ACCIAIO _1

STRUTTURE IN ACCIAIO
STRUTTURE
IN ACCIAIO
Parte I
L’acciaio è una lega ferro-carbonio. La quantità di carbonio condiziona la
resistenza e la duttilità (la prima cresce e la seconda diminuisce all’aumentare
del contenuto in carbonio). I più comuni acciai per carpenteria metallica hanno
un contenuto in carbonio molto basso (da 0.17% a 0.22%) e sono quindi
estremamente duttili. Una caratteristica importante
p
è anche la tenacità
dell’acciaio, cioè la sua capacità di evitare rottura fragile alle basse
temperature.
Le normative
i (DM08
(
o Eurocodice
di 3)) impongono
i
li i i alle
limiti
ll caratteristiche
i i h
meccaniche (tensione di rottura e di snervamento) ed all’allungamento a rottura
dei diversi tipi di acciaio, nonché limiti alla resilienza (legati alla temperatura
ed al grado di saldabilità), necessari per garantire la tenacità.
Negli acciai sono contenute anche piccole quantità di manganese e silicio, che
f
favoriscono
i
l saldabilità,
la
ld bili à e di altri
l i elementi
l
i (fosforo,
(f f
zolfo,
lf ecc.)) che
h sono da
d
considerare impurità inevitabili. Per la saldabilità dell’acciaio è importante il
grado di disossidazione: l’ossigeno presente nell’acciaio fuso si combina col
carbonio formando monossido di carbonio CO che nel raffreddamento torna
allo stato gassoso creando diffuse soffiature (l’acciaio viene detto
effervescente);
ff
); l’aggiunta
gg
di alluminio e silicio,, che si combinano con
l’ossigeno formando ossidi che vengono poi eliminati, riduce la formazione di
monossido di carbonio (acciai calmati o semicalmati).
Normativa Italiana
STRUTTURE IN ACCIAIO - STRUTTURE CALCESTRUZZO ARMATO
Aspetti rilevanti nel confronto:
1) Modalità
M d li à costruttive:
i condizionano
di i
il comportamento strutturale,
l la
l scelta
l dei
d i
modelli di calcolo e l’importanza da dare ai dettagli.
2) Rapporto tra resistenza
i
e peso: l’elevato
l’ l
valore
l
per l’acciaio
l’ i i consente
l’adozione di sezioni decisamente ridotte rispetto a quelle usuali per le strutture
in c.a..
Tale aspetto comporta:
- problemi di deformabilità;
-p
problemi di instabilità;;
- maggiore sensibilità a condizioni di carico trascurabili nel calcestruzzo armato;
- rilevanti vantaggi nel caso di grandi luci e in zona sismica.
3) Diverso comportamento a trazione e compressione.
Modalità costruttive:
- C.A.:
C A : realizzazione in opera (maturazione del calcestruzzo),
calcestruzzo) strutture monolitiche;
-Acciaio: facilità e rapidità di montaggio (assemblaggio), necessità di intervenire
con accorgimenti per realizzare strutture continue, importanza dello studio dei
collegamenti.
ll
ti
Deformabilità:
- Resistenza dell’acciaio molto elevata;
- Sezioni molto ridotte.
Instabilità:
- Strutture in acciaio molto snelle:
a) Sensibilità al problema della stabilità in
presenza di aste compresse;
b) Effetti del secondo ordine nell’analisi
Strutturale;
c) influenza della tridimensionalità
sull’instabilità
ll’i
bili à della
d ll struttura.
Elevata
deformabilità
delle
strutture in acciaio rispetto a
quelle in c.a., problemi in
esercizio molto rilevanti (l’EC3
t tt prima
tratta
i
l stato
lo
t t limite
li it di
sevizio e poi quello ultimo).
Sensibilità a schemi di carico
Leggerezza di strutture in acciaio: incidenza meno rilevante del peso proprio
rispetto agli altri carichi (variabili come neve e vento).
Esempio: copertura non praticabile in acciaio:
proprio
p = 0.15 ÷ 0.3 kN/m2 ;
Peso p
Neve = 1.3 kN/m2, Vento = 0.3 ÷ 0.5 kN/m2;
(Neve circa 80 % del carico totale di progetto).
Strutture di grande luce o in zona sismica
• Eventuali p
problemi dovuti a depressione
p
provocata dal vento;;
p
• Possibilità di realizzare con l’acciaio strutture di grande luce;
• Strutture in zona sismica in acciaio: azione sismica ridotta rispetto al c.a.
grazie all
all’elevata
elevata capacità dissipativa dell
dell’acciaio
acciaio (duttilità).
(duttilità)
Comportamento a trazione e compressione
• Per la struttura in acciaio soggetta a compressione: rischio di instabilità
locale, dell’elemento o della struttura.
Diagramma limite M-N: differenza cemento armato - acciaio
ASTE REALI E ASTE IDEALI – IMPERFEZIONI
Le strutture si calcolano nell’ipotesi
p
che l’asta sia “ideale” cioè p
perfettamente
rettilinea, omogenea, isotropa ed esente da stati tensionali interni precedenti
l’applicazione del carico. In realtà le aste prodotte industrialmente presentano
inevitabilmente delle imperfezioni.
Le imperfezioni possono essere:
• meccaniche
• geometriche.
Per le imperfezioni meccaniche, sia nei profili laminati a caldo che in quelli
laminati a freddo e a composizione saldata, sono presenti imperfezioni che
riguardano le caratteristiche meccaniche, quali:
- la presenza di tensioni residue (stati tensionali autoequilibrati nelle sezioni
trasversali);
- la disomogenea distribuzione delle caratteristiche meccaniche nelle sezioni
trasversali e lungo l’asse dei profilati.
Nei profili laminati a caldo le tensioni residue si formano a causa del processo di
raffreddamento successivo alla laminazione (600°C) e possono venire modificate
da eventuali processi termici o da raddrizzamento di natura meccanica.
Nella figura seguente è schematizzato il processo temporale dell’andamento
delloo stato te
de
tensionale
s o a e de
dellaa se
sezione
o e de
del p
profilo
o o a segu
seguito
to de
del suo raffreddamento.
a edda e to.
Con il termine di imperfezioni geometriche si indicano tutte le variazioni di
dimensione o forma dell’asta rispetto alla geometria ideale.
1. Si hanno imperfezioni geometriche della sezione trasversale che dipendono
da:
- variazioni degli spessori e delle dimensioni delle lamiere nei profili saldati;
- mancata ortogonalità degli elementi che compongono le sezioni.
22. Inoltre si osservano imperfezioni geometriche dell
dell’asse
asse dell
dell’asta
asta con la
deviazione dell’asse dell’asta dalla sua posizione ideale perfettamente
rettilinea.
Le imperfezioni geometriche possono condizionare in modo evidente il
comportamento degli elementi strutturali. Le normative impongono di tenerne
conto.
PROFILATI METALLICI
COLONNE O PILASTRI
Colonne saldate
Profilati industriali
tubolari
Profilati industriali
baionetta
Colonne composte
100
50
0
1°
3°
Trim. Trim.
Est
Ovest
Nord
Colonne a sezione variabile
C l t ll t
Calastrellate
tralicciate
LE GIUNZIONI NELLE STRUTTURE METALLICHE
GIUNTI INTERMEDI:
Giunti trave-trave;
trave trave;
Giunti colonna-colonna.
GIUNTI D’ESTREMITÀ:
D ESTREMITÀ:
Giunti tra travi;
Giunti tra trave-colonna;
Giunzioni per controventi;
Giunti di base;
Giunti tra elementi in acciaio ed elementi in calcestruzzo.
MODELLAZIONE DEI GIUNTI:
I giunti a cerniera;
I ggiunti rigidi;
g
I giunti semi-rigidi.
GIUNTI INTERMEDI: giunti trave-trave
a) giunto con piastre in acciaio (flange) saldate
all’estremità di ogni trave e bullonate in opera;
b) giunto con piastre coprigiunto d’ala e d’anima
bullonate in opera;
c) giunto con piastre coprigiunto saldate
(i t
(interamente
t iin opera oppure all’estremità
ll’ t
ità di
una trave in stabilimento e a quella dell’altra in
opera);
d) giunto con saldature testa a testa nelle ali e nell’anima delle estremità delle
travi collegate. Usualmente, per questa soluzione, è conveniente che le
estremità
t
ità delle
d ll travi
t i siano
i
opportunamente
t
t lavorate
l
t in
i officina).
ffi i )
GIUNTI INTERMEDI: giunti colonna-colonna
a) giunto con piastre coprigiunto d’ala doppie (ossia due
ppiastre pper ogni
g ala)) e ppiastre coprigiunto
p g
d’anima
bullonate in opera;
b) giunto con doppie piastre coprigiunto d’ala bullonate
in opera;
c) giunto con piastre coprigiunto d’ala singole e piastre
coprigiunto d’anima bullonate in opera;
d) giunto per contatto con piastre coprigiunto d’ala
i
interne
all profilo
fil e saldate;
ld
e) giunto per contatto con piastre coprigiunto d’ala
i t
interne
all profilo
fil e bullonate;
b ll t
f) giunto per contatto con flangia saldata in stabilimento
all’estremità
all
estremità della colonna inferiore ed in opera alla
colonna superiore;
g) giunto per solo contatto tra flange saldate in
stabilimento all’estremità di ogni colonna;
a) giunto con piatto saldato in stabilimento alla
colonna inferiore irrigidito da costole verticali,
saldate allo scopo di evitare concentrazioni sforzi;
b) giunto con piatto saldato in stabilimento
all’estremità della colonna inferiore, irrigidito da
costole verticali (in corrispondenza delle ali della
colonna superiore) sostenute da costole
orizzontali
i
t li saldate;
ld t
c)
giunto rastremato saldato in officina ad
un’estremità
un
estremità della colonna e in opera all
all’estremità
estremità
dell’altra colonna. Il carico è trasferito mediante
un traliccio costituito da due piastre orizzontali e
da due piatti diagonali,
diagonali di raccordo tra le ali delle
membrature.
GIUNTI D’ESTREMITA’: giunti trave principale-trave secondaria
a) giunto con angolari dd’anima
anima, bullonati all
all’anima
anima sia
della trave principale sia di quella secondaria.
b) giunto con angolari dd’anima
anima, saldati in stabilimento
all’anima della trave secondaria e bullonati in opera a
quella della trave principale.
c) giunto con angolari bullonati all’anima sia della trave
principale sia di quella secondaria;
d) giunto con un piatto saldato in stabilimento all’anima
della trave secondaria e bullonato in opera a quella della
trave principale.
e) giunto con un piatto saldato in stabilimento alla
estremità della trave secondaria e bullonato in opera ad
una flangia saldata alla trave principale opportunamente
irrigidita da costole trasversali elle estremità.
f) giunto
i t con un piatto
i tt saldato
ld t in
i stabilimento
t bili
t all’anima
ll’ i
della trave principale e bullonato in opera a quella della
trave secondaria.
GIUNTI D’ESTREMITA’: giunti trave-colonna
a) giunto realizzato mediante angolari bullonati all’ala
della colonna e all’anima della trave;
b) giunto con piatto saldato in aggetto alla colonna e
bullonato all’anima della trave;
c) giunto con piastra saldata a parte di anima
all’estremità della trave e bullonata alla colonna;
d) giunto con piastra saldata, con cordoni di saldatura
sia d’anima sia d’ala, alla trave e bullonata alla
colonna.
Si osservi che tutte le tipologie di giunto travecolonna
possono
presentare
costolature
di
i i idi
irrigidimento
d l pannello
del
ll d’anima
d’ i
nella
ll colonna,
l
i
in
corrispondenza della ali della trave, necessarie a volte
per non creare zone preferenziali di debolezza del
giunto.
i t
GIUNTI D’ESTREMITA’: giunti per controventi
GIUNTI D’ESTREMITA’: giunti di base
ce e
cerniera
incastro
GIUNTI D’ESTREMITA’: giunti tra elementi in acciaio ed elementi in
calcestruzzo
MODELLAZIONE DEI GIUNTI: i giunti a cerniera
a) piastra saldata in stabilimento all’ala (o all’anima)
della colonna e bullonata in opera all’anima della
trave;
b) angolari bullonati all’ala (o all’anima) della
colonna e all’anima della trave;
c)) piastra
i
saldata
ld
a parte di anima
i
d ll trave e
della
bullonato all’ala (o all’anima) della colonna;
d) angolari bullonati all’ala (o all’anima) della
colonna
l
e all’anima
ll’ i della
d ll trave;
t
e) piastra saldata in aggetto alla colonna alla quale
vengono bullonati piatti in acciaio che consentono il
collegamento con ll’anima
anima della trave (tipico di profili
tubolari);
f) collegamento che garantisce la continuità della
trave ed il trasferimento di sola azione assiale alla
colonna (piastra saldata all’estremità della colonna e
bullonato all’ala inferiore della trave).
MODELLAZIONE DEI GIUNTI: i giunti rigidi (a incastro)
a) nodo di sommità per colonna perimetrale
preparato in stabilimento;
b ) nodo
b-c)
d di sommità
i à per colonna
l
perimetrale
i
l
realizzato saldando piatti forati, inclinati rispetto
all’asse baricentrico di trave e colonna, e
b ll
bullonandoli
d li in
i opera;
d) nodo interno trave-colonna con trave saldata
all’ala della colonna e costole di irrigidimento
interne alla colonna in corrispondenza delle ali
della trave;
e) nodo interno trave-colonna con piastra forata
saldata all
all’estremità
estremità della trave e bullonata all
all’ala
ala
della colonna, dotata come nel caso precedente di
irrigidimenti d’anima;
f) nodo tra la trave alla cui estremità viene saldata
una piastra forata in aggetto e l’anima della
colonna preventivamente forata;
MODELLAZIONE DEI GIUNTI: esempi di nodi trave-colonna
cerniere
i
incastri
ti
incastri
cerniere
cerniere
SOLAI NELLE COSTRUZIONI IN ACCIAIO
L’impalcato può essere realizzato con:
• Pannelli in C.A. o misti con laterizio gettati in opera (soluzione a, b);
• Pannelli in C.A. o misti con laterizio prefabbricati (soluzione c, d);
• Lamiere grecate riempite con materiale inerte (soluzione e);
• Lamiere g
grecate riempite
p con calcestruzzo collaborante (soluzione
(
f).
)
I solai composti in
acciaio-calcestruzzo sono
solitamente costituiti da
una lamiera
l i
grecata
t di
acciaio su cui viene
eseguito un getto di
calcestruzzo normale o
alleggerito.
La lamiera ha la funzione di cassero durante la costruzione e costituisce parte o
tutta l’armatura
l’
l i di l dopo
longitudinale
d
l’i d i
l’indurimento
d l calcestruzzo.
del
l
P i hé non
Poiché
è sufficiente la semplice adesione chimica fra la lamiera e il calcestruzzo, sono
previste opportune lavorazioni superficiali o particolari sagome per garantire
l’aderenza fra acciaio e calcestruzzo.
Altre caratteristiche:
-
leggerezza e riduzione degli ingombri
velocità di realizzazione
f ilità di taglio
facilità
t li e scarsa suscettibilità
ttibilità a problemi
bl i di tolleranze
t ll
facilità nella realizzazione di aperture per il passaggio degli impianti.
Gli spessori della lamiera variano tra 0.7 e 1.5 mm mentre le altezze tra 40 e 80
mm.
P
Pavimento;
i
t
Calcestruzzo alleggerito;
Getto di calcestruzzo;
g
;
Lamiera grecata;
Trave secondaria;
Trave principale;
Controsoffitto.
I solai metallici con soletta di
calcestruzzo sono posizionati
velocemente.
velocemente
Richiedono un contenimento ai
bordi per prevenire la caduta
d l calcestruzzo.
del
l t
Il calcestruzzo è in genere
pompato sulle lamiere del
solaio.
I SISTEMI INTELAIATI A NODI RIGIDI IN ACCIAIO
Soluzione economicamente non conveniente.
conveniente
I SISTEMI INTELAIATI A NODI MOBILI
solaio
Colonna o pilastro
Trave secondaria
T
Trave
principale
i i l
Trave di bordo
Colonna o pilastro
Controvento longitudinale
l i di l
Controvento trasversale
SISTEMI di CONTROVENTAMENTO per TELAI PENDOLARI
Tipologia dei controventi (bracing)
I controventi si possono realizzare secondo varie forme,
come ad esempio
p a X,, K e forme a V. Con controventi a
X (a S. Andrea), le aste sono progettate trascurando il
contributo dell’asta compressa (le aste sono elementi
molto snelli che si instabilizzano con basse forze di
compressione).
Utilizzando controventi a K o V, le aste del controvento
devono essere progettati per resistere a forze di
compressione.
Piatti o angolari possono essere utilizzati per
controventi a X (a S. Andrea) mentre tubolari o sezioni
a H sono generalmente adottati per controventi a K o V.
V
( ) Controvento a S. Andrea;;
(a)
(b) Controvento K;
(c) Controvento V.
Controvento di falda
Vento
Controvento verticale
Reazioni
R
i i in
i fondazione
f d i
dovute al vento
Esempi di Controventamento
Soluzione a: controvento a
croce di S.
S Andrea progettato
non considerando le aste
diagonali compresse. Gli
arcarecci risultano inflessi e
compressi.
a)
Vento
Soluzione b: controventi di
testata con diagonali tese. Gli
arcarecci risultano inflessi ed
eventualmente tesi.
b)
Vento
Vento o sisma
a)
b)
c))
Nucleo di controvento in calcestruzzo armato (a), intelaiato (b) e tralicciato (c).
GIUNTI DI DILATAZIONE
a) Senza giunto con 1 controvento (isostatico);
b) Senza giunto con 1 controvento (isostatico);
c) Senza giunto con 2 controventi (iperstatico);
d) Con 1 giunto e con 2 controventi (isostatico);
e) Con 1 giunto e con 2 controventi (isostatico).