Verifica per la progettazione esecutiva di una copertura metallica a servizio di una tribuna

Lo Stadio Comunale “M. Torre” di Pagani (SA) è stato costruito e inaugurato nel 1975. L'impianto è dotato dei seguenti settori: Tribuna Centrale, Tribuna Distinti (interamente coperta), Curva Sud, Settore Ospiti e Curva Nord.

Il presente lavoro riguarda una verifica per la progettazione esecutiva di officina della copertura metallica a servizio della Tribuna Centrale. 

Descrizione della copertura metallica a struttura reticolare

La copertura a realizzarsi ha dimensioni in pianta 80x21 m ed è stata concepita mediante una struttura reticolare spaziale in acciaio S355 con altezza variabile da un minimo di 3 m ad un massimo di 4 m. Le aste sono profilati tubolari laminati a caldo a sezione circolare cava e presentano, ad entrambe le estremità, una coppia di piastre terminali che vengono bullonate a mo’ di forcella alla piastra del nodo. È prevista una monta iniziale di 15 cm.

La copertura è sostenuta da due supporti in acciaio strutturale S355 a foggia di “X” di estensione e altezza rispettivamente 10.50 m e 12.50 m circa, posti a distanza di circa 73 m, in modo da offrire 4 appoggi puntuali alla copertura metallica. 

Sezione trasversale

In particolare su uno dei due sostegni verranno predisposti appoggi fissi, mentre sull’altro gli appoggi saranno dotati di un dispositivo “shock transmitter”: tale dispositivo consentirà gli scorrimenti lungo la direzione longitudinale dovuti alle azioni “quasi-statiche” (carichi permanenti, neve, variazioni termiche), mentre per azioni indotte da carichi impulsivi (sisma, vento) si comporterà come un appoggio fisso.

Dettaglio nodo di sommità della reticolare

Gli elementi di sostegno saranno costituiti da una piastra d’anima dello spessore di 30 mm, opportunamente sagomata secondo la geometria indicata, alla quale saranno saldate a completa penetrazione lamiere calandrate semicilindriche di diametro 1200 mm e spessore 24 mm. I vari irrigidimenti interni ed esterni, dello spessore di 20 mm, VERRANNO SALDATI mediante cordoni d'angolo.

Ai piedi delle colonne è previsto un anello di spessore 50 mm e larghezza 200 mm, opportunamente irrigidito e flangiato mediante bullonatura (24 M36) ad un tamburo di base di altezza 500 mm e dimensioni equivalenti al piede della colonna soprastante.

I suddetti tamburi vengono ancorati meccanicamente alla struttura di fondazione attraverso 24 barre filettate M36 e corona terminale inglobata nella fase di getto delle fondazioni.

Sistema di ancoraggio del piede della colonna

Per ciascuno dei due elementi verticali di sostegno è prevista una fondazione profonda, composta da 10 pali trivellati di diametro 80 cm su plinto di dimensioni 14.90x4.40 m e altezza 1.50 m. La lunghezza dei pali sarà di circa 22 m, in modo da attestarsi in uno strato con caratteristiche geotecniche idonee.

La fase di modellazione della copertura

L’analisi è stata effettuata mediante un modello matematico globale basato sulla teoria degli elementi finiti con l’ausilio del software MidasGEN. Per la discretizzazione spaziale della copertura si sono utilizzati elementi truss, le strutture di sostegno sono state modellate con elementi beam, gli irrigidimenti dei sostegni vengono modellati con elementi bidimensionali plate. 

A ciascun elemento verranno assegnate le caratteristiche geometriche e meccaniche corrispondenti ai rispettivi materiali, modellati con leggi costitutive di tipo elastico lineare. Per comodità di inserimento dei carichi sono stati modellati anche gli arcarecci, con elementi beam, e i pannelli di copertura mediante elementi plate, assegnando però a questi un materiale fittizio privo di proprietà meccaniche, in modo da non contribuire alla risposta della struttura.

Sul sostegno dove è previsto l’inserimento degli shock-transmitter, l’appoggio della travatura reticolare è modellato con appositi svincoli beam end release a consentire la traslazione in direzione Y longitudinale per le azioni “quasi-statiche”, mentre per azione indotte da carichi impulsivi (vento, sisma) l’appoggio si comporta come una tradizionale cerniera sferica interna. Il tutto gestito dal comando Boundary change assignment to load cases.

Data la particolare geometria dei sostegni, l’analisi di questi è stata condotta attraverso un modello locale mediante elementi bidimensionali plate, interamente realizzato manualmente direttamente in ambiente MidasGEN.

Il modello viene caricato in corrispondenza degli appoggi della copertura mediante forze nodali nodal loads corrispondenti alle caratteristiche della sollecitazione (sforzo assiale e tagli nelle due direzioni) presenti in sommità dei sostegni nel modello globale per ciascun caso di carico. Operativamente, le suddette caratteristiche di sollecitazione sono state esportate in forma tabellare dal modello globale, opportunamente manipolate in ambiente Excel, e infine importate nel modello locale di dettaglio.

Per una migliore gestione degli oneri computazionali di calcolo sono stati realizzati 2 modelli.

Il modello locale a), considerato incastrato alla base è stato utilizzato per:

• valutare puntualmente e verificare lo stato tensionale in campo elastico;
• valutare gli effetti di instabilità elastica globale mediante analisi di “buckling”;
• verificare l’appoggio della copertura reticolare.

Il modello locale b) prevede la modellazione della connessione di base, vincolata mediante molle di superficie surface spring supports reagenti solo a compressione (compression only); inoltre, ciascuno dei 24 nodi corrispondenti ai tirafondi viene vincolato bloccando rigidamente le traslazioni di scorrimento nel piano, mentre assialmente vengono inserite molle puntuali point spring supports reagenti solo a trazione (tension only) con rigidezza pari a quella assiale del tirafondo. Sempre nei suddetti nodi vengono definiti sistemi di riferimento locali node local axis in modo da restituire i tagli in direzione radiale e tangenziale. Avendo introdotto vincoli non lineari, il principio di sovrapposizione degli effetti non è applicabile: ciò è stato ovviato trasformando ogni combinazione in un singolo caso di carico attraverso la funzione Create load cases using load combination. Questo secondo modello è stato utilizzato per:

• verificare lo stato tensionale del supporto di base;
• verificare a trazione i tirafondi;
• verificare le pressioni di contatto.

Valutazioni preliminari

Oltre al peso proprio e ai carichi permanenti, le azioni agenti sulla struttura sono neve, vento, variazioni termiche, sisma orizzontale e verticale, considerando anche la variabilità spaziale del moto sismico. Profonda attenzione è stata dedicata agli effetti indotti dal vento in accordo con le CNR 207/2008: sono state valutate le azioni aerodinamiche ortogonali e tangenti sulla copertura, sui vari elementi della reticolare e sui sostegni. Particolarmente gravose sono risultate le azioni agenti ortogonalmente alla copertura soprattutto quella di sollevamento dovuta al grado di bloccaggio offerto dalla tribuna sottostante. 

Una volta modellata la struttura è stata quindi eseguita un’analisi modale, in modo da apprezzarne il comportamento dinamico e ricavare frequenze e modi principali, indispensabili anche per poter approfondire lo studio sugli effetti del vento. 

Infatti, è stato poi possibile definire le azioni statiche equivalenti attraverso il calcolo del coefficiente dinamico (non trascurabile per strutture snelle e dotate di un basso grado di smorzamento) e si sono valutate le forze trasversali indotte dal distacco dei vortici. Infine, si sono analizzati fenomeni aeroelastici di interazione fluido-struttura, in particolare stall flutter, classic flutter e divergenza torsionale, verificando la non insorgenza di tali fenomeni.

...CONTINUA.

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andando nel sito di CSPFea e scaricare il numero 28 della rivista Digital Modeling dove è contenuto l'articolo.

Gruppo di lavoro

• Verifica strutturale: ing. Francesco Schioppa - ing. Sergio Del Gaudio - ing. Armando Ramasco - ing. Nicola Pompa
• Modellazione e calcolo strutturale:  ing. Nicola Pompa
• Coordinatore attività: ing. Francesco Schioppa
• Consulenza scientifica: Prof. ing. Roberto Ramasco