Progettare le strutture in acciaio

L’acciaio è una soluzione molto versatile e ampiamente utilizzata sia nelle nuove costruzioni sia nella ristrutturazioni. Dal punto di vista progettuale costruire in acciaio è un processo semplice; la vera sfida è nello sfruttare a pieno le caratteristiche di questo materiale, in particolare la sua duttilità. Le Norme Tecniche definiscono quali prestazioni garantire per le strutture in acciaio proprio tenendo conto delle sue particolari capacità, soprattutto in presenza di azioni sismiche.

Una guida tra regole e riferimenti normativi

Quali sono le fasi cruciali da rispettare per garantire un buon risultato, tenendo anche conto delle azioni orizzontali come vento e sisma?
Possiamo affermare che progettare con l’acciaio richiede uno schema corretto del comportamento strutturale dell’edificio, un’analisi dei meccanismi di instabilità ed una stima della capacità di dissipare energia attraverso la duttilità degli elementi e dei collegamenti.

In questo focus ricostruiamo il flusso di lavoro necessario per progettare e verificare una struttura in acciaio, ispirandoci ai riferimenti normativi italiani ed europei.
Ogni fase di progetto può essere svolta con il Modulo ACCIAIO di TRAVILOG.

I materiali

La scelta dell’acciaio da costruzione è normata e guidata dal capitolo 4.2 e 11.3 delle Norme tecniche per le Costruzioni del 2018 con esplicito riferimento alla Norma armonizzata UNI EN 1090.
Il riferimento legislativo italiano prescrive in linea con i riferimenti europei le prestazioni meccaniche che l’acciaio da costruzione deve garantire ma definisce anche i controlli necessari sia nella fase di produzione che in quella preliminare alla messa in opera dell’elemento costruttivo in acciaio.

La scelta del materiale da costruzione è appunto guidata dal quadro normativo e le variabili di scelta progettuale sono la tensione caratteristica a snervamento fyk e la tensione caratteristica a rottura ftk. Per i “Prodotti laminati a caldo di acciai per impieghi strutturali” il riferimento più specifico è la UNI EN 10025 che classifica le tensioni caratteristiche degli acciai in funzione della composizione chimica e quindi degli usi specifichi e particolari che verranno adottati. La nomenclatura da adottare per riferirsi alle forniture di acciaio da costruzioni sono del tipo: S 235 JR + C + N

dove:

• S acciaio da costruzione
• 235 tensione caratteristica di snervamento in N/mm²
• JR indicazioni alfanumeriche relative alla resilienza
• C simbolo addizionale relativo all’impiego
• N simbolo addizionale relativo alla condizione di fornitura

Qui di seguito, a titolo di esempio, le caratteristiche meccaniche di acciai in funzione delle condizioni di fornitura secondo le indicazioni della UNI EN 10025.

UNI EN 10025-2	fyk [N/mm²]	fyk [N/mm²]
S 235	235	360
S 275	275	430
S 355	355	510
S 450	440	550

UNI EN 10025-3	fyk [N/mm²]	fyk [N/mm²]
S 275 N/NL	275	390
S 355 N/NL	355	490
S 420 N/NL	420	520
S 460 N/NL	460	540

Lo schema statico

Rappresentare correttamente la realtà è fondamentale per progettare correttamente una struttura, capire come le azioni arrivano a terra e quale grado di iperstaticità un nodo o un vincolo sviluppano.

Partendo dall’assunto che esiste un solo modo corretto di rappresentare la realtà e diversi modi per rappresentare singole informazioni o comportamenti della struttura si arriva a capire che lo schema di calcolo è già un primo risultato di coerenza e affidabilità del modello di calcolo che vogliamo utilizzare.
Questa scelta si traduce in due domande essenziali: quali strutture portano i carichi verticali? Quali strutture rispondono con le loro capacità alle azioni orizzontali? Un altro esempio, forse più fine ma dello stesso tenore, è dato dalle travi e dai nodi di connessione: è un vincolo iperstatico o un semplice appoggio? Governare questa scelta e di conseguenza i parametri di calcolo che ne derivano è importante per rappresentare e soprattutto valutare correttamente la realtà. Inserire nello schema statico cerniere parziali è una possibile soluzione che affina il modello di calcolo verso il reale comportamento della struttura.

La scelta dello schema statico non è un passaggio univoco nelle fasi di progettazione, è altresì una conseguenza delle scelte progettuali complessive per la struttura, con particolare attenzione a discriminanti quali:

• la regolarità strutturale e le simmetrie
• iperstaticità e capacità dissipative
• ridondanza strutturale e robustezza.

Altro esempio di campo di scelta è la schematizzazione dell’interazione terreno-struttura. Scegliere di modellare dei vincoli di incastro porta a non considerare l’effetto di ‘smorzamento’ dato dal sistema di fondazione e dal terreno e in genere a sopravvalutare le azioni sollecitanti al piede dei pilastri; al tempo stesso si rischia di non valutare il comportamento reale del terreno, compresi i cedimenti che si hanno al di sotto della struttura.

Le azioni sull’edificio

Consideriamo ora le azioni a cui l’edificio in acciaio è sottoposto: quelle legate al peso degli elementi strutturali e non strutturali e quelle dovute ai carichi propri dell’uso della struttura.

Una tipica espressione usata per le strutture in acciaio è la “leggerezza” ma è davvero così? Il peso delle strutture in acciaio è ovviamente correlato anche alla quantità di materiale utilizzato ed è possibile limitarlo sfruttando al massimo le capacità degli elementi strutturali. Non è quindi il peso specifico dell’acciaio a giustificare la “leggerezza” quanto piuttosto il confronto con strutture ideate per le stesse funzioni e realizzate con tecnologie diverse che mostra come le strutture in acciaio richiedano un impiego inferiore di “materiale strutturale”.
Anche le azioni ambientali svolgono un ruolo importante nei confronti della struttura, sia quelle del vento che quelle sismiche. L’interazione di tutte le azioni dovrà essere poi valutata secondo le specifiche delle NTC 2018.

L’analisi della struttura

Affrontiamo ora il metodo di analisi da applicare alle strutture in acciaio e in particolare lo studio dei risultati derivati dall’analisi lineare sismica dinamica modale. Abbiamo scelto questo approccio perché è il più comodo e diffuso dal punto di vista professionale ed offre un buon livello di controllo dei risultati a fronte di un’analisi che non ha preclusione di applicabilità.

L’analisi sismica dinamica modale segue le indicazioni del capitolo 7.3.1 delle Norme Tecniche per le Costruzioni con riferimento alla definizione di spettro elastico e spettro di progetto del capitolo 3.2.4 delle stesse norme.

È fondamentale ricordare che dopo aver scelto quale analisi eseguire è opportuno scegliere quali domande fare alla struttura, se indagarla in termini di capacità resistenti o di capacità deformative.

Con l’analisi sismica dinamica modale la scelta dell’espressione di capacità è strettamente legata all’uso di fattori di comportamento che traducono nel calcolo la presenza di comportamenti non lineari di materiali e di capacità dissipative.

La scelta del fattore di comportamento avviene in accordo alle NTC 2018.

La scelta di un metodo lineare ha in sé come limite la possibilità di “fotografare” un solo istante del comportamento della struttura: quello ultimo, senza tenere conto della ridistribuzione delle azioni all’evolversi dei cinematismi che si innescano come conseguenza di azioni esterne, risultato quest’ultimo tipico dell’analisi non lineare.

Utilizzando sempre l’analisi lineare è possibile indagare un aspetto peculiare delle strutture in acciaio: i meccanismi di instabilità. Il metodo impiegato in questo caso è l’analisi di buckling, ideale per indagare il carico critico per la struttura.

Le verifiche globali

Tra le verifiche che caratterizzano la sicurezza della struttura o più in generale il suo comportamento globale sottolineiamo:

• le verifiche di instabilità
• i risultati dell’analisi dinamica modale
• la verifica delle non linearità geometriche
• le verifiche di spostamento d’interpiano
• i cedimenti in fondazione.

Gli edifici che dal punto di vista strutturale sono progettati per essere snelli richiedono una verifica delle capacità “fotografate” allo stato limite ultimo. A questo fine è necessario assicurare, oltre alla resistenza, che non si verifichino fenomeni di instabilità dovuti all’applicazione di un carico limite.

Osservando i risultati dell’analisi modale possiamo studiare la regolarità della struttura e viceversa validare lo schema statico utilizzato per rappresentarla. I periodi di vibrazione e le partecipazioni modali consentono di leggere la risposta della struttura ai diversi meccanismi di “attivazione” studiati per frequenze proprie di “risonanza”.

Se si sceglie l’analisi lineare, come accennato poco sopra, non si considerano gli effetti di un comportamento non lineare della struttura. Se prima si parlava di non linearità nel comportamento dei materiali qui invece ci riferiamo alle non linearità di tipo geometrico. Per ovviare a tale limite le Norme Tecniche per le Costruzioni definiscono un parametro e di criteri di accettabilità dell’analisi o di modifica della stessa. Il parametro di riferimento è θ calcolato come

θ = P d_r / (V h) < 0,1

dove:

• P è il carico verticale totale della parte di struttura sovrastante l’orizzontamento in esame
• d_r è la differenza tra lo spostamento orizzontale dell’orizzontamento considerato e lo spostamento orizzontale dell’orizzontamento immediatamente sottostante
• μ_d fattore di correzione degli spostamenti ottenuti dall’analisi lineare
• V è la forza orizzontale totale in corrispondenza dell’orizzontamento in esame
• h è la distanza tra l’orizzontamento in esame e quello immediatamente sottostante.

E il criterio di accettabilità prevede che gli effetti delle non linearità geometriche:

• possono essere trascurati, quando θ è minore di 0,1;
• possono essere presi in conto incrementando gli effetti dell’azione sismica orizzontale di un fattore pari a 1/(1- θ), quando θ è compreso tra 0,1 e 0,2;
• devono essere valutati attraverso un’analisi non lineare, quando θ è compreso tra 0,2 e 0,3;
• il fattore θ non può comunque superare il valore 0,3.

Le verifiche relative allo spostamento di interpiano riguardano il comportamento in esercizio della struttura e sono condotte per l’applicazione dell’azione sismica. Vengono effettuate in genere allo Stato Limite di Danno e per alcune tipologie di edifici è necessario effettuare questa verifica anche allo Stato Limite di Operatività. La verifica considera lo spostamento relativo di ciascun interpiano con quello precedente, le Norme Tecniche prescrivono uno spostamento limite in funzione della tipologia costruttiva ed in particolare degli elementi non strutturali e di tamponatura della struttura. Questa verifica ha infatti lo scopo di garantire che per azioni sismiche di bassa intensità e in genere più frequenti non si verifichino sulla struttura danni alle parti non strutturali che possono comunque mettere a rischio la sicurezza delle persone che usano o interagiscono con la struttura.

Le verifiche locali

Le verifiche dei singoli elementi strutturali prevedono l’analisi delle capacità in termini di:

• resistenza
• stabilità
• deformabilità
• resistenza dei nodi.

Per una verifica conforme alle NTC 2018 è necessario classificare le sezioni, così come riportato nelle tabelle 4.2.III, 4.2.IV, 4.2.V della norma. È così possibile distinguere il comportamento in capacità degli elementi strutturali tra elastico e plastico: in funzione della capacità di rotazione alla corda delle singole sezioni è possibile capire se attingere alle risorse plastiche oppure limitarsi alle capacità elastiche.

Le verifiche di resistenza delle membrature si conducono ovviamente per le sollecitazioni derivate dall’analisi, considerando accuratamente gli effetti derivanti dalla copresenza di azioni in particolare come taglio e azione assiale per un elemento strutturale soggetto a flessione.

I fenomeni locali di instabilità vengono verificati secondo le prescrizioni normative sulla base di coefficienti correttivi delle capacità di resistenza degli elementi strutturali, in particolare a resistenza e a flessione. Per la valutazione delle capacità viene fatto riferimento quindi anche alla tabella 4.2.VII che identifica le curve di instabilità in funzione del profilo considerato e dell’acciaio utilizzato.
La valutazione delle capacità di instabilità a flesso-torsione viene definita secondo le istruzioni della Circolare n. 7 del 2019, in linea con le regole contenute nell’Eurocodice 3 parte 1.

L’analisi delle membrature si conclude con le verifiche tipiche delle condizioni di esercizio, ovvero con la verifica di deformabilità secondo i limiti prescritti da norma o ritenuti idonei per la struttura in esame in funzione del livello di comfort e sicurezza che si vuole garantire.
Alle verifiche di deformabilità è opportuno in genere accoppiare quelle di vibrazione indotte sulla struttura, con le stesse finalità di esercizio, ma anche di sicurezza.

A conclusione del processo è fondamentale ricordare come, in un’ottica di progettazione in capacità, sia fondamentale garantire una gerarchia di funzionamento per la struttura.

Tale attenzione, prescritta da norma, consente di controllare i meccanismi di rottura della struttura ed è governata anche dall’applicazione dei fattori di sovraresistenza.

Sul tema della gerarchia tra le capacità degli elementi strutturali particolare attenzione va posta nella progettazione dei collegamenti, ovvero nei nodi. Il metodo di verifica delle connessioni di elementi in acciaio definita dalle NTC 2018 e dall’Eurocodice 3 parte 8 prevede infatti il confronto tra la resistenza del collegamento e gli elementi collegati così da valutare il comportamento del nodo come:

• a cerniera
• a parziale ripristino
• a completo ripristino.

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Prova TRAVILOG per il progetto delle strutture in acciaio

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