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Questo articolo considera i giunti nominalmente appuntati (connessioni semplici) che sono usati nei telai controventati a più piani nel Regno Unito. Questa forma di costruzione controventata, con giunti nominalmente appuntati, è definita “costruzione semplice”.

L’articolo elenca i tipi di collegamenti semplici che sono più comunemente usati nel Regno Unito. Presenta le procedure per la loro progettazione secondo l’Eurocodice 3 e discute i meriti relativi dei tipi di collegamento delle estremità delle travi. I benefici della standardizzazione delle connessioni vengono discussi per le connessioni trave-trave e trave-colonna utilizzando connessioni con piastra ad alette e con piastra terminale flessibile.

Si discutono anche le giunzioni delle colonne, le basi delle colonne e le connessioni di controventatura insieme a un breve cenno alle connessioni speciali.

Tipi di connessioni semplici

Le connessioni semplici sono connessioni nominalmente appuntate che si assume trasmettano solo il taglio di estremità e abbiano una resistenza trascurabile alla rotazione. Pertanto non trasferiscono momenti significativi allo stato limite ultimo. Questa definizione è alla base della progettazione dei telai a più piani controventati nel Regno Unito, progettati come “costruzione semplice”, in cui le travi sono progettate come semplicemente sostenute e le colonne sono progettate per il carico assiale e i piccoli momenti indotti dalle reazioni di estremità delle travi. La stabilità è fornita al telaio da controventi o dall’anima in calcestruzzo.

Due forme principali di connessione semplice (come mostrato sulla destra) sono usate nel Regno Unito, queste sono:

• Piastre di estremità flessibili e
• Piastre di finitura.

Le connessioni semplici più comuni sono:

• Connessioni trave-trave e trave-colonna usando:
  • Piastre terminali di profondità parziale
  • Piastre terminali di profondità totale
  • Piastre ad alette
• Giunzioni di colonne (piastre di copertura o piastre terminali imbullonate)
• Basi di colonne
• Connessioni di controventatura (piastre a soffietto).

Connessioni semplici possono anche essere necessarie per giunti obliqui, travi eccentriche alle colonne e connessioni alle anime delle colonne. Questi sono classificati come collegamenti speciali e sono trattati separatamente.

Procedure di progettazione

La progettazione dei collegamenti semplici si basa sulla BS EN 1993-1-8 e sul suo allegato nazionale di accompagnamento. Le capacità dei componenti della connessione sono basate sulle regole date nella clausola 3.6. La spaziatura degli elementi di fissaggio è conforme alla clausola 3.5 e segue le raccomandazioni presentate nel “Libro Verde” (SCI P358).

La pubblicazione n. 126 dell’ECCS fornisce anche un’utile guida sulla progettazione di collegamenti semplici all’Eurocodice 3.

Considerazioni sui giunti

Classificazione dei giunti

Secondo BS EN 1993-1-8, giunti nominalmente appuntati:

• devono essere in grado di trasmettere le forze interne, senza sviluppare momenti significativi che potrebbero influenzare negativamente i membri o la struttura nel suo complesso e
• essere in grado di accettare le rotazioni risultanti sotto i carichi di progetto

Inoltre, il giunto deve:

• fornire il vincolo direzionale alle membrature che è stato assunto nel progetto delle membrature
• avere una robustezza sufficiente a soddisfare i requisiti di integrità strutturale (resistenza alla legatura).

BS EN 1993-1-8 richiede che tutte le connessioni siano classificate; per rigidezza, che è appropriata per l’analisi globale elastica, o per forza, che è appropriata per l’analisi globale plastica rigida, o per entrambi rigidezza e forza, che è appropriata per l’analisi globale elastica-plastica.

Classificazione in base alla rigidezza:

La rigidezza rotazionale iniziale della connessione, calcolata secondo la BS EN 1993-1-8 , 6.3.1 viene confrontata con i limiti di classificazione indicati nella BS EN 1993-1-8, 5.2.2.

In alternativa, i giunti possono essere classificati in base a prove sperimentali, esperienza di precedenti prestazioni soddisfacenti in casi simili o da calcoli basati su prove.

Classificazione in base alla resistenza:

I seguenti due requisiti devono essere soddisfatti per classificare una connessione come nominalmente bloccata, in base alla sua resistenza:

• La resistenza al momento di progetto della connessione non supera il 25% della resistenza al momento di progetto richiesta per un giunto a piena resistenza
• Il giunto dovrebbe essere in grado di accettare le rotazioni derivanti dai carichi di progetto.

L’allegato nazionale britannico alla BS EN 1993-1-8 afferma che i collegamenti progettati secondo il “Libro Verde” (SCI P358) possono essere classificati come giunti nominalmente appuntati.

Tutte le connessioni standard fornite nel “Libro Verde” (SCI P358) possono essere classificate come nominalmente appuntate sulla base dei requisiti di resistenza insieme alla vasta esperienza dei dettagli utilizzati nella pratica. Occorre prestare attenzione prima di modificare i dettagli standard, in quanto la connessione risultante potrebbe non rientrare nelle disposizioni dell’allegato nazionale britannico. In particolare:

• La capacità di rotazione dei dettagli standard delle piastre ad alette è stata dimostrata tramite test; i dettagli modificati potrebbero non essere duttili
• Lo spessore delle piastre di estremità a tutta profondità è stato limitato per garantire che la resistenza al momento sia inferiore al 25% di un giunto a piena resistenza, e può quindi essere classificato come nominalmente appuntato.

Integrità strutturale

I regolamenti edilizi del Regno Unito richiedono che tutti gli edifici siano progettati per evitare collassi sproporzionati. Comunemente, questo si ottiene progettando i giunti in una struttura in acciaio (le connessioni trave-colonna e le giunzioni delle colonne) per le forze di vincolo. La guida ai valori di progettazione delle forze di vincolo è fornita nella BS EN 1991-1-7 Allegato A e nel suo allegato nazionale del Regno Unito. I requisiti si riferiscono alla classe dell’edificio, con un valore di progetto della forza di vincolo orizzontale generalmente non inferiore a 75 kN, e solitamente molto più alto. I dettagli delle piastre di estremità a tutta profondità sono stati sviluppati per fornire una maggiore resistenza di vincolo rispetto ai dettagli delle piastre di estremità a profondità parziale. Ulteriori dettagli sulla robustezza strutturale sono presentati in SCI P391.

Selezione dei tipi di connessione

La selezione delle connessioni di estremità delle travi può essere spesso piuttosto complessa. I meriti relativi dei tre tipi di connessione (piastre di estremità a profondità parziale, piastre di estremità a profondità totale e piastre ad alette) sono riassunti nella tabella seguente. La selezione delle travi e delle connessioni è generalmente di competenza dell’appaltatore della carpenteria che sceglierà il tipo di connessione in base al carico di lavoro della fabbricazione, all’economia e alla stabilità temporanea durante il montaggio.

Pavimenti compositi

È riconosciuto che l’interazione con un pavimento composito influenzerà il comportamento di una connessione semplice. La pratica comune è quella di progettare tali connessioni senza utilizzare i benefici della continuità dell’armatura attraverso la soletta di cemento. Tuttavia, SCI P213 permette di tenere conto della continuità dell’armatura nel fornire connessioni relativamente semplici con piastra terminale a tutta profondità con una sostanziale resistenza al momento. In un telaio controventato, questa resistenza può essere usata per ridurre il momento e la deflessione a metà della campata, facilitando la scelta di una trave più piccola.

Costi

Le connessioni semplici sono invariabilmente più economiche da fabbricare rispetto alle connessioni momento-resistenti, perché comportano molto meno sforzo di fabbricazione, in particolare nella saldatura.

Dare una guida specifica sui costi è difficile, poiché le tariffe di lavorazione di un’impresa di carpenteria possono variare notevolmente e dipendono dal livello di investimento in impianti e macchinari. Tuttavia, l’obiettivo principale è quello di minimizzare il contenuto del lavoro. Il costo del materiale per raccordi e bulloni è piccolo rispetto ai costi di lavorazione che sono dominati dal contenuto di saldatura. In una tipica officina di fabbricazione, il costo di fabbricazione dei collegamenti può essere dal 30% al 50% del costo totale di fabbricazione.

Sostenibilità

I collegamenti standardizzati sono efficienti nella loro produzione. Gli appaltatori di opere in acciaio dotano le loro officine di macchinari specializzati che aumentano la velocità di fabbricazione, permettendo loro di produrre i raccordi e preparare le membrature molto più rapidamente di quanto farebbero se la configurazione delle connessioni fosse ogni volta diversa.

I dettagli standardizzati significano che l’opera in acciaio è semplice da montare, il che fornisce un ambiente di lavoro più sicuro per i montatori di acciaio.

A causa della natura della maggior parte dei giunti bullonati, le connessioni sono smontabili alla fine della vita utile della struttura. La carpenteria può essere smontata, riutilizzata o riciclata, riducendo così l’impatto ambientale della costruzione.

Connessioni standardizzate

I vantaggi della standardizzazione

In una tipica struttura a più piani controventata, le connessioni possono rappresentare meno del 5% del peso della struttura e il 30% o più del costo totale. Collegamenti efficienti avranno quindi il più basso contenuto di dettagli, fabbricazione e lavoro di montaggio.

Trave-

Le procedure di progettazione riportate di seguito sono adatte sia per il calcolo manuale che per la preparazione del software.

Progettare le connessioni a mano può essere un processo laborioso e quindi una serie completa di tabelle di resistenza è stata inclusa nel ‘Libro Verde’ (SCI P358).

Verificare la resistenza di un giunto nominalmente appuntato comporta tre fasi:

1. Assicurarsi che il giunto sia dettagliato in modo da sviluppare solo momenti nominali che non influenzino negativamente i membri o il giunto stesso. Il giunto dovrebbe essere dettagliato in modo che si comporti in modo duttile.
2. Identificare il percorso del carico attraverso il giunto, cioè dalla trave all’elemento portante.
3. Verificare la resistenza di ogni componente.

Per la progettazione normale ci sono dieci controlli della procedura di progettazione per tutte le parti di un giunto trave-trave o trave-colonna per il taglio verticale.

Altri sei controlli sono necessari per verificare la resistenza di collegamento del giunto. Le connessioni da trave a colonna devono essere in grado di resistere alle forze di vincolo laterali, a meno che queste forze non siano resistite da altri mezzi all’interno della struttura, come le solette.

La tabella seguente riassume le verifiche della procedura di progettazione richieste per le piastre di estremità a profondità parziale, le piastre di estremità a profondità totale e le piastre ad alette. Le procedure di progettazione sono descritte completamente nel “Libro Verde” (SCI P358).

Piastra terminale

Note:I controlli sulla resistenza alla flessione, al taglio, all’instabilità locale e laterale di una sezione di trave con intaglio sono inclusi in questa tabella poiché è di solito nella fase di dettaglio che viene stabilito il requisito degli intagli, dopo di che, deve essere fatto un controllo sulla sezione ridotta

Connessioni trave-trave

Connessioni trave-colonnaColonna

Connessioni flessibili di estremità

Le connessioni di estremità flessibili tipiche sono mostrate nella figura a destra. La piastra terminale, che può essere a profondità parziale o completa, è saldata alla trave supportata in officina. La trave viene poi imbullonata alla trave o alla colonna portante in loco.

Questo tipo di collegamento è relativamente poco costoso, ma ha lo svantaggio di avere poche possibilità di regolazione in loco. Le lunghezze complessive delle travi devono essere fabbricate entro limiti ristretti, anche se i pacchetti possono essere utilizzati per compensare le tolleranze di fabbricazione e di montaggio.

Le piastre finali sono probabilmente le più popolari tra le connessioni semplici delle travi attualmente in uso nel Regno Unito. Possono essere usate con travi inclinate e possono tollerare offset moderati nei giunti trave-colonna.

Flowdrill, Hollo-Bolts, Blind bolts o altri assemblaggi speciali sono usati per i collegamenti alle colonne a sezione cava.

I requisiti di dettaglio e i controlli di progettazione per le connessioni di piastre di estremità a profondità parziale e piena, che sono applicabili alle connessioni trave-trave così come alle connessioni trave-colonna, sono coperti in modo completo nel ‘Libro Verde’ (SCI P358). Questi includono procedure, esempi lavorati, dettagli e tabelle di resistenza di progetto.

È disponibile anche uno strumento di progettazione delle piastre di estremità.

I dettagli standard delle piastre di estremità flessibili (piastre di estremità a profondità totale e parziale) sono mostrati nella figura seguente, insieme alle dimensioni e ai raccordi raccomandati.

Piastre ad alette

Le connessioni a piastra ad alette sono economiche da produrre e semplici da montare. Queste connessioni sono popolari, poiché possono essere le connessioni più veloci da erigere e superano il problema dei bulloni condivisi nelle connessioni a due lati.

Una connessione a piastra consiste in una lunghezza di piastra saldata in officina all’elemento portante, alla quale l’anima della trave supportata è imbullonata in loco, come mostrato nella figura sottostante. C’è un piccolo spazio tra l’estremità della trave supportata e la colonna portante.

Connessioni a piastra alettata

Nella progettazione di una connessione a piastra alettata è importante identificare la linea di azione appropriata per il taglio. Ci sono due possibilità: o il taglio agisce sulla faccia della colonna o agisce lungo il centro del gruppo di bulloni che collega la piastra ad alette all’anima della trave. Per questo motivo entrambe le sezioni critiche dovrebbero essere controllate per un momento minimo preso come il prodotto del taglio verticale e la distanza tra la faccia della colonna (o l’anima della trave) e il centro del gruppo di bulloni. Entrambe le sezioni critiche sono poi controllate per il momento risultante combinato con il taglio verticale. A causa dell’incertezza del momento applicato alla piastra ad alette, le saldature della piastra ad alette sono dimensionate per essere a piena resistenza.

Le connessioni della piastra ad alette derivano la loro capacità rotazionale in piano dalla deformazione dei bulloni a taglio, dalla distorsione dei fori dei bulloni in appoggio e dalla flessione fuori piano della piastra ad alette. Si noti che le piastre ad alette con lunghe proiezioni hanno la tendenza a torcersi e a cedere per instabilità torsionale laterale. Un controllo aggiuntivo per considerare questo comportamento è incluso nelle procedure di progettazione per le connessioni delle piastre ad alette.

Il ‘Libro Verde’ (SCI P358) copre i requisiti di dettaglio, i controlli di progettazione e le procedure applicabili alla progettazione delle piastre ad alette. In questa pubblicazione sono riportati anche esempi di lavoro e tabelle di resistenza di progetto.

È disponibile anche uno strumento di progettazione delle piastre ad alette.

L’interesse crescente nell’uso dell’S355 per le piastre ad alette ha fatto sorgere domande sulla rigidità di tali connessioni – sono ancora nominalmente bloccate? Per rispondere a questa domanda, BCSA e Steel for Life hanno commissionato a SCI una ricerca che confrontasse il comportamento delle connessioni con piastre ad alette sia con S275 che con S355. Lo studio ha concluso che, finché la geometria di connessione standardizzata presentata nel Libro Verde è rispettata, le piastre ad alette da 10 mm in S355 sono classificate come connessioni nominalmente appuntate e possono essere utilizzate come alternativa alle piastre in S275. Ulteriori informazioni sono disponibili in un articolo nel numero di maggio 2018 della rivista NSC.

Giunti per colonne

Giunti per colonne nella costruzione a più piani sono necessari per fornire resistenza e continuità di rigidità su entrambi gli assi delle colonne. Tipiche giunzioni bullonate per colonne usate per membri laminati a sezione I e a sezione cava sono mostrate nella figura a destra.

Le giunzioni sono tipicamente fornite ogni due o tre piani e sono solitamente situate a circa 600 mm dal livello del pavimento. Questo si traduce in lunghezze convenienti per la fabbricazione, il trasporto e il montaggio, e dà un facile accesso dal piano adiacente per l’imbullonamento in loco. La fornitura di giunzioni ad ogni livello di piano è raramente economica, poiché il risparmio nel materiale della colonna è generalmente molto più grande dei costi del materiale, della fabbricazione e del montaggio della giunzione.

Giunzioni con piastra di copertura bullonata per sezioni a I:

Ci sono due categorie per questo tipo di connessione:

• tipo portante
• tipo non portante.

Nella giunzione tipo portante (vedi figura sotto) i carichi sono trasferiti in appoggio diretto dall’albero superiore o direttamente o attraverso una piastra di divisione. La giunzione “a cuscinetto” è la connessione più semplice, di solito ha meno bulloni della giunzione senza cuscinetto, ed è quindi quella più comunemente usata nella pratica.

Quando non è presente alcuna tensione netta, si può usare una connessione standard, tuttavia la BS EN 1993-1-8 impone il requisito che le piastre e i bulloni della giunzione trasmettano almeno il 25% della forza di compressione massima nella colonna.

Per le giunzioni di tipo portante, la resistenza di legatura è probabilmente il controllo critico.

Giunti classificati come non portanti (vedi figura sotto) trasferiscono i carichi attraverso i bulloni e le piastre di giunzione. Qualsiasi cuscinetto diretto tra i membri è ignorato, la connessione a volte è dettagliata con uno spazio fisico tra i due alberi. La progettazione di una giunzione non portante è più complessa, poiché tutte le forze e i momenti devono essere trasmessi attraverso i bulloni e le piastre di giunzione. Per le giunzioni non portanti, i requisiti minimi della BS EN 1993-1-8 sono molto onerosi, essendo basati sulla capacità delle membrature piuttosto che sulla forza applicata.

Poiché le giunzioni sono generalmente fornite appena sopra il livello del pavimento, il momento dovuto all’azione dei puntoni è considerato insignificante. I momenti indotti nelle giunzioni poste in altre posizioni, tuttavia, dovrebbero essere presi in considerazione.

Giunti di colonna dovrebbero tenere le membrature collegate in linea e, dove possibile, le membrature dovrebbero essere disposte in modo che l’asse centrale del materiale della giunzione coincida con l’asse centrale delle sezioni della colonna sopra e sotto la giunzione. Se le sezioni della colonna sono sfalsate (per esempio per mantenere una linea esterna costante) il momento dovuto all’eccentricità dovrebbe essere tenuto in considerazione nel progetto della giunzione.

I controlli di progettazione richiesti per le giunzioni bullonate di colonne con piastra di copertura, così come le procedure, gli esempi di lavoro, i requisiti di dettaglio e le tabelle di resistenza di progetto sono disponibili nel capitolo 6 del ‘Libro Verde’ (SCI P358).

Giunzioni bullonate ‘cap and base’ o ‘end plate’ per sezioni tubolari e laminate I

Questo tipo di giunzione, che consiste in piastre che sono saldate alle estremità delle colonne inferiori e superiori e poi semplicemente imbullonate insieme sul posto, è comunemente usato nella costruzione tubolare ma può anche essere usato per sezioni aperte.

La forma più semplice di connessione è quella mostrata nella figura a destra ed è soddisfacente finché le estremità di ogni albero sono preparate nello stesso modo di una giunzione di tipo cuscinetto. La possibilità di inversione del carico dovrebbe essere considerata, oltre alla stabilità durante il montaggio e ai requisiti di legatura.

Anche se comunemente usato, è difficile dimostrare che le giunzioni di testa e di base soddisfino i requisiti di BS EN 1993-1-8 clausola 6.2.7.1(14). Se questi tipi di giunzioni sono usati, la pratica comune è di assicurare che le piastre siano spesse e che i bulloni siano posizionati vicino alle flange per aumentare la rigidità della connessione. Possono essere usate piastre estese, con bulloni al di fuori del profilo della sezione. Se le giunzioni di piastre di testa e di base sono situate lontano da un punto di vincolo, occorre prestare particolare attenzione a garantire un’adeguata rigidità in modo da non invalidare il progetto della membratura.

Le giunzioni di colonne “di testa e di base” o “di estremità” sono trattate nel capitolo 6 del “Libro Verde” (SCI P358). Vengono forniti i requisiti di dettaglio, le procedure di progettazione, gli esempi di lavoro e le tabelle di resistenza di progetto.

Basi di colonna