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STRUTTURE IN ACCIAIOSTRUTTURE IN ACCIAIOParte I

L’acciaio è una lega ferro-carbonio. La quantità di carbonio condiziona laresistenza e la duttilità (la prima cresce e la seconda diminuisce all’aumentaredel contenuto in carbonio). I più comuni acciai per carpenteria metallica hannoun contenuto in carbonio molto basso (da 0.17% a 0.22%) e sono quindiestremamente duttili. Una caratteristica importante è anche la tenacitàpdell’acciaio, cioè la sua capacità di evitare rottura fragile alle bassetemperature.

i ( di ) i li i i ll i i hLe normative (DM08 o Eurocodice 3) impongono limiti alle caratteristichemeccaniche (tensione di rottura e di snervamento) ed all’allungamento a rotturadei diversi tipi di acciaio, nonché limiti alla resilienza (legati alla temperaturaed al grado di saldabilità), necessari per garantire la tenacità.

Negli acciai sono contenute anche piccole quantità di manganese e silicio, chef i l ld bili à di l i l i (f f lf ) h dfavoriscono la saldabilità, e di altri elementi (fosforo, zolfo, ecc.) che sono daconsiderare impurità inevitabili. Per la saldabilità dell’acciaio è importante ilgrado di disossidazione: l’ossigeno presente nell’acciaio fuso si combina colcarbonio formando monossido di carbonio CO che nel raffreddamento tornaallo stato gassoso creando diffuse soffiature (l’acciaio viene dettoeffervescente); l’aggiunta di alluminio e silicio, che si combinano conff ); gg ,l’ossigeno formando ossidi che vengono poi eliminati, riduce la formazione dimonossido di carbonio (acciai calmati o semicalmati).

Normativa Italiana

STRUTTURE IN ACCIAIO - STRUTTURE CALCESTRUZZO ARMATO

Aspetti rilevanti nel confronto:

1) M d li à i di i il l l l d i1) Modalità costruttive: condizionano il comportamento strutturale, la scelta deimodelli di calcolo e l’importanza da dare ai dettagli.

2) i l’ l l l’ i i2) Rapporto tra resistenza e peso: l’elevato valore per l’acciaio consentel’adozione di sezioni decisamente ridotte rispetto a quelle usuali per le strutturein c.a..Tale aspetto comporta:- problemi di deformabilità;- problemi di instabilità;p ;- 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 : realizzazione in opera (maturazione del calcestruzzo) strutture monolitiche;- C.A.: realizzazione in opera (maturazione del calcestruzzo), strutture monolitiche;

-Acciaio: facilità e rapidità di montaggio (assemblaggio), necessità di intervenirecon accorgimenti per realizzare strutture continue, importanza dello studio dei

ll ticollegamenti.

Elevata deformabilità dellestrutture in acciaio rispetto astrutture in acciaio rispetto aquelle in c.a., problemi inesercizio molto rilevanti (l’EC3t tt i l t t li it di

Deformabilità:- Resistenza dell’acciaio molto elevata;- Sezioni molto ridotte.

tratta prima lo stato limite disevizio e poi quello ultimo).Instabilità:

- Strutture in acciaio molto snelle:- Strutture in acciaio molto snelle:a) Sensibilità al problema della stabilità inpresenza di aste compresse;b) Effetti del secondo ordine nell’analisib) Effetti del secondo ordine nell’analisiStrutturale;c) influenza della tridimensionalità

ll’i bili à d llsull’instabilità della struttura.

Sensibilità a schemi di caricoLeggerezza di strutture in acciaio: incidenza meno rilevante del peso propriorispetto agli altri carichi (variabili come neve e vento).Esempio: copertura non praticabile in acciaio:Peso proprio = 0.15 ÷ 0.3 kN/m2 ;p 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 problemi dovuti a depressione provocata dal vento;p p 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’elevata capacità dissipativa dell’acciaio (duttilità)grazie all elevata capacità dissipativa dell acciaio (duttilità).

Comportamento a trazione e compressioneComportamento 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 che l’asta sia “ideale” cioè perfettamentep prettilinea, omogenea, isotropa ed esente da stati tensionali interni precedentil’applicazione del carico. In realtà le aste prodotte industrialmente presentanoinevitabilmente delle imperfezioni.inevitabilmente delle imperfezioni.Le imperfezioni possono essere:• meccaniche• geometriche.Per le imperfezioni meccaniche, sia nei profili laminati a caldo che in quellilaminati a freddo e a composizione saldata, sono presenti imperfezioni chelaminati a freddo e a composizione saldata, sono presenti imperfezioni cheriguardano le caratteristiche meccaniche, quali:- la presenza di tensioni residue (stati tensionali autoequilibrati nelle sezionitrasversali);trasversali);- la disomogenea distribuzione delle caratteristiche meccaniche nelle sezionitrasversali e lungo l’asse dei profilati.

Nei profili laminati a caldo le tensioni residue si formano a causa del processo diraffreddamento successivo alla laminazione (600°C) e possono venire modificateda eventuali processi termici o da raddrizzamento di natura meccanica.

Nella figura seguente è schematizzato il processo temporale dell’andamentodello stato tensionale della sezione del profilo a seguito del suo raffreddamento.de o stato te s o a e de a se o e de p o o a segu to de suo a edda e to.

Con il termine di imperfezioni geometriche si indicano tutte le variazioni didimensione o forma dell’asta rispetto alla geometria ideale.

1. Si hanno imperfezioni geometriche della sezione trasversale che dipendonoda:

variazioni degli spessori e delle dimensioni delle lamiere nei profili saldati;- variazioni degli spessori e delle dimensioni delle lamiere nei profili saldati;- mancata ortogonalità degli elementi che compongono le sezioni.

2 Inoltre si osservano imperfezioni geometriche dell’asse dell’asta con la2. Inoltre si osservano imperfezioni geometriche dell asse dell asta con ladeviazione dell’asse dell’asta dalla sua posizione ideale perfettamenterettilinea.

Le imperfezioni geometriche possono condizionare in modo evidente ilLe imperfezioni geometriche possono condizionare in modo evidente ilcomportamento degli elementi strutturali. Le normative impongono di tenerneconto.

PROFILATI METALLICI

COLONNE O PILASTRI

Profilati industrialitubolariColonne saldate

Profilati industrialibaionetta

50

100

EstOvest

Colonne composte

01°

Trim.3°

Trim.

OvestNord

Colonne a sezione variabile

C l t ll tCalastrellate tralicciate

LE GIUNZIONI NELLE STRUTTURE METALLICHE

GIUNTI INTERMEDI:Giunti trave trave;Giunti trave-trave; Giunti colonna-colonna.

GIUNTI D’ESTREMITÀ:GIUNTI D ESTREMITÀ:Giunti tra travi;Giunti tra trave-colonna;Giunzioni per controventi;Giunzioni per controventi;Giunti di base;Giunti tra elementi in acciaio ed elementi in calcestruzzo.

MODELLAZIONE DEI GIUNTI:I giunti a cerniera;I giunti rigidi;g gI 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 t i ll’ t ità di

bullonate in opera;

(interamente in opera oppure all’estremità 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

t ità d ll t i i t t l t i ffi i )estremità delle travi siano opportunamente lavorate in officina).

GIUNTI INTERMEDI: giunti colonna-colonna

a) giunto con piastre coprigiunto d’ala doppie (ossia duepiastre per ogni ala) e piastre coprigiunto d’animap p g ) p p gbullonate in opera;

b) giunto con doppie piastre coprigiunto d’ala bullonatein opera;

c) giunto con piastre coprigiunto d’ala singole e piastrecoprigiunto d’anima bullonate in opera;

d) giunto per contatto con piastre coprigiunto d’alai l fil ldinterne al profilo e saldate;

e) giunto per contatto con piastre coprigiunto d’alai t l fil b ll tinterne al profilo e bullonate;

f) giunto per contatto con flangia saldata in stabilimentoall’estremità della colonna inferiore ed in opera allaall estremità della colonna inferiore ed in opera allacolonna superiore;

g) giunto per solo contatto tra flange saldate ing) giunto per solo contatto tra flange saldate instabilimento all’estremità di ogni colonna;

a) giunto con piatto saldato in stabilimento allacolonna inferiore irrigidito da costole verticali,saldate allo scopo di evitare concentrazioni sforzi;

b) giunto con piatto saldato in stabilimentoall’estremità della colonna inferiore, irrigidito dacostole verticali (in corrispondenza delle ali dellacolonna superiore) sostenute da costole

i t li ld torizzontali saldate;

c) giunto rastremato saldato in officina adun’estremità della colonna e in opera all’estremitàun estremità della colonna e in opera all estremitàdell’altra colonna. Il carico è trasferito medianteun traliccio costituito da due piastre orizzontali eda due piatti diagonali di raccordo tra le ali delleda due piatti diagonali, di raccordo tra le ali dellemembrature.

a) giunto con angolari d’anima bullonati all’anima sia

GIUNTI D’ESTREMITA’: giunti trave principale-trave secondaria

a) giunto con angolari d anima, bullonati all anima siadella trave principale sia di quella secondaria.

b) giunto con angolari d’anima saldati in stabilimentob) giunto con angolari d anima, saldati in stabilimentoall’anima della trave secondaria e bullonati in opera aquella della trave principale.

c) giunto con angolari bullonati all’anima sia della traveprincipale sia di quella secondaria;

d) giunto con un piatto saldato in stabilimento all’animadella trave secondaria e bullonato in opera a quella dellatrave principale.

e) giunto con un piatto saldato in stabilimento allaestremità della trave secondaria e bullonato in opera aduna flangia saldata alla trave principale opportunamenteirrigidita da costole trasversali elle estremità.

f) i t i tt ld t i t bili t ll’ if) giunto con un piatto saldato in stabilimento all’animadella trave principale e bullonato in opera a quella dellatrave secondaria.

GIUNTI D’ESTREMITA’: giunti trave-colonna

a) giunto realizzato mediante angolari bullonati all’aladella colonna e all’anima della trave;

b) giunto con piatto saldato in aggetto alla colonna ebullonato all’anima della trave;

c) giunto con piastra saldata a parte di animaall’estremità della trave e bullonata alla colonna;

d) giunto con piastra saldata, con cordoni di saldaturasia d’anima sia d’ala, alla trave e bullonata allacolonna.

Si osservi che tutte le tipologie di giunto trave-colonna possono presentare costolature dii i idi d l ll d’ i ll l iirrigidimento del pannello d’anima nella colonna, incorrispondenza della ali della trave, necessarie a volteper non creare zone preferenziali di debolezza del

i tgiunto.

GIUNTI D’ESTREMITA’: giunti per controventi

GIUNTI D’ESTREMITA’: giunti di base

cernierace e

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 dellatrave;b) angolari bullonati all’ala (o all’anima) dellacolonna e all’anima della trave;) i ld di i d llc) piastra saldata a parte di anima della trave e

bullonato all’ala (o all’anima) della colonna;d) angolari bullonati all’ala (o all’anima) della

l ll’ i d ll tcolonna e all’anima della trave;e) piastra saldata in aggetto alla colonna alla qualevengono bullonati piatti in acciaio che consentono ilcollegamento con l’anima della trave (tipico di profilicollegamento con l anima della trave (tipico di profilitubolari);f) collegamento che garantisce la continuità dellatrave ed il trasferimento di sola azione assiale allatrave ed il trasferimento di sola azione assiale allacolonna (piastra saldata all’estremità della colonna ebullonato all’ala inferiore della trave).

MODELLAZIONE DEI GIUNTI: i giunti rigidi (a incastro)

a) nodo di sommità per colonna perimetralepreparato in stabilimento;b ) d di i à l i lb-c) nodo di sommità per colonna perimetralerealizzato saldando piatti forati, inclinati rispettoall’asse baricentrico di trave e colonna, eb ll d li ibullonandoli in opera;d) nodo interno trave-colonna con trave saldataall’ala della colonna e costole di irrigidimentointerne alla colonna in corrispondenza delle aliinterne alla colonna in corrispondenza delle alidella trave;e) nodo interno trave-colonna con piastra foratasaldata all’estremità della trave e bullonata all’alasaldata all estremità della trave e bullonata all aladella colonna, dotata come nel caso precedente diirrigidimenti d’anima;f) nodo tra la trave alla cui estremità viene saldataf) nodo tra la trave alla cui estremità viene saldatauna piastra forata in aggetto e l’anima dellacolonna preventivamente forata;

MODELLAZIONE DEI GIUNTI: esempi di nodi trave-colonna

cerniere

i t iincastri

incastri

cerniere cernierecerniere

SOLAI NELLE COSTRUZIONI IN ACCIAIO

• Pannelli in C.A. o misti con laterizio gettati in opera (soluzione a, b);

L’impalcato può essere realizzato con:

• Pannelli in C.A. o misti con laterizio prefabbricati (soluzione c, d);• Lamiere grecate riempite con materiale inerte (soluzione e);• Lamiere grecate riempite con calcestruzzo collaborante (soluzione f).g p ( )

I solai composti inI solai composti inacciaio-calcestruzzo sonosolitamente costituiti da

l i t diuna lamiera grecata diacciaio su cui vieneeseguito un getto dicalcestruzzo normale oalleggerito.

La lamiera ha la funzione di cassero durante la costruzione e costituisce parte ol’ l i di l d l’i d i d l l P i hétutta l’armatura longitudinale dopo l’indurimento del calcestruzzo. Poiché non

è sufficiente la semplice adesione chimica fra la lamiera e il calcestruzzo, sonopreviste opportune lavorazioni superficiali o particolari sagome per garantirel’aderenza fra acciaio e calcestruzzo.

Altre caratteristiche:

- leggerezza e riduzione degli ingombri- velocità di realizzazione

f ilità di t li ttibilità bl i di t ll- facilità di taglio e scarsa suscettibilità a problemi di tolleranze- 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 80mm.

P i tPavimento;Calcestruzzo alleggerito;Getto di calcestruzzo;Lamiera grecata;g ;

Trave secondaria;

Trave principale;Trave principale;Controsoffitto.

I solai metallici con soletta di calcestruzzo sono posizionati velocementevelocemente.

Richiedono un contenimento ai bordi per prevenire la caduta d l l tdel calcestruzzo.

Il calcestruzzo è in genere pompato sulle lamiere del solaio.

I SISTEMI INTELAIATI A NODI RIGIDI IN ACCIAIO

Soluzione economicamente non convenienteSoluzione economicamente non conveniente.

I SISTEMI INTELAIATI A NODI MOBILI

solaioTrave secondaria

T i i l

Colonna o pilastro

Trave principaleTrave di bordo

Colonna o pilastro

l i di lControvento longitudinale

Controvento trasversale

SISTEMI di CONTROVENTAMENTO per TELAI PENDOLARI

Tipologia dei controventi (bracing)

I controventi si possono realizzare secondo varie forme,come ad esempio a X, K e forme a V. Con controventi ap ,X (a S. Andrea), le aste sono progettate trascurando ilcontributo dell’asta compressa (le aste sono elementimolto snelli che si instabilizzano con basse forze dimolto snelli che si instabilizzano con basse forze dicompressione).

Utilizzando controventi a K o V, le aste del controventoUtilizzando controventi a K o V, le aste del controventodevono essere progettati per resistere a forze dicompressione.

(a) Controvento a S. Andrea;

Piatti o angolari possono essere utilizzati percontroventi a X (a S. Andrea) mentre tubolari o sezionia H sono generalmente adottati per controventi a K o V ( ) ;

(b) Controvento K; (c) Controvento V.

a H sono generalmente adottati per controventi a K o V.

Controvento di faldaVento

Controvento verticale

R i i i f d iReazioni in fondazionedovute al vento

Esempi di Controventamento

Soluzione a: controvento acroce di S Andrea progettatocroce di S. Andrea progettatonon considerando le astediagonali compresse. Gliarcarecci risultano inflessi e

a)compressi.

Vento

Soluzione b: controventi ditestata con diagonali tese. Gliarcarecci risultano inflessi edeventualmente tesi.

b)Vento

Vento o sisma

a) b) )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).