametro di risposta della struttura. Tale condizione si può assumere verificata se risulta soddisfatta la relazione (4.2.2):

Gli effetti del secondo ordine posso essere più o meno rilevanti a seconda della rigidezza dei collegamenti, la quale gioca quindi un ruolo fondamentale, al pari della resistenza, nella risposta dell’intera struttura. Al paragrafo 5.2.2.5 la EN-1993-1-8 stabilisce i limiti per la classificazione dei nodi diversi da quelli alla base delle colonne, facendo riferimento alla seguente figura.

Per il calcolo della rigidezza rotazionale Sj,ini per nodi che connettono sezioni ad I e H, è necessario fare riferimento alla formula (6.27) presente al paragrafo 6.3 della EN-1993-1-8. A seconda del tipo di collegamento trave-colonna, i nodi possono essere rappresentati dalle relazioni momentorotazione visibili nel grafico precedente, dove:
– Mj è il momento agente nel nodo
– φj è la rotazione del nodo
– Sj è la rigidezza rotazionale del nodo
– Lb è la luce della campata calcolata fra gli interassi delle colonne
– Ib è il momento d’inerzia della sezione della trave
– Mb,pl è il momento resistente plastico della trave

Per i casi in cui il momento trasmesso dal nodo risulti ridotto, il comportamento del collegamento trave-colonna è assimilabile a quello di tipo a cerniera. È importante notare che il momento trasmesso si mantiene piccolo solo se non avviene il contatto fra l’ala inferiore e la colonna e che si verifichi pertanto la seguente condizione:

Il precedente criterio si basa sulle due seguenti assunzioni:
– colonna indeformata
– centro di rotazione all’estremità inferiore della piastra frontale.

Questa è solo una parte dell’approfondimento sui collegamenti bullonati nei nodi trave–colonna, se vuoi scaricarlo tutto clicca qui.