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7.6.4. Criteri di progetto e dettagli per strutture dissipative¶
Indice interno
- Norma
- 7.6.4.1. Criteri generali
- 7.6.4.2. Verifiche di resistenza
- 7.6.4.3. Verifiche di duttilità
- 7.6.4.4. Dettagli costruttivi
- Circolare
- C7.6.4. Criteri di progetto e dettagli per strutture dissipative
Norma¶
7.6.4.1. Criteri generali¶
I criteri generali di progettazione in capacità (§ 7.2.2) si applicano anche alle strutture composte acciaio-calcestruzzo. Le zone dissipative devono essere progettate e dettagliate in modo da garantire la duttilità richiesta dalla classe di duttilità adottata.
7.6.4.2. Verifiche di resistenza¶
La resistenza delle zone non dissipative deve soddisfare la seguente condizione:
dove \(R_{j,d}\) è la resistenza di progetto della zona non dissipativa e \(R_{U,Rd}\) è la resistenza ultima della zona dissipativa adiacente, amplificata con il fattore di sovraresistenza \(\gamma_{Rd}\).
La resistenza a taglio del pannello d'anima della zona di collegamento trave-colonna composta è data da:
dove \(V_{wp,s,Rd}\) è il contributo della parte di acciaio e \(V_{wp,c,Rd}\) è il contributo della parte di calcestruzzo alla resistenza a taglio del pannello d'anima.
7.6.4.3. Verifiche di duttilità¶
Per le membrature composte che costituiscono zone dissipative, il rapporto fra lo sforzo normale di progetto e la resistenza plastica della sezione composta deve soddisfare la seguente limitazione:
Tab. 7.6.I – Rapporti massimi larghezza/spessore per profili metallici compressi in sezioni composte
| Classe di duttilità | Parti interne (anima) | Parti a sbalzo (ala) |
|---|---|---|
| CD"B" | Come Classe 1 EN 1994-1-1 | Come Classe 1 EN 1994-1-1 |
| CD"A" | Come Classe 1 EN 1994-1-1, ridotti del 10% | Come Classe 1 EN 1994-1-1, ridotti del 10% |
I rapporti di snellezza dei profili metallici compressi in sezioni composte non devono superare i limiti della Tab. 7.6.I.
7.6.4.4. Dettagli costruttivi¶
I dettagli costruttivi devono garantire il trasferimento delle forze fra acciaio e calcestruzzo nelle zone critiche. I connettori a taglio devono essere distribuiti in modo da assicurare la completa interazione tra le due componenti.
Circolare¶
C7.6.4. Criteri di progetto e dettagli per strutture dissipative¶
C7.6.4.5. Collegamenti composti nelle zone dissipative¶
I meccanismi che si attivano nelle zone di nodo tra la trave composta e la colonna composta o in acciaio possono essere diversi in base al segno del momento flettente trasferito dalla trave e ad alcuni dettagli costruttivi nella zona nodale.
In particolare, per il nodo esterno, la differenza fondamentale è dovuta alla presenza o meno di una mensola esterna e della trave trasversale (Figura C7.6.1); inoltre nelle zone dissipative delle travi soggette a momento negativo, occorre predisporre armatura metallica ad elevata duttilità, così come schematicamente riportato in Figura C7.6.1.
Figura C7.6.1 — Dettagli di armatura in corrispondenza dei nodi trave-colonna. A1 Nodo esterno; A2 Nodo interno; B Sbalzo in calcestruzzo armato; C Trave in acciaio; D Trave in acciaio trasversale; E Sbalzo in calcestruzzo armato.
La disposizione delle barre d'armatura presentata in Figura C7.6.1 è efficace solo nel caso in cui la connessione tra trave e colonna sia sufficientemente rigida da consentire lo svilupparsi delle cerniere plastiche all'interno delle travi composte.
Nel caso si utilizzino collegamenti metallici travi-colonna a parziale ripristino di resistenza e semi-rigidi per una ottimale distribuzione delle tensioni e per evitare un prematuro collasso della porzione di soletta soggetta a compressione è necessario eseguire una opportuna qualifica, per via sperimentale e/o numerica, del collegamento e progettare su tale base la disposizione dell'armatura in soletta.
Le cerniere plastiche all'interno della trave composta devono avere un comportamento duttile, per cui nel disporre l'armatura di rinforzo in corrispondenza dei nodi trave-colonna composti è necessario:
- eliminare tutti i possibili fenomeni di instabilità dell'equilibrio nei componenti in acciaio e nelle armature;
- evitare la prematura rottura della soletta in calcestruzzo a contatto con la colonna composta.
Per il calcolo delle armature necessarie in soletta devono essere utilizzati metodi di calcolo basati su schemi di equilibrio "puntone-tirante". Inoltre, per favorire una migliore diffusione della sollecitazione di compressione dalla colonna composta alla soletta, è possibile predisporre una piastra supplementare saldata sull'ala della colonna e di larghezza maggiore di quest'ultima, in modo da incrementare la porzione di soletta collaborante nel trasferimento delle sollecitazioni in condizioni sismiche.
C7.6.4.5.1. Modelli resistenti per la soletta soggetta a compressione¶
La configurazione di tutti i meccanismi che si possono attivare in un nodo esterno è illustrata nella Figura C7.6.2, per il caso di momento positivo (a) e di momento negativo (b).
Figura C7.6.2 — Meccanismi attivabili nella soletta: a) Soletta compressa (momento positivo); b) Soletta tesa (momento negativo).
Nel caso di nodi trave-colonna in acciaio, rigidi ed a completo ripristino di resistenza, si osserva che la compressione trasferibile dalla soletta alla colonna (Figura C7.6.2 a) avviene per contatto diretto della soletta sull'ala della colonna, mediante meccanismi resistenti puntone-tirante in corrispondenza dell'anima della colonna, nel caso in cui sia stata realizzata la mensola esterna, con trasferimento sui connettori della trave trasversale, qualora questa sia presente.
Anche quando la trave trasferisce momento negativo (Figura C7.6.2 b), i meccanismi dipendono dalla configurazione del calcestruzzo nella zona di nodo. Se la soletta termina al filo interno della colonna non si può sviluppare alcun meccanismo e quindi la resistenza del nodo si valuta considerando solo la parte in acciaio; se invece si realizza la mensola esterna e si dispone l'armatura circondando la colonna si forma un sistema di puntoni e tiranti; nel caso in cui sia presente una trave trasversale dotata di connettori a taglio si può realizzare un trasferimento diretto ancorando l'armatura tesa ai pioli.
Sulla base di quanto illustrato, in presenza di momento positivo si possono individuare tre meccanismi di trasferimento della compressione dalla soletta alla colonna, che possono essere sommati:
- meccanismo 1 – compressione diretta sull'ala della colonna;
- meccanismo 2 – puntoni inclinati verso l'anima della colonna;
- meccanismo 3 – compressione sui pioli della trave trasversale.
Figura C7.6.3 — Vista in pianta dei meccanismi resistenti attivabili nella soletta compressa (momento positivo).
La forza trasmessa alla colonna dal meccanismo 1 (Figura C7.6.3), si calcola come segue:
dove \(d_{\text{eff}}\) e \(b_b\) sono, rispettivamente, lo spessore e la larghezza della sezione della soletta a contatto con la colonna. Nel caso di soletta realizzata con lamiera grecata \(d_{\text{eff}}\) è lo spessore di calcestruzzo al di sopra delle grecche. Per il completo sviluppo della resistenza \(F_{Rd,1}\) è necessario disporre un quantitativo minimo di armatura di "confinamento" la cui area complessiva deve rispettare la disuguaglianza:
dove \(f_{yd,T}\) è la tensione di snervamento di progetto dell'armatura trasversale disposta in prossimità della colonna ed \(l\) è la luce della trave composta collegata al nodo trave-colonna. La prima barra di armatura trasversale o rete elettrosaldata (se considerata nel calcolo) deve essere posta a non più di 30 mm dalla colonna composta.
La forza trasmessa alla colonna dal meccanismo 2 (Figura C7.6.3), è pari a:
dove \(h_c\) è l'altezza della sezione della colonna. Affinché possano formarsi i due puntoni inclinati del meccanismo 2 è necessario disporre un quantitativo di armatura minimo pari a:
Tale armatura deve essere distribuita su una lunghezza uguale all'altezza \(h_c\) della sezione della colonna e le barre trasversali d'armatura impiegate devono avere una lunghezza almeno pari a \(L = b_b + 4\, h_c + 2\, l_b\), dove \(l_b\) è la lunghezza d'ancoraggio necessaria affinché la singola barra di armatura possa sviluppare la sua tensione di snervamento \(f_{yd,T}\).
La massima compressione \(F_{c,\text{max}}\) trasferibile dalla trave composta alla colonna in un nodo trave-colonna esterno in assenza di trave trasversale e soggetta a momento flettente positivo, è dunque pari a:
Per quanto riguarda il contributo del meccanismo 3, da considerare in caso di trave trasversale collegata con pioli alla soletta, si rimanda al caso del nodo interno trattato successivamente poiché è analogo anche per il nodo esterno.
Nel caso di nodo esterno soggetto a momento negativo, i meccanismi presentati nella figura C7.6.2b si attivano solo in presenza di mensola esterna e possono essere ancora distinti come meccanismo 1, di compressione diretta sull'ala della colonna, meccanismo 2, di diffusione verso l'anima della colonna, meccanismo 3, di ancoraggio dell'armatura quando è presente la trave trasversale.
Si deve rilevare che nel caso di momento negativo la larghezza efficace della trave nella zona di nodo è determinata dall'angolo di diffusione \(\theta\) delle bielle che si formano nella mensola, dipendenti dalla geometria dell'armatura posizionata nella mensola stessa, e in presenza di trave trasversale, dalla zona in cui sono ancorate le barre longitudinali ai pioli.
Pertanto la larghezza efficace della trave per il caso in esame di nodo esterno a momento negativo si deve definire come il minimo tra quella determinata dal suddetto dettaglio costruttivo e quella riportata dalla Tabella 7.6.IV delle NTC.
Nei nodi trave-colonna interni appartenenti a telai progettati per avere un comportamento dissipativo, è necessario limitare la massima forza di compressione trasmissibile alla colonna con i meccanismi 1 e 2. L'assumere in fase di progetto un comportamento dissipativo per una struttura a telaio, impone infatti lo sviluppo delle cerniere plastiche all'estremità delle travi composte; per tale motivo, la massima compressione trasferibile alla colonna dalla trave soggetta a momento flettente positivo deve essere limitata in ragione della massima trazione che le barre d'armatura trasferiscono alla colonna dalla trave soggetta a momento flettente negativo, come mostrato in Figura C7.6.4.
In tal caso, considerando che si raggiunga lo snervamento delle armature prima della crisi del calcestruzzo, la massima compressione \(F_{c,\text{max}}\) trasferibile alla colonna dalla trave composta è pari a:
dove \(2 F_{b,yd}\) è la forza complessiva dovuta allo snervamento delle barre longitudinali disposte sul lato teso della soletta che circonda la colonna composta.
Figura C7.6.4 — Distribuzione a SLU sotto azioni sismiche, delle massime resistenze agenti nella soletta del nodo.
La presenza delle travi secondarie o di travi di bordo meccanicamente connesse con la soletta può rendere possibile un ulteriore meccanismo di trasferimento delle sollecitazioni di compressione (meccanismo 3), utile specialmente nei nodi trave-colonna interni al telaio ed in cui si abbia la presenza delle barre d'armatura in trazione. L'attivazione di questo meccanismo resistente è infatti assicurata dalla resistenza a taglio dei connettori disposti sull'ala superiore della trave secondaria e ricadenti all'interno di una zona di soletta larga \(0{,}15 L\) (Figura C7.6.5) con \(L\) luce della trave.
La resistenza del meccanismo 3 è pari a:
dove \(n\) è il numero dei connettori a taglio presenti all'interno della larghezza collaborante \(0{,}15 L\) mentre \(P_{Rd}\) è la resistenza a taglio del singolo connettore impiegato.
Figura C7.6.5 — Meccanismo 3 — Connettori a taglio sulle travi secondarie.
In conclusione:
- per i nodi trave-colonna perimetrali al telaio, in cui concorre una sola trave composta, la compressione massima \(F_{c,\text{max}}\) trasferibile dalla soletta della trave composta alla colonna, considerando la collaborazione delle travi secondarie connesse a taglio alla soletta, è pari a:
- per i nodi trave-colonna interni al telaio, in cui concorrono due travi composte, la compressione massima \(F_{c,\text{max}}\) trasferibile dalla soletta della trave composta alla colonna è pari a:
Al fine di poter ritenere il giunto composto a completo ripristino di resistenza è necessario che:
a) Il giunto metallico sia sovraresistente a flessione rispetto alla trave metallica (nel rispetto della gerarchia delle resistenze) considerando entrambi i segni del momento flettente. Il pannello d'anima della colonna deve essere sovraresistente a taglio (vedere punto C7.6.4.5.2);
b) La compressione \(F_{sc}\) calcolata come ai punti precedenti in funzione della posizione del giunto (interno o esterno) sia maggiore della massima compressione trasmissibile dalla soletta della trave pari a:
con \(b^*_{\text{eff}}\) pari alla larghezza efficace della trave per il caso in esame di nodo soggetto a momento positivo riportata in Tabella 7.6.IV delle NTC;
c) La compressione \(F_{c,\text{max}}\) calcolata come ai punti precedenti in un giunto esterno soggetto a momento negativo (Figura C7.6.2 b) sia maggiore della massima trazione trasmissibile dalla soletta pari a:
dove \(A_{s,l,\text{totale}}\) rappresenta l'armatura longitudinale contenuta all'interno della larghezza efficace della trave a momento negativo riportata in Tabella 7.6.IV delle NTC;
Tale metodo di calcolo è valido solo per le tipologie di nodo, presentate in questo paragrafo e cioè nodi a completo ripristino di resistenza e rigidi, con colonna parzialmente o completamente rivestita di calcestruzzo e con/senza travi secondarie.
Nel caso si utilizzino colonne di differente geometria o particolari sistemi di connessione tra gli elementi di acciaio concorrenti nel nodo e la soletta, si deve fare riferimento ad altre normative o a documentazione tecnica di comprovata validità.
C7.6.4.5.2. Resistenza dei pannelli d'anima delle colonne composte¶
La resistenza a taglio del pannello d'anima, nel caso dei profili composti parzialmente rivestiti, può essere valutata considerando anche il contributo resistente del riempimento in calcestruzzo localizzato a livello del nodo trave-colonna. Il taglio sollecitante agente sul pannello, \(V_{wp,Sd}\), deve essere calcolato considerando la situazione di maggior cimento. In particolare, sotto azioni sismiche, il pannello d'anima della colonna composta deve consentire lo sviluppo del meccanismo dissipativo globale a telaio assunto in fase di progettazione. Per tale ragione è necessario che la forza di taglio trasmessa dalle travi al pannello d'anima della colonna sia calcolata in condizioni di collasso, secondo lo schema proposto in § C7.5.4.4 per le strutture metalliche.
Per una colonna il contributo del riempimento in calcestruzzo della sezione, \(V_{wp,c,Rd}\), può essere calcolato utilizzando normative e documentazione tecnica di comprovata affidabilità. In alternativa, nel caso delle colonne completamente o parzialmente rivestite, è possibile calcolare tale contributo tramite la formula
dove \(A_C\) rappresenta l'area della sezione del puntone inclinato che si forma, a livello del pannello d'anima della colonna, tra la linea d'azione della risultante delle forze di compressione e la linea d'azione della risultante delle forze di trazione ambedue trasmesse dalla trave composta alla colonna, come mostrato in Figura C7.6.6. L'area della sezione del puntone inclinato è pari a:
dove \(b_c\) è la larghezza del rivestimento in calcestruzzo, \(h\) è l'altezza della sezione della colonna, \(t_f\) e \(t_w\) sono, rispettivamente, lo spessore della flangia e dell'anima del profilo in acciaio, mentre \(z\) è il braccio di coppia interna, misurato tra la linea d'azione della risultante delle compressioni e la linea d'azione della risultante delle trazioni trasmesse dal collegamento trave-colonna al pannello nodale.
Figura C7.6.6 — Definizione del braccio di coppia interna \(Z\) e rappresentazione del puntone di calcestruzzo attivo nell'assorbire le sollecitazioni di taglio.
Il fattore \(\nu\) tiene in conto gli effetti della compressione assiale presente nella colonna riducendo, opportunamente, la resistenza del rivestimento in calcestruzzo in ragione del livello di sforzo presente. Tale coefficiente può essere determinato tramite la formula: