Piastra del fazzoletto: qual è il problema?

Quando si ha la necessità di creare un collegamento con una piastra di rinforzo in modo molto rapido, cosa si fa? Basta aggiungere un rettangolo di lamiera alla trave principale e collegare l'elemento secondario a questa piastra. E il gioco è fatto. Quindi, qual è il problema?

Nessun problema se:

1. si collega un elemento sotto carico di tensione,

2. si dispone di spazio sufficiente per tutti i componenti della connessione

3. non si ha a che fare con l'estetica della connessione.

Il divertimento inizia con la complessità delle connessioni, con la compressione degli elementi e con la pressione sui costi e sull'aspetto estetico del compito.

Tipi connessione base a fazzoletto

La figura seguente mostra le tipiche disposizioni trasversali delle piastre di rinforzo nelle connessioni delle strutture in acciaio.

L'applicazione più comune dei tasselli si trova nelle travi reticolari e nei sistemi di controventamento laterale, dove le diagonali sono collegate attraverso i tasselli.

Che cos'è il tassello e che cosa non lo è

Per un occhio inesperto, potrebbe essere difficile trovare il tassello (o i tasselli) tra tutti i componenti in acciaio del collegamento. Qualcuno potrebbe chiedersi: "Ma non è solo un altro irrigidimento? Ebbene, non lo è.

• I tasselli sono le parti cruciali della struttura, attraverso le quali vengono trasmesse tutte le forze interne dei membri collegati.
• Mentre gli irrigidimenti sono parti importanti necessarie per la corretta rigidità della connessione e per evitare l'instabilità della piastra.
• In parole povere, se il tassello cede, si rischia un disastro. Senza gli irrigidimenti, la struttura sopravvive (almeno per qualche tempo).

Il termine "gusset plate" viene spesso alla ribalta solo dopo il crollo di una struttura o di una sua parte. Il crollo del ponte Interstate 35W nel 2007 è stato uno di questi eventi sfortunati.

In questo caso, il principale responsabile è stato identificato nella progettazione insoddisfacente delle piastre di collegamento delle travi reticolari e nella mancanza di controllo di queste parti di connessione durante le innumerevoli ispezioni del ponte. Si presumeva semplicemente che le travi non fossero il punto più debole del progetto e che le connessioni delle travi fossero più forti delle travi che vi confluiscono. Purtroppo non era così.

I codici di progettazione ci forniscono alcuni manuali su come verificare il progetto delle connessioni a piastra di soffietto. Alcuni esempi di codici di progettazione con specifiche per le piastre di rinforzo:

• AISC 360-16 (Stati Uniti)
• CSA-S16-09 (Canada)
• EN 1993-1-8 (ambiente europeo)

Questi manuali si basano su un approccio analitico, che è abbastanza facile da applicare ma che può richiedere molto tempo con il numero crescente di tipi di connessioni o alternative.

Membrature in trazione

Le connessioni degli elementi in trazione sono, diciamo, quelle più facili. Ma l'ingegnere deve comunque effettuare una serie di controlli sulle piastre di rinforzo. Ad esempio, la sezione trasversale di Whitmore deve essere controllata per le forze di trazione.

Come appare sulla carta:

E nella struttura reale:

Un'altra verifica riguarda la rottura a taglio del blocco in un collegamento, che coinvolge sia componenti di taglio che di tensione ed è specificata nella norma AISC 360 Sez. J4.3. Come progettista di connessioni, è necessario verificare tutti i possibili percorsi di rottura a taglio nelle griglie di bulloni, come si può vedere nell'esempio riportato di seguito.

Un esempio ben preparato di valutazione della resistenza al taglio dei blocchi è disponibile in questo articolo di verifica.

Membrature in compressione

La progettazione delle connessioni a soffietto può diventare uno "sport" completamente diverso quando si tratta di elementi in compressione. Dobbiamo ancora verificare tutte le rotture a taglio, ma il problema dell'instabilità inizia a giocare un ruolo molto più importante.

Un parametro cruciale nella progettazione delle connessioni delle membrature in compressione è il fatto che l'elemento possa o meno oscillare fuori dal piano del soffietto. Questo influenzerà il comportamento del meccanismo di rottura e la creazione di cerniere plastiche nelle piastre. In IDEA StatiCa Connection, è possibile impostare questo comportamento per ogni particolare membro semplicemente selezionando il tipo di modello corretto.

Le modalità di rottura per queste due diverse situazioni sono mostrate nella figura seguente.

Questo problema potrebbe essere risolto anche con un approccio analitico, ma probabilmente si perderebbe molto tempo con ogni singola disposizione delle connessioni. È più probabile che l'ingegnere risparmi tempo prezioso semplicemente evitando questa situazione e aggiungendo degli irrigidimenti. È una soluzione comprensibile, ma costosa.

Un'altra soluzione è quella di utilizzare uno strumento intelligente per la verifica della stabilità di tali connessioni. L'analisi di buckling è una parte elementare dell'applicazione IDEA StatiCa Connection e fornisce forme di buckling e fattori di carico per un numero di forme definito dall'utente.

Ricerca

Nello sviluppo di IDEA StatiCa non c'è posto per un approccio per tentativi ed errori. Tutti i metodi utilizzati nelle applicazioni e nei modelli di calcolo sono verificati su test di strutture reali e ulteriormente analizzati in collaborazione con rinomate università.

Una di queste ricerche è stata dedicata anche alla progettazione di connessioni a piastra di soffietto. I risultati dei test sono stati confrontati con la modellazione CBFEM con un'ottima correlazione. Qui potete trovare il nostro articolo di verifica con i risultati della ricerca.

Come essere efficaci e competitivi

Quali sono quindi le opzioni quando si ha la necessità di progettare connessioni in conformità con le norme, ma anche quando è necessario eseguire i progetti e le verifiche non in mesi ma in settimane? Inoltre, dovete essere flessibili per le revisioni durante il progetto e volete confrontare diverse soluzioni in un tempo ragionevole. Volete anche che i vostri collegamenti siano facilmente assemblabili e non costino una fortuna?

Conoscete già la risposta giusta: dobbiamo utilizzare alcuni strumenti del XXI secolo, che faranno per noi la maggior parte del lavoro non creativo. Se vogliamo avere le mani davvero libere nella progettazione, il numero di opzioni si restringe notevolmente.

Potreste semplicemente provare a usare IDEA StatiCa Connection e scoprireste che è tutto ciò che vi serve per il lavoro. Oppure potete seguire il percorso di apprendimento standard:

• Prima si usano i fogli di calcolo di Excel,
• poi provare un software di connessione più sofisticato basato su fogli di calcolo,
• quando siete ai limiti, passate un po' di tempo a fare esperimenti su qualcosa di ancora più sofisticato,
• magari creare alcuni modelli dettagliati di guscio nelle applicazioni FEA
• e dopo tutte queste prove, scegliete comunque l'applicazione IDEA StatiCa Connection.

Dopo questo percorso, apprezzerete appieno tutti i suoi vantaggi.

Breve video tutorial dedicato alle connessioni con fazzoletti

Quando si parla di stima dei costi, al giorno d'oggi può essere davvero complicato calcolare il prezzo di ogni connessione. Nell'applicazione IDEA StatiCa, queste informazioni vengono fornite quasi come un piacevole effetto collaterale. In questo articolo troverete tutti i suggerimenti necessari per utilizzare questa funzione.

Un altro uso tipico delle piastre a fazzoletto

Grazie all'arrivo della lavorazione CNC anche nelle officine di costruzioni civili, le piastre di rinforzo sono uno dei modi principali per collegare non solo le membrature in acciaio ma anche quelle in legno. Invece di personalizzare le forme complicate delle estremità dei membri, possiamo semplicemente inserire una piastra d'acciaio con dei fori. Le travi in legno vengono preparate con fori e scanalature realizzati con il CNC e il collegamento viene infine assemblato con perni e bulloni in acciaio.

Il livello successivo nell'evoluzione della progettazione strutturale consiste nel combinare i materiali strutturali e utilizzare il meglio delle loro proprietà al posto giusto. È così che sono nate le strutture ibride legno-acciaio. Oltre alla sua naturale bellezza visiva, ci sono molte altre ragioni per il suo utilizzo, come la riduzione dei costi, la minore necessità di protezione antincendio o la riduzione dell'impronta di carbonio.

Se sei interessato alla progettazione acciaio-legno, leggi di più sulle connessioni in legno risolte in IDEA StatiCa Connection nel nostro Support center.

IDEA StatiCa è orgogliosa di essere in prima linea nella progettazione di connessioni e membrature strutturali. Se hai un'idea su come migliorare la progettazione della piastra del fazzoletto, faccelo sapere!