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4.3.5 Colonne composte

Indice interno

• Norma
• 4.3.5.1 Generalità e tipologie
• 4.3.5.2 Rigidezza, snellezza e contributo meccanico
• 4.3.5.3 Resistenza delle sezioni
  • 4.3.5.3.1 Tensioni normali
  • 4.3.5.3.2 Resistenza al taglio
• 4.3.5.4 Stabilità delle membrature
  • 4.3.5.4.1 Colonne compresse
  • 4.3.5.4.2 Instabilità locale
  • 4.3.5.4.3 Colonne pressoinflesse
• 4.3.5.5 Trasferimento degli sforzi
  • 4.3.5.5.1 Resistenza allo scorrimento fra i componenti
• 4.3.5.6 Copriferro e minimi di armatura

Norma

4.3.5.1 Generalità e tipologie

Le colonne composte sono elementi compressi costituiti da profili metallici e calcestruzzo armato collaboranti. Le tipologie principali sono:

Le colonne composte devono soddisfare contemporaneamente i seguenti requisiti:

1. La sezione trasversale deve essere doppiamente simmetrica e costante per tutta la lunghezza della colonna.
2. Il contributo meccanico dell'acciaio strutturale deve soddisfare: \(0{,}2 \leq \delta \leq 0{,}9\).
3. La snellezza adimensionale deve essere \(\bar{\lambda} \leq 2{,}0\).
4. Per le sezioni parzialmente incamiciate, le ali del profilo devono sporgere in modo da garantire un adeguato copriferro e ancoraggio delle staffe.
5. Il calcestruzzo deve essere almeno di classe C20/25 (o LC20/22 per alleggerito).
6. L'armatura longitudinale minima deve essere conforme alle prescrizioni del §4.3.5.6.
7. La percentuale di acciaio strutturale deve essere computata rispetto alla sezione totale composta.

4.3.5.2 Rigidezza, snellezza e contributo meccanico

Il contributo meccanico dell'acciaio strutturale è:

\[\delta = \frac{A_a \cdot f_{yk}/\gamma_A}{N_{pl,Rd}} \tag{4.3.15}\]

La rigidezza flessionale efficace per il calcolo della snellezza è:

\[(EJ)_{eff} = E_a \cdot I_a + E_s \cdot I_s + K_e \cdot E_{c,eff} \cdot I_c \tag{4.3.16}\]

con \(K_e = 0{,}6\) e modulo efficace del calcestruzzo:

\[E_{c,eff} = E_{cm} / \left(1 + \frac{N_{G,Ed}}{N_{Ed}} \cdot \varphi_t\right) \tag{4.3.17}\]

dove \(N_{G,Ed}\) è la parte permanente del carico assiale e \(\varphi_t\) il coefficiente di viscosità finale.

La snellezza adimensionale è:

\[\bar{\lambda} = \sqrt{\frac{N_{pl,Rk}}{N_{cr}}} \tag{4.3.18}\]

Il carico plastico caratteristico è:

\[N_{pl,Rk} = A_a \cdot f_{yk} + A_c \cdot f_{ck} + A_s \cdot f_{sk} \tag{4.3.19}\]

La rigidezza flessionale efficace per l'analisi di secondo ordine vale:

\[(EI)_{eff,II} = 0{,}9 \cdot \left(E_a \cdot I_a + E_s \cdot I_s + K_{e,II} \cdot E_{c,eff} \cdot I_c\right) \tag{4.3.20}\]

con \(K_{e,II} = 0{,}5\).

4.3.5.3 Resistenza delle sezioni

4.3.5.3.1 Tensioni normali

La resistenza plastica di progetto a compressione pura della sezione composta è:

\[N_{pl,Rd} = A_a \cdot \frac{f_{yk}}{\gamma_A} + A_c \cdot 0{,}85 \cdot \frac{f_{ck}}{\gamma_C} + A_s \cdot \frac{f_{sk}}{\gamma_S} \tag{4.3.21}\]

Effetto del confinamento per sezioni cave circolari riempite

Per sezioni cave circolari riempite, quando la snellezza \(\bar{\lambda} \leq 0{,}5\), si può tener conto dell'incremento di resistenza del calcestruzzo dovuto al confinamento:

\[N_{pl,Rd} = \eta_a \cdot A_a \cdot \frac{f_{yk}}{\gamma_A} + A_c \cdot f_{ck} \cdot \frac{1 + \eta_c \cdot t \cdot f_{yk}}{d \cdot f_{ck} \cdot \gamma_C} + A_s \cdot \frac{f_{sk}}{\gamma_S} \tag{4.3.22}\]

con i coefficienti \(\eta_a\) ed \(\eta_c\) dipendenti dall'eccentricità relativa \(e/d\):

\[\eta_{a0} = 0{,}25\,(3 + 2\bar{\lambda}) \leq 1{,}0 \tag{4.3.23a}\]

\[\eta_{c0} = 4{,}9 - 18{,}5\bar{\lambda} + 17\bar{\lambda}^2 \geq 0 \tag{4.3.23b}\]

Per eccentricità \(e > 0\):

\[\eta_a = \eta_{a0} + (1 - \eta_{a0}) \cdot \frac{10e}{d} \tag{4.3.24a}\]

\[\eta_c = \eta_{c0} \cdot \left(1 - \frac{10e}{d}\right) \tag{4.3.24b}\]

Interazione N-M

Il momento resistente di progetto per un dato sforzo normale \(N_{Ed}\) è:

\[N_{pl,Rd,\,semplificato} = N_{pl,Rd} \tag{4.3.25}\]

\[M_{pl,Rd}(N_{Ed}) = \mu_d \cdot M_{pl,Rd} \tag{4.3.26}\]

dove \(\mu_d\) è il coefficiente ricavato dal diagramma di interazione adimensionale \(N/N_{pl,Rd}\)–\(M/M_{pl,Rd}\).

Per la verifica a pressoflessione biassiale:

\[\frac{M_{y,Ed}}{M_{pl,y,Rd}(N_{Ed})} + \frac{M_{z,Ed}}{M_{pl,z,Rd}(N_{Ed})} \leq 1{,}0 \tag{4.3.27}\]

4.3.5.3.2 Resistenza al taglio

Il taglio di progetto è ripartito tra la sezione metallica e il nucleo di calcestruzzo armato. La quota assegnata alla sezione metallica \(V_{a,Ed}\) e quella assegnata al calcestruzzo \(V_{c,Ed}\) si determinano in proporzione alle rispettive rigidezze flessurali:

\[\frac{V_{a,Ed}}{V_{c,Ed}} = \frac{E_a \cdot I_a}{E_{c,eff} \cdot I_c} \tag{4.3.28}\]

La resistenza a taglio della sezione metallica si verifica secondo il §4.2.4.1.2 e quella della sezione di calcestruzzo armato secondo il §4.1.2.3.2.

4.3.5.4 Stabilità delle membrature

4.3.5.4.1 Colonne compresse

La resistenza di progetto a compressione con instabilità è:

\[N_{b,Rd} = \chi \cdot N_{pl,Rd} \tag{4.3.29}\]

Il fattore di riduzione \(\chi\) per l'instabilità si ricava in funzione di \(\bar{\lambda}\):

\[\chi = \frac{1}{\Phi + \sqrt{\Phi^2 - \bar{\lambda}^2}} \leq 1{,}0 \tag{4.3.30}\]

con \(\Phi = 0{,}5 \cdot [1 + \alpha_I(\bar{\lambda} - 0{,}2) + \bar{\lambda}^2]\).

Tabella 4.3.III — Curve di instabilità e imperfezioni geometriche equivalenti per colonne composte

Tabella 4.3.III - Curve di instabilità e fattori di imperfezione

4.3.5.4.2 Instabilità locale

Per garantire l'efficacia del confinamento e prevenire l'instabilità locale delle pareti metalliche, occorre rispettare i seguenti limiti sul rapporto diametro/spessore o larghezza/spessore:

Per sezioni cave circolari riempite:

\[\frac{d}{t} \leq 90 \cdot \frac{235}{f_{yk}} \tag{4.3.31}\]

Per sezioni cave rettangolari riempite:

\[\frac{h}{t} \leq 52 \cdot \sqrt{\frac{235}{f_{yk}}} \tag{4.3.32}\]

Per ali di sezioni parzialmente incamiciate:

\[\frac{b}{2t_f} \leq 44 \cdot \sqrt{\frac{235}{f_{yk}}} \tag{4.3.33}\]

Per anime di sezioni parzialmente incamiciate:

\[\frac{h_w}{t_w} \leq 124 \cdot \sqrt{\frac{235}{f_{yk}}} \tag{4.3.34}\]

4.3.5.4.3 Colonne pressoinflesse

Per colonne soggette a pressoflessione la verifica di stabilità si esegue con:

\[M_{Ed} \leq \alpha_M \cdot M_{pl,Rd}(N_{Ed}) \tag{4.3.35}\]

dove il momento amplificato tiene conto degli effetti di secondo ordine mediante il fattore \(k\):

\[k = \frac{\beta}{1 - N_{Ed}/N_{cr,eff}} \tag{4.3.36}\]

con:

\[\beta = \max\!\left(1 - \frac{N_{Ed}}{N_{cr}},\; 0{,}66\right) \tag{4.3.37}\]

Il coefficiente \(\alpha_M\) vale 0,9 per acciaio S235 e S355 e 0,8 per acciaio S420 e S460.

4.3.5.5 Trasferimento degli sforzi

Il trasferimento delle forze dalla testa della colonna alla sezione composta deve avvenire attraverso l'interfaccia acciaio-calcestruzzo. Le tensioni di aderenza limite ammesse sull'interfaccia sono:

Tipo di sezione	\(\tau_{Rd}\) (MPa)
Completamente incamiciata	0,30
Cava circolare riempita	0,55
Cava rettangolare riempita	0,40
Parzialmente incamiciata — ali	0,20
Parzialmente incamiciata — anima	0,00

Quando le tensioni di aderenza sono insufficienti, occorre disporre connettori a piolo per il trasferimento delle forze di interfaccia.

4.3.5.5.1 Resistenza allo scorrimento fra i componenti

La resistenza allo scorrimento deve essere verificata nelle zone di introduzione dei carichi e agli estremi della colonna. La forza di taglio longitudinale \(V_{l,Ed}\) da trasferire deve essere inferiore alla resistenza di contatto \(\tau_{Rd} \cdot A_{contatto}\) oppure alla resistenza dei connettori.

4.3.5.6 Copriferro e minimi di armatura

Il copriferro minimo dell'armatura longitudinale deve essere:

• 40 mm per la sezione completamente o parzialmente incamiciata;
• non superiore a 1/6 della larghezza dell'ala del profilo metallico.

Il rapporto minimo di armatura longitudinale rispetto all'area del calcestruzzo è 0,3%. Il rapporto massimo è 6% (o 9% in zone di sovrapposizione).