Analisi meccanica e comportamento sismico di strutture elementari in lega di alluminio

Nella memoria è stata condotta una campagna di prove sperimentali per la caratterizzazione meccanica in campo monotono e ciclico delle principali leghe di interesse strutturale. I risultati delle prove sperimentali hanno consentito l’esecuzione di analisi FEM non lineari su semplici portali aventi schemi strutturali MRF, CBF e EBF, al fine di valutarne sia la duttilità ed i meccanismi di collasso, sia i fattori di struttura necessari per una corretta progettazione sismica.

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Caratterizzazione meccanica delle leghe di alluminio strutturali

Il requisito fondamentale che fa prediligere i materiali metallici leggeri e performanti, come l’acciaio e l’alluminio, in molti settori dell’ingegneria è l’elevato rendimento meccanico, inteso come rapporto fra la resistenza meccanica ed il peso specifico. 

Le leghe di alluminio sono impiegate da decenni nel settore dell’ingegneria meccanica, mentre gli impieghi in campo strutturale risultano rarissimi. Sebbene poco utilizzate in ambito strutturale, tali leghe a livello europeo hanno destato attenzione fin dagli anni '70, quando Federico M. Mazzolani iniziò a ricoprire il ruolo di presidente di Commissione, in ambito prima CECM poi CEN, sul progetto di strutture in lega di alluminio. Da quel momento sono stati compiuti progressi e sviluppi notevoli sulle applicazioni anche strutturali dell’ampia serie di famiglie di leghe di alluminio.

A partire da tali studi, l’industria delle costruzioni metalliche non si è lasciata sfuggire l'occasione di sfruttare anche nel settore dell’Ingegneria Civile i vantaggi delle leghe di alluminio, rappresentati dalla leggerezza, dalla resistenza alla corrosione e dalla possibilità di ottenere le più svariate forme grazie al processo di estrusione [1]. Tuttavia, si osserva che, mentre l'attuale impiego in costante crescita di tali leghe in opere soggette a carichi gravitazionali e da vento risulta ben codificato, eventuali applicazioni in zona sismica non hanno attualmente copertura normativa.

Solo recentemente, nel progetto per lo sviluppo di una nuova generazione degli Eurocodici strutturali, la Commissione TC250/SC8 dell’Eurocodice 8 ha deciso di introdurre anche le leghe di alluminio fra i nuovi materiali emergenti per strutture antisismiche.

Pertanto una nuova parte dell’Eurocodice 8, nata dalla collaborazione fra le commissioni TC250/SC8 e TC250/SC9, è stata appositamente dedicata alle leghe di alluminio e sarà oggetto di studi e ricerche future allo scopo di fornire adeguate regole di progetto in zona sismica per questa tecnologia strutturale. In tale contesto, il primo passo da compiere deve necessariamente prevedere la caratterizzazione del comportamento meccanico in campo monotono e ciclico delle leghe di alluminio, che non risulta appropriatamente sviluppata nella letteratura scientifica, al fine di conoscerne la duttilità e garantirne l’uso codificato per impieghi sismici. 

Dopo una prima parte (descritta con dettaglio nell'articolo integrale in PDF scaricabile in fondo) dedicata ai risultati di esperienze di laboratorio condotte per saggiare la risposta meccanica delle principali leghe d’alluminio ad uso strutturale, appartenenti alle serie 5xxx, 6xxx e 7xxx, l'articolo continua con l'analisi del comportamento in zona sismica di strutture a portale in lega di alluminio realizzate con le leghe esaminate nella prima parte con la finalità di fornire indicazioni preliminari sui fattori di struttura da impiegare nella progettazione.

Analisi FEM su schemi elementari a portale

Caratteristiche delle strutture e criteri generali di progetto 

I risultati delle prove di laboratorio meccaniche eseguite sulle tre leghe di alluminio strutturali illustrati nelle precedenti sezioni sono stati impiegati per la caratterizzazione meccanica di schemi elementari a portale, che sono stati investigati mediante analisi agli elementi finiti con l’obiettivo di fornirne una preliminare valutazione del comportamento sismico [1].

Le leghe AW 5083 H112, AW 6082 T6 e AW 7020 T6 sono state pertanto impiegate come materiali costituenti portali monopiano e monocampata aventi altezza 3.00 m e larghezza 5.00 m. Essi fanno parte di una struttura tridimensionale caratterizzata da una loro ripetizione seriale con interasse di 5.00 m. Per ciascuna lega sono stati considerati i portali caratterizzati dagli schemi elementari tipici delle costruzioni metalliche, quali telai a nodi rigidi (MRF), telai con controventi eccentrici (EBF) e telai con controventi concentrici (CBF). I carichi agenti sui portali sono rappresentati dal peso proprio strutturale e dai carichi permanenti, pari a 1.40 kN/mq, dalle azioni della neve e del vento, entrambe pari a 1 kN/mq, e dalle azioni sismiche, calcolate considerando la zona ad elevata sismicità di Grottaminarda in provincia di Avellino. Gli schemi strutturali considerati sono stati dimensionati con i criteri standard tipici delle costruzioni metalliche. I portali sono stati modellati come sistemi piani in modo da evitare le inutili complicazioni legate ad una rappresentazione tridimensionale di tutto il complesso strutturale.

Nella fase di dimensionamento ed analisi delle predette strutture [11], è stata considerata anche la presenza delle zone termicamente alterate (HAZ). Per la valutazione del fattore di struttura è stata adoperata un'analisi statica non lineare mediante il codice di calcolo FEM ABAQUS, nel quale sono state considerate per i sistemi a controventi le imperfezioni geometriche, derivanti da un’analisi di buckling, ottenute assegnando la forma instabile del I modo alle aste diagonali con un’ampiezza di imperfezione pari a 1/2000 della loro lunghezza. Le tre leghe oggetto della campagna di prove in campo monotono e ciclico presentata nella sezione precedente, considerate idonee per impieghi strutturali (con spessore t compreso fra 10 e 25 mm), presentano legami σ-ε non lineari descritti in questa sede mediante la classica legge di Ramberg-Osgood. 

Per la determinazione del fattore di struttura q dei sistemi oggetto di studio, è stato necessario stabilire a priori le condizioni ultime di collasso strutturale, definite come segue: 

  • Limitazioni della norma FEMA 356 (2000) allo Stato Limite di Salvaguardia della Vita (LS) ed allo Stato Limite di Collasso (NC) [10]: 
    • MRF (LS = δ/h≤2.5%;  NC  = δ/h≤ 5%)
    • EBF e CBF (LS = δ/h≤1.5%;  NC  = δ/h≤ 2%)

essendo δ lo spostamento in sommità, h l’altezza della struttura e δ /h l’inter-storey drift globale. 

  • Meccanismi di collasso globale o locale legati al raggiungimento di uno spostamento limite Δ.
  • Attingimento della deformazione ultima (εu), pari al 10% per le leghe AW 6082 T6 e AW 7020 T6 e al 12% per la lega AW 5083 H112 [2, 3].

In Figura 7 si riportano, con riferimento ad un diagramma generico taglio (V) – spostamento (Δ), i valori limite di spostamento in base ai criteri di collasso considerati.

Spostamenti corrispondenti ai criteri di collasso considerati nell’analisi pushover. Figura 7 - Spostamenti corrispondenti ai criteri di collasso considerati nell’analisi pushover.

In merito al meccanismo globale, si ritiene che esso sia attinto quando:

  • per la tipologia MRF si verifichi il completo attingimento di f0.2 in tutte le zone di localizzazione delle cerniere plastiche, ossia al piede delle colonne e nei nodi trave-colonna. 
  • per la tipologia EBF, assumendo che l'anima del link sia instabilizzata, si verifichi l'attingimento di fu in corrispondenza dell’ala del link. 
  • per la tipologia CBF si verifichi l'attingimento di fu in almeno una sezione del controvento teso. 

I meccanismi di collasso globali presi in considerazione sono illustrati in Figura 8 per le tipologie strutturali in lega di alluminio esaminate. 

 

Meccanismi di collasso globali per MRF (a), EBF (b) e CBF (c).

Figura 8 - Meccanismi di collasso globali per MRF (a), EBF (b) e CBF (c).

E’ importante notare che la presenza della saldatura influenza moltissimo la risposta della struttura quando il materiale che costituisce il portale è una lega da trattamento termico. In Figura 9 è riportato sia l’effetto della saldatura sul comportamento meccanico della lega AW 6082 T6, sia l’effetto dell’incrudimento per le diverse leghe considerate. Entrambi gli effetti modificheranno le curve di pushover delle strutture, il cui confronto verrà esplicitamente evidenziato nelle prossime sezioni.

Effetti delle HAZ nella lega AW 6082 T6 (a) e dell’incrudimento nelle tre leghe esaminate (b).

Figura 9 - Effetti delle HAZ nella lega AW 6082 T6 (a) e dell’incrudimento nelle tre leghe esaminate (b).

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