I giunti trave – colonna tubolare nei telai sismoresistenti dissipativi in accordo alla Design Guide n. 9 del CIDECT

STRUCTURAL HOLLOW SECTION COLUMN CONNECTIONS FOR MOMENT FRAMES WITH INELASTIC DEFORMATION CAPACITY ACCORDING TO CIDECT DESIGN GUIDE NO. 9

L’articolo vuol proporre al progettista tipologie, dettagli costruttivi e procedure di calcolo per progettare e realizzare connessioni a momento trave-colonna, sovraresistenti e duttili, da impiegare in telai sismoresistenti dissipativi (telai DCM o DCH secondo Eurocodice 8 o IMF e SMF secondo AISC 341-10) con colonne tubolari cave, di sezione circolare o quadra. La materia dell’articolo è tratta dalla design guide n. 9 del CIDECT, associazione internazionale di produttori di profili tubolari strutturali, che a sua volta riprende concetti della normativa giapponese. Non esistendo sull’argomento indicazioni né nella normativa europea né in quella americana, le indicazioni del CIDECT appaiono un utile strumento per realizzare questo tipo di connessioni.

This paper deals with design of structural hollow section column connections to be used in moment frames with inelastic deformation capacity, like IMF and SMF according to AISC 341-10, or DCM and DCH frames according to Eurocode 8. The content of the paper is taken from CIDECT Design Guide no. 9, ispired to Japanese specifications. CIDECT is an international association of leading manufacturers of hollow sections and pipes whose objective is to expand knowledge, by means of research and studies, of steel hollow sections and their application in steel construction and engineering. Such type of connections are not addressed either in Eurocodes or in AISC specifications, so CIDECT indications can be profitably utilized by engineers.

Premessa

I telai in acciaio con attacchi a momento, nei quali cioè le forze orizzontali sono portate mediante la generazione di momenti flettenti (e relativi tagli) nelle travi e nelle colonne, possono essere progettati, in presenza di forze sismiche, come non (o poco) dissipativi o dissipativi. I primi sono calcolati in campo sostanzialmente elastico, mentre per i secondi si accetta la formazione di cerniere plastiche alle estremità delle travi e con tali plasticizzazioni si dissipa energia sismica. Se guardiamo l‘Eurocodice 8, i telai poco dissipativi sono strutture classificate DCL, Ductility Class Low, mentre i telai dissipativi sono classificati DCM o DCH, Ductility Class Medium o High. Le norme americane AISC 341-10 e ASCE7-10 definiscono gli Ordinary Moment Frames, OMF, che sono i telai non dissipativi, e poi gli Intermediate Momente Frames, IMF, e gli Special Moment Frames, SMF, che sono le due categorie di telai dissipativi.
Le norme italiane si muovono sulla scia dell’Eurocodice 8, inquadrando i telai dissipativi in due categorie, CD”B”, che corrisponde alla classe DCM, e CD”A” che corrisponde alla classe DCH.

Per i telai dissipativi (DCM e DCH europei e IMF e SMF statunitensi) vengono richiesti dalle norme due requisiti: il primo di resistenza, che la capacità flessionale del nodo sia superiore al momento plastico della trave connessa dal nodo, opportunamente maggiorato per tener conto della sovraresistenza del materiale e dei fenomeni di incrudimento; il secondo di duttilità, che la capacità flessionale del nodo non si riduca a meno dell’80% al raggiungimento di valori prescritti di rotazione trave-colonna (secondo l’Eurocodice 8) o di drift d’interpiano (secondo le AISC 341-10). Al di là della formulazione puntuale leggermente diversa, Eurocodice 8 e norme AISC danno sostanzialmente le stesse prescrizioni per i nodi dei telai dissipativi. Da notare che le norme italiane NTC2008 riportano solo il criterio di resistenza ma non quello di duttilità.

Come si progettano e realizzano nodi che rispettino i due requisiti sopra esposti? Il requisito di resistenza è abbastanza facilmente rispettabile da parte di un progettista con i metodi di calcolo disponibili, in normativa ed in letteratura. Più difficile, per un ingegnere che vuole progettare le sue connessioni, rispettare il requisito di duttilità, perché per esso non servono calcoli ma piuttosto sperimentazioni, e giocano un ruolo importante anche (e forse soprattutto) la scelta dei dettagli costruttivi e delle tecniche realizzative. Per risolvere il problema, l’AISC ha eseguito una campagna di prove su diversi tipi di connessioni arrivando a definire un set di connessioni prequalificate che, se calcolate e realizzate come prescritto nella norma AISC 358-10, garantiscono il rispetto del requisito di duttilità oltre che quello di resistenza. In Europa non esiste al momento nulla di equivalente, ma è in corso di sviluppo un progetto denominato EQUALJOINTS che dovrebbe portare anch’esso alla qualifica di alcune connessioni sismiche.

Le connessioni prequalificate dell’AISC riguardano sostanzialmente connessioni di travi ad I o ad H su colonne anch’esse con sezioni ad H. Non ci sono però connessioni di travi su colonne tubolari, cave circolari quadre o rettangolari, tranne una connessione proprietaria, denominata ConXL, che è un sistema brevettato, realizzato
dalla ditta ConXtech (www.conxtech.com). Tale connessione, realizzata con elementi saldati alla colonna ed alla trave e poi connessi in opera con bulloni, è però limitata all’impiego di colonne realizzate in tubo quadro tipo HSS o composte saldate di 406 mm di lato. Lo spessore minimo deve essere di 10 mm e le colonne devono essere completamente riempite di calcestruzzo con resistenza a 28 giorni di non meno di 21 MPa (per chi volesse saperne di più: cfr. AISC 358-10, chapter 10, o anche il sito internet già riportato). Non è pertanto possibile negli USA realizzare telai dissipativi con colonne tubolari usando connessioni trave-colonna prequalificate.

I telai dissipativi con colonne tubolari sono invece molto impiegati in Giappone, dove sono molto usate connessioni a momento che collegano una trave realizzata con un profilo aperto, ad I o H, con una colonna tubolare cava, circolare o rettangolare, realizzate mediante due piatti saldati sulla colonna, posti alla stessa distanza delle ali della trave da connettere, che si collegano poi a tali ali mediante saldatura (Figura 1b) o bullonatura (Figure 1a e 1c). Tali piatti possono attraversare la colonna (through diaphragm, Figura 1a), essere interni alla colonna (internal diaphragm, Figura 1b), o infine estendersi esternamente alla colonna (external diaphragm, Figura 1c).
Tali connessioni sono state prequalificate e raccomandate dall’AIJ, Architectural Institute of Japan, che ha pubblicato nel 1990 la guida tecnica “Recommendation for Design and Fabrication of Tubular Structures in Steel”, dove vengono fornite procedure di calcolo e raccomandazioni per la realizzazione di tali connessioni.

Il CIDECT (www.cidect.com) , che è una associazione internazionale di produttori di profilati cavi e tubi, con l’obiettivo di espandere la conoscenza, mediante ricerche e studi, dei profili cavi tubolari e della loro applicazione nel campo dell’ingegneria e delle costruzioni, tra le numerose guide tecniche pubblicate, ne ha una, la n. 9, che si intitola: Y. Kurobane, J. A. Packer, J. Wardenier, N. Yeomans – “DESIGN GUIDE FOR STRUCTURAL HOLLOW SECTION COLUMN CONNECTIONS”, del 2004. Essa tratta, come si capisce, delle connessioni in genere dei profili cavi tubolari. In tale guida, al capitolo 8, “Rigid (full strength) connections”, si parla di connessioni da adottare in telai sismici dissipativi, e si riprendono sostanzialmente le indicazioni dell’AIJ, adattandole ad una formulazione agli stati limite, poiché la formulazione originale dell’AIJ era alle tensioni ammissibili.

Nel presente articolo si riportano le raccomandazioni del CIDECT circa le connessioni con through, internal e external diaphragm, con l’intento di fornire al progettista che voglia realizzare telai dissipativi soggetti ad azioni sismiche che impiegano profili cavi tubolari come colonne, uno strumento pratico operativo per realizzare connessioni valide, qualificate certamente in un ambito normativo diverso da quello europeo (il che impone una certa cautela nell’inserire tali calcolazioni all’interno di calcoli svolti con gli Eurocodici), ma che appaiono tra le poche soluzioni progettuali di comprovata validità attualmente disponibili.

Figura 1 – Connessione trave colonna: through diaphragm (a), internal diaphragm (b), external diaphragm (c)

a) Connessioni saldate in officina con through diaphragm



Figura 2 - Connessione trave colonna con through diaphragm: parametri geometrici (a); particolare moncone di trave saldato in officina (b)

Questa connessione è illustrata nella figura 2.
Due piatti di spessore td maggiore dello spessore delle ali della trave di 3 - 6 mm sono saldati su due tronconi di colonna (in profilo cavo rettangolare, quadrato o circolare), mentre uno spezzone non irrigidito della stessa colonna, di altezza pari a quella della trave, viene posto in mezzo. La colonna è cioè interrotta due volte dai piatti che l’attraversano. Le saldature tra colonna e piatti sono del tipo a completa penetrazione con preparazione a V. La connessione della trave, è resa possibile saldando in officina un moncone di trave stessa alla colonna (figura 2b), con una saldatura a completa penetrazione tra ali della trave e piatti, ed una a cordoni d’angolo tra anima del moncone di trave e parete della colonna, e quindi collegando la trave in opera con giunti a doppio coprigiunto a completo ripristino.

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