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In questo articolo vogliamo mostrare cosa è stato pubblicato su Costruzioni Metalliche riguardo ad un tema molto importante nell’ambito delle strutture in acciaio: le CONNESSIONI STRUTTURALI.
Le connessioni non solo collegano tra loro elementi strutturali in acciaio (trave con trave, trave con colonna, e così via), ma anche, per esempio, realizzano i collegamenti tra acciaio e vetro, che si trovano principalmente nei rivestimenti, nella “pelle” degli edifici.
Le connessioni sono certamente importanti per una serie di ragioni che proviamo ad enumerare:
• caratterizzano esteticamente la struttura: in genere la funzionalità è anche un valore estetico;
• consentono una costruzione economica, attraverso la scelta della metodologia costruttiva più adatta alla carpenteria che deve eseguirli (saldare o bullonare?), ed anche attraverso una auspicabile standardizzazione (se usiamo pochi spessori per i piatti di nodo, pochi profili per gli angolari di collegamento, pochi diametri per i bulloni, c’è sicuramente un vantaggio economico);
• consentono un montaggio sicuro, semplice e rapido delle strutture, soprattutto se facilitano il rispetto delle tolleranze di montaggio;
• devono consentire un adeguato passaggio delle azioni interne e la realizzazione delle ipotesi di vincolo fatte dal progettista (le cerniere devono poter ruotare, gli incastri invece no) senza troppe complicazioni costruttive e senza spreco di materiale;
• nelle strutture dissipative, devono essere robuste abbastanza per consentire la dissipazione dell’energia nelle aste, e duttili abbastanza per consentire le notevoli rotazioni che si hanno durante un sisma.
Proprio su quest’ultimo argomento, Ballio, Mazzolani, Calado, De Martino e Faella scrivevano, nel 1987, questo articolo: “Indagine sperimentale sul comportamento ciclico di nodi trave-colonna in acciaio (CM 2/1987)”
In epoca più recente troviamo l’articolo di Castiglioni, Crespi e Tsionis: “Dissipazione di energia in nodi trave-colonna saldati: Risultati teorici e sperimentali (CM 4/2005)” e quello di Pucinotti, Tondini e Zanon: “Prestazione sismica di giunti con colonne ad alta resistenza (CM 2/2012)”
Il comportamento del pannello d’anima nel collegamento trave-colonna è di grande importanza per il funzionamento della connessione. Esso infatti deve consentire, mediante azioni di taglio, il trasferimento del momento flettente delle travi alle colonne, reggendo alle robuste sollecitazioni ricevute quando le travi, sotto l’azione di un sisma di notevole intensità, formano delle cerniere plastiche alle estremità. Brandonisio, De Luca ed Elena Mele hanno affrontato più volte il problema sulle pagine di Costruzioni Metalliche:
“Il pannello d’anima nei collegamenti trave-colonna:confronto tra modelli e sperimentazioni (CM 1/2007)”
“Resistenza e stabilità dei pannelli nodali: confronto tra norma, sperimentazioni e analisi numeriche (CM 1/2013)”.
“Comportamento ciclico del pannello nodale nei collegamenti trave-colonna di acciaio (CM 2/2016)”.
Importantissimo è lo studio del comportamento delle strutture in acciaio in caso di incendio. Bursi, Ferrario, Pucinotti e Zandonini si sono occupati in particolare della resistenza al fuoco di giunti bullonati o saldati, dopo che questi sono stati sollecitati severamente da un evento sismico:
“Resistenza al fuoco post terremoto di giunti saldati (CM 2/2010)”;
“Resistenza al fuoco post terremoto di giunti bullonati (CM 3/2010)“.
Nel campo dei nodi dissipativi in campo sismico, studi importanti sono stati condotti circa l’adozione di nodi con dissipatori ad attrito (o di altro genere) e con possibilità di essere sostituiti dopo un forte sisma in modo da eseguire operazioni di manutenzione relativamente poco onerose sulle strutture e poterle recuperare. Vincenzo Piluso (assieme a Ariano, Latour, Nastri e Rizzano) ha pubblicato due articoli a riguardo:
“Prospettive di impiego di collegamenti equipaggiati con dissipatori ad attrito nella progettazione delle strutture sismo-resistenti (CM 3/2015)“;
“COLLEGAMENTI “SMART” PER TELAI SISMO-RESISTENTI: una breve panoramica (CM 3/2018)”.
Le connessioni devono consentire il transito delle azioni interne degli elementi strutturali che confluiscono in essa. Come si fa a conoscere quali forze si applicano a ciascun componente di una connessione?
Difficilissimo rispondere a questa domanda. Una connessione è formata in genere da elementi tozzi (piatti di nodo, costole, irrigidenti, etc.), da elementi speciali quali bulloni e saldature, è dotata di giochi foro-bullone non noti a priori, può avere degli attriti tra le sue varie parti, può dar luogo a parziali plasticizzazioni. Tutto ciò impedisce di conoscere esattamente la distribuzione interna degli sforzi.
Ma è poi così importante conoscerla? Il teorema statico dell’analisi limite ci rassicura a riguardo, dicendoci che, se nella connessione è garantita la duttilità, basta ipotizzare distribuzioni equilibrate di forze e trascurare la congruenza, e dimensionare per queste forze i vari componenti. Si otterrà così una connessione che è più sicura (cioè che porta un carico maggiore) di quella ottenuta tenendo conto non solo dell’equilibrio ma anche della congruenza delle varie parti. Con in tasca questa assicurazione che ci viene dal calcolo limite, si possono allora sviluppare procedure di calcolo semplici e immediate per progettare i dettagli o per controllare i risultati di metodi progettuali più complessi. Ed è quello che si è sempre fatto nel campo del calcolo delle connessioni.
È quindi indifferente scegliere uno schema di distribuzione delle azioni all’interno di una connessione piuttosto che un altro, purché siano equilibrati? Certamente sì, però si possono individuare, tra gli schemi equilibrati, quelli che conducono alla realizzazione più economica di una connessione.
Un esempio di ciò lo trovate nell’articolo di Benedetto Cordova sul dimensionamento delle connessioni dei controventi, che riporta i suggerimenti delle norme AISC al riguardo: “IL DIMENSIONAMENTO DELLE CONNESSIONI DEI CONTROVENTI NEGLI EDIFICI IN ACCIAIO (CM 3/2018)”. Scegliere una soluzione equilibrata piuttosto che un’altra, entrambe corrette, porta a un diverso piatto di connessione e a un diverso numero di bulloni che lo connettono alla trave e/o alla colonna, quindi a soluzioni di costo diverso. Il problema di trovare la soluzione meno costosa, trascurato nella letteratura tecnica europea, è stato invece affrontato dall’AISC, ed è proprio di questo che parla l’articolo.
Un altro articolo dello stesso autore mostra la procedura di calcolo per i giunti trave-colonna con colonne tubolari, così come proposta dal CIDECT, una associazione che fornisce ai progettisti assistenza tecnica, esempi di progettazione e informazioni sull’utilizzo di profilati tubolari. L’articolo in oggetto è: “I giunti trave – colonna tubolare nei telai sismoresistenti dissipativi in accordo alla design guide n. 9 del Cidect (CM 1/2016)“.
Le guide complete del CIDECT si possono scaricare cliccando qui.
Accanto all’impiego di procedure semplici di calcolo delle connessioni, alcuni progettisti ricorrono a modellazioni m
olto dettagliate agli elementi finiti per cogliere il reale comportamento delle connessioni. Su Costruzioni Metalliche troviamo al riguardo i seguenti articoli:
“Matteo Lusso – MODELLAZIONE DI DETTAGLIO DI NODI STRUTTURALI IN ACCIAIO (CM 3/2018)“;
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A volte la variazione di qualche parametro di una di quelle connessioni per le quali esistono delle procedure di calcolo semplici e consolidate, può alterare la distribuzione degli sforzi, e pertanto occorre analizzare il problema con attenzione. È il caso dei nodi che connettono al colmo i traversi dei portali di un grosso capannone, progettato da Alberto Iacomussi e illustrato nell’articolo “Le infrastrutture per la costruzione di gigayachts a Livorno (CM 6/2016)”.
Si tratta della tipica connessione di continuità di una trave a I o H realizzata mediante coprigiunti bullonati su ali ed anima, qui impiegata nella meno solita disposizione in cui gli assi delle due travi da connettere formano un lieve angolo tra di loro (che serve per dare pendenza alla copertura).
Discutendo infatti il dettaglio illustrato nell’articolo citato, Carlo Urbano mostra come, con semplici calcoli manuali, si possano trovare gli sforzi aggiuntivi dovuti all’angolo tra i profili (flessione sui coprigiunti delle ali). In risposta, Emanuele Chionetti mostra come il dimensionamento del nodo sia stato effettuato con un sofisticato modello ad elementi finiti, proprio per tener conto di tutti i fenomeni legati alla disposizione “non-ortodossa”:
“Carlo Urbano – ALCUNE OSSERVAZIONI che traggono spunto dall’articolo “Le infrastrutture per la costruzione di gigayachts a Livorno” apparso sul n. 6 / 2016 della rivista Costruzioni Metalliche (CM 3/2018)”;
Un metodo di calcolo delle connessioni diverso dagli altri, basato sempre su concetti di equilibrio ma capace di tener conto di tutte le componenti di carico e di tutti gli elementi che costituiscono una connessione, è stato messo a punto da Paolo Rugarli, applicato in un software e illustrato in un libro. Di tutto ciò si parla nell’articolo:
“METODI GENERALI PER IL CALCOLO DELLE CONNESSIONI (CM 3/2018)“.
Dicevamo della bellezza dei dettagli che si esplica specialmente nell’accoppiamento acciaio-vetro. A tal proposito Andrea Campioli ha parlato del dettaglio costruttivo nel percorso evolutivo di oltre un secolo delle architetture acciaio e vetro, con riferimento specialmente a serre ed edifici per grandi esposizioni: “LE PARTI E IL TUTTO Il dettaglio costruttivo nel percorso evolutivo delle architetture acciaio e vetro (CM 3/2018)”
Ancora sulle connessioni, troviamo i seguenti articoli:
“Emanuele Maiorana – Le giunzioni bullonate negli impalcati da ponte: normative, confronti, esempi applicativi (CM 4/2007)“;
Una realizzazione economica delle connessioni, oltre che attraverso la scelta più opportuna del metodo costruttivo, passa anche, e forse soprattutto, attraverso una standardizzazione delle connessioni. Il problema è sempre stato sentito molto dagli inglesi che usano moltissimo (molto più di noi) l’acciaio nelle costruzioni. Se si vuole avere un’idea di come oltre Manica hanno standardizzato, ad esempio, le connessioni a taglio delle travi, si consulti il “green book” “Joints in steel construction: Simple Joints to Eurocode 3”, che è un manuale inglese pubblicato dallo SCI (Steel Construction Institute) e dalla BCSA (British Constructional Steelwork Association) nel 2011. Di esso, e delle principali pubblicazioni relative al calcolo delle connessioni, Costruzioni Metalliche ha parlato in: “BREVE BIBLIOGRAFIA di testi relativi al calcolo delle connessioni di strutture in acciaio (CM 3/2018)“.
Altre recensioni di testi relativi alle connessioni si trovano infine nei seguenti articoli: