Forze interne nelle connessioni in acciaio

Le forze di estremità di una membratura del modello di analisi del telaio vengono trasferite alle estremità dei segmenti della membratura. Durante il trasferimento vengono rispettate le eccentricità degli elementi causate dalla progettazione del giunto.

Il modello di analisi creato dal metodo CBFEM corrisponde in modo molto preciso al giunto reale, mentre l'analisi delle forze interne viene eseguita su un modello FEM 3D molto idealizzato, in cui i modelli delle singole travi sono creati utilizzando le linee d’asse e i giunti con nodi immateriali.

Giunto di un pilastro verticale e di una trave orizzontale

Le forze interne sono analizzate utilizzando membrature in 1D nel modello 3D. Nella figura seguente è riportato un esempio di forze interne.

Forze interne nella trave orizzontale; M e V sono le forze di estremità nell'unione

Gli effetti causati da un elemento sull'unione sono importanti per la progettazione dell'unione (connessione). Gli effetti sono illustrati nella figura seguente:

Effetti dell'elemento sull'unione ; il modello CBFEM è disegnato in colore blu scuro

Il momento M e la forza di taglio V agiscono sul giunto teorico. Il punto del giunto teorico non esiste nel modello CBFEM, quindi qui il carico non può essere applicato. Il modello deve essere sottoposto alle forze M e V, che devono essere trasferite all'estremità del segmento nella distanza r

M_c = M – V ∙ r

V_c = V

Nel modello CBFEM, la sezione di estremità del segmento è soggetta al momento M_c e alla forza V_c.

Quando si progetta il giunto, è necessario determinare e rispettare la sua posizione reale rispetto al punto teorico del giunto. Le forze interne nella posizione del giunto reale sono per lo più diverse dalle forze interne nel punto teorico del giunto. Grazie alla precisione del modello CBFEM, la progettazione viene eseguita su forze ridotte; si veda il momento M_r nella figura seguente:

Momento flettente nel modello CBFEM: la freccia indica la posizione reale della connessione

Quando si carica il giunto, la soluzione del giunto reale deve corrispondere al modello teorico utilizzato per il calcolo delle forze interne. Per i giunti rigidi tale condizione è soddisfatta, ma la situazione può essere completamente diversa per le cerniere.

Posizione della cerniera nel modello FEM 3D teorico e nella struttura reale

La figura precedente illustra la posizione della cerniera nel modello teorico degli elementi in 1D, che differisce dalla posizione reale nella struttura. Il modello teorico non corrisponde alla realtà. Quando si applicano le forze interne calcolate, al giunto spostato viene applicato un momento flettente significativo e il giunto progettato risulta troppo grande o non può essere progettato. La soluzione è semplice: entrambi i modelli devono corrispondere. O la cerniera nel modello di membratura in 1D deve essere definita nella posizione corretta, oppure la forza di taglio deve essere spostata per ottenere un momento zero nella posizione della cerniera.

Distribuzione del momento flettente sulla trave spostata: il momento zero è nella posizione della cerniera

Lo spostamento della forza di taglio può essere definito nella tabella per la definizione della forza interna.

La posizione dell'effetto del carico ha una grande influenza sulla corretta progettazione della connessione. Per evitare qualsiasi malinteso, consentiamo all'utente di selezionare tre opzioni: Nodo / Bulloni / Posizione.

Si noti che quando si seleziona l'opzione Nodo, le forze vengono applicate all'estremità di un elemento selezionato, che di solito si trova nel nodo teorico, a meno che l'offset dell'elemento selezionato non sia impostato nella geometria.

Importazione dei carichi da programmi FEA

IDEA StatiCa consente di importare le forze interne da programmi FEA di terze parti. I programmi FEA utilizzano un inviluppo delle forze interne provenienti da combinazioni. IDEA StatiCa Connection è un programma che risolve il giunto in acciaio in modo non lineare (modello elastico/plastico del materiale). Pertanto, non possono essere utilizzate combinazioni di inviluppi. IDEA StatiCa ricerca gli estremi delle forze interne(N, V_y, V_z, M_x, M_y, M_z) in tutte le combinazioni alle estremità di tutti gli elementi collegati al giunto. Per ogni valore estremo, vengono utilizzate anche tutte le altre forze interne di quella combinazione in tutti gli elementi rimanenti. Idea StatiCa determina la combinazione peggiore per ogni componente (piastra, saldatura, bullone ecc.) della connessione.

L'utente può modificare questo elenco di casi di carico. Può lavorare con le combinazioni nella procedura guidata (o nel BIM), oppure può eliminare alcuni casi direttamente in IDEA StatiCa Connection.

Attenzione!

È necessario tenere conto delle forze interne non equilibrate durante l'importazione. Ciò può accadere nei seguenti casi:

• La forza nodale è stata applicata alla posizione del nodo analizzato. Il software non è in grado di individuare quale elemento debba trasferire tale forza nodale e, pertanto, non ne tiene conto nel modello di analisi. Soluzione: Non utilizzare le forze nodali nell'analisi complessiva. Se necessario, la forza deve essere aggiunta manualmente a una membratura selezionata come sforzo normale o di taglio.
• L'elemento caricato non in acciaio (solitamente in legno o calcestruzzo) è collegato al nodo in esame. Tale elemento non viene considerato nell'analisi e le sue forze interne vengono ignorate. Soluzione: Sostituire l'elemento in calcestruzzo con un blocco in calcestruzzo e un ancoraggio.
• Il nodo è una parte di una soletta o di un muro (solitamente in calcestruzzo). La soletta o il muro non fanno parte del modello e le relative forze interne vengono ignorate. Soluzione: Sostituire la soletta o il muro in calcestruzzo con un blocco in calcestruzzo e un ancoraggio.
• Alcune membrature sono collegate al nodo analizzato tramite collegamenti rigidi. Tali membrature non sono incluse nel modello e le loro forze interne vengono ignorate. Soluzione: Aggiungere manualmente queste membrature all'elenco delle membrature collegate.
• Il software analizza i casi di carico sismico. Per la risoluzione della sismicità, la maggior parte dei software FEA dispone dell'analisi modale. Solitamente, i risultati delle forze interne dei casi di carico sismico forniscono solo gli inviluppi delle forze interne nelle sezioni. A causa del metodo di valutazione (radice quadrata della somma dei quadrati), le forze interne sono tutte positive e non è possibile trovare le forze corrispondenti all'estremo selezionato. Non è possibile raggiungere un equilibrio delle forze interne. Soluzione: Modificare manualmente il segno positivo di alcune forze interne.