Giunti nei telai di cerchiatura con Aedes.ACM

Sintesi iniziale.
Un telaio di cerchiatura in acciaio su muratura va modellato partendo dal giunto colonna–trave, classificato per rigidezza rotazionale (rigido/semi-rigido/cerniera) e per capacità flessionale (completo o parziale ripristino). La scelta dello schema shear-type (rotazione di nodo assunta nulla) dipende da ammorsamento dell’architrave e resistenza della muratura in appoggio. In ambito sismico, la verifica dei collegamenti richiama la logica di sovraresistenza delle NTC 2018 e l’impostazione di classificazione/progettazione dei giunti dell’EN 1993-1-8.

Cerchiature su murature: come classificare e modellare il giunto colonna-trave (rigido/semi-rigido/cerniera) e quando usare shear-type.

ACM, il software di AEDES leader da oltre 20 anni per gli interventi locali sulle pareti in muratura, propone una Ricerca approfondita sul dimensionamento dei giunti nei telai di cerchiatura. I metodi illustrati sono applicati dal software nell'analisi di pareti in muratura con aperture consolidate con telai in acciaio

Per il giunto colonna-trave viene effettuata la classificazione in funzione sia della rigidezza rotazionale, sia della capacità portante flessionale.

In ACM la curva di capacità del telaio viene definita mediante un'analisi elasto-plastica, e per il giunto viene adottato un comportamento bilineare (elastico-perfettamente plastico), seguendo la Normativa vigente (§5.1.4 EN 1993-1-8)

La modellazione corretta del telaio di cerchiatura è fondamentale ai fini della verifica di sicurezza: in ACM il giunto può essere rigido, semi-rigido o a cerniera, ed a completo o parziale ripristino di resistenza

IN QUESTO ARTICOLO
Questo documento è dedicato all'analisi dei collegamenti fra montanti e travi nei telai di cerchiatura. Vengono analizzate in dettaglio le capacità dei giunti di collegamento, in modo da generare un modello il più possibile rappresentativo del reale comportamento strutturale del telaio di cerchiatura.

L'applicazione del software Aedes.ACM

Il software ACM elabora la curva di capacità del complesso muratura+cerchiatura considerando il diagramma di comportamento dei maschi e del telaio. Per il telaio, la curva di capacità viene elaborata tramite l'analisi dello schema statico, considerando rigidezza, resistenza e capacità deformativa dei suoi componenti: i profili (montante = colonna, architrave = trave, e traverso inferiore in caso di telaio chiuso) ed i collegamenti (= giunti). 

Informazioni dettagliate sull'operatività di ACM sono fornite nel Manuale d'uso del software: 

www.aedes.it > menu SOFTWARE > ACM: Conoscere i contenuti di ACM

Risultati del software Aedes.ACM: diagrammi e curva di capacità della Cerchiatura

Durante la costruzione della curva di capacità del telaio di cerchiatura, sono possibili crisi flessionali o taglianti nei seguenti componenti strutturali:

• alla base o in sommità del montante sinistro o destro;
• nell'architrave o nel traverso inferiore all'estremo sinistro o all'estremo destro;
• nel giunto di base o di sommità sinistro o destro.

E' inoltre controllato il raggiungimento dello spostamento limite.  

La curva di capacità del telaio concorre, insieme alle curve di comportamento dei maschi murari, alla curva di capacità complessiva della parete muraria in cui il telaio è presente come struttura di cerchiatura.

La principale verifica di sicurezza svolta in ACM consiste nel confronto fra la curva di capacità della parete allo Stato di Progetto con lo Stato Attuale, determinando le variazioni su rigidezza, resistenza e capacità di spostamento a seguito dell'intervento sulla struttura esistente. L'entità di tali variazioni determina infine la qualifica dell'intervento, ad es.: Riparazione locale, nei casi in cui non vi siano modifiche peggiorative o alterazioni di rigidezza eccessive.

Risultati del software Aedes.ACM: verifica di sicurezza della parete in muratura oggetto di intervento

Alla luce della metodologia di analisi, risulta evidente l'importanza della modalità con cui viene schematizzato il vincolamento interno del nodo colonna/trave. La rotazione del nodo di sommità colonna-trave può essere considerata nulla a priori (lo schema statico del telaio è piano, e si tratta della rotazione del nodo nel piano verticale). 

Questa ipotesi può essere applicata quando vi è un buon ammorsamento dell'architrave nella parete, in grado di garantire il comportamento shear-type del telaio. In tal caso, il giunto viene classificato trascurando le componenti di base relative alle ali e all'anima della trave e agli irrigidimenti nell'anima della trave.

Fra i risultati dell'elaborazione di calcolo relativa al comportamento della parete in cui è inserito il telaio di cerchiatura, ACM propone il confronto fra il momento resistente dovuto alla reazione della muratura nella zona di ammorsamento della trave, e il momento di progetto di nodo corrispondente allo spostamento corrispondente allo stato limite ultimo della parete.

Il comportamento shear-type è garantito quando il momento resistente è superiore al momento di progetto. Si osservi che il momento resistente non dipende solo dal prolungamento della trave nel muro, ma anche dallo spessore della parete e dalla resistenza a compressione della muratura. 

Se l'architrave non è prolungata (o non lo è sufficientemente) nel muro adiacente o la resistenza a compressione della muratura nella zona di ammorsamento è scarsa, il blocco della rotazione al nodo colonna-trave non è garantito, ed è opportuno evitare l'ipotesi shear-type. In tal caso, al nodo si consente la rotazione nel piano verticale, e di conseguenza il giunto viene classificato considerando anche le componenti di base relative alla trave. 

Nell'esempio svolto nel presente documento, il giunto viene classificato considerando tutte le possibili componenti, e facendo quindi riferimento ad un'ipotesi di nodi dotati di capacità rotazionale (schema non shear-type).  

Si osservi che normalmente nelle strutture intelaiate in acciaio il giunto viene studiato per l'unione fra una colonna e una trave che viene collegata alla colonna, ad es. bullonata attraverso una piastra. Nel caso particolare del telaio di cerchiatura, il nodo si presenta ruotato di 90°, in quanto è la colonna che viene collegata alla trave. La trave attraversa con continuità la sommità della colonna stessa, fino a prolungarsi entro la muratura nella quale si appoggia. Nel caso di un giunto bullonato con piastra, la piastra è saldata in sommità alla colonna, e il collegamento bullonato si realizza attraverso i fori della piastra e quelli predisposti nell'ala della trave. In conseguenza di ciò, le illustrazioni che corredano il testo normativo di riferimento (EuroCodice EN 1993-1-8), riferite al giunto 'trave con piastra/colonna', devono essere pensate ruotate e cioè riferite al giunto 'colonna con piastra/trave'. 

Ciò premesso, nel seguito si esamina in dettaglio il comportamento del giunto colonna/trave. 

Il comportamento del giunto colonna/trave

Si considerano telai in acciaio, composti da un profilo di tipologia HE o IPE sia per il montante (=colonna) sia per l'architrave (=trave), tra loro non necessariamente uguali. Il giunto presenta doppia simmetria, a causa della sollecitazione ciclica sismica.

L'analisi del collegamento (giunto) fra colonna e trave consiste nella classificazione del giunto in funzione della rigidezza rotazionale e della capacità portante flessionale. 

Classificazione in funzione della rigidezza rotazionale

1. rigido. Gli elementi sono collegati con continuità: non sono consentite rotazioni relative tra colonna a trave;
2. semi-rigido. Nello schema statico del telaio, al giunto corrisponde una cerniera con molla rotazionale: il giunto consente una rotazione relativa tra colonna e trave e nello stesso tempo trasmette azione flettente;
3. cerniera. Colonna e trave sono collegati con una cerniera interna che consente rotazioni relative senza trasmettere momento flettente. 

Classificazione in funzione della capacità portante flessionale

A. giunto a completo ripristino di resistenza. Il momento resistente del giunto è superiore a quello degli elementi collegati; la cerniera plastica si forma nell'elemento strutturale più debole;
B. giunto a parziale ripristino di resistenza: la cerniera plastica si forma nel giunto. Il giunto deve avere capacità rotazionale sufficiente per consentire lo sviluppo della cerniera plastica;
C. giunto a cerniera: il nodo di collegamento fra colonna e trave non può essere sede di plasticizzazioni.  

L'analisi strutturale del telaio di cerchiatura viene effettuata in condizioni sismiche. 

Analisi strutturale del telaio di cerchiatura in condizioni sismiche

La normativa vigente (D.M. 17.1.2018), relativamente ai collegamenti di strutture intelaiate nuove in acciaio sottoposte ad azioni sismiche, prescrive che essi siano progettati in modo da possedere una adeguata sovraresistenza per consentire la formazione delle cerniere plastiche negli elementi collegati (non necessariamente nelle travi, poiché si tratta di telai monopiano: §7.5.4 D.M.17.1.2018). In particolare, il momento resistente del giunto deve essere superiore a 1.1*γ_ov*Mpl,Rd, dove Mpl,Rd è il momento resistente dell'elemento collegato e γ_ov è il fattore di sovraresistenza del materiale.

Nel caso di comportamento shear-type (nodo di giunto a rotazione nulla), la sovraresistenza è rispetto alla colonna; se le rotazioni nel nodo sono consentite, la sovraresistenza è rispetto alla colonna e alla trave. La sovraresistenza farà sì che la plasticizzazione avvenga nell'elemento collegato prima che nel collegamento (quindi, nel corso dell'analisi elastoplastica del telaio  il momento resistente del collegamento non sarà mai raggiunto).

Questa condizione intende conseguire una sufficiente sicurezza nei confronti di azioni di tipo ciclico, quali sono le azioni sismiche. Il giunto, per essere idoneo al progetto antisismico, in base alla classificazione per capacità portante flessionale, dovrà risultare 'a completo ripristino di resistenza': in caso contrario, occorre riprogettarlo. 

Aldilà della capacità portante flessionale, la classificazione del giunto in base alla rigidezza consentirà di definire la rigidità del giunto, e nel caso semi-rigido sarà possibile modellarlo attraverso una molla rotazionale. La conoscenza del diagramma di comportamento del giunto permetterà di valutare correttamente resistenza e deformazione sviluppate dal telaio. 

Occorre tuttavia osservare che il telaio di cerchiatura non corrisponde propriamente ad una nuova struttura in acciaio, quanto piuttosto ad una tecnica di intervento su una struttura in muratura entro la quale il telaio è confinato. 

Adottare la condizione di sovraresistenza del giunto per i telai di cerchiatura equivale a scartare soluzioni intermedie che nell'ottica degli interventi su strutture esistenti possono essere considerate valide se comportano un miglioramento del comportamento statico e sismico della struttura nel suo insieme (la parete muraria contenente il telaio di cerchiatura).

La scelta più appropriata è quindi considerare le strutture di rinforzo per ciò che sono, valutandone gli effetti sull'intervento: condizione indispensabile è ovviamente considerare le reali rigidezze e resistenze dei componenti strutturali, giunto incluso.

ACM consente la definizione della legge di comportamento del giunto attraverso la sua classificazione per rigidezza e per resistenza; fra i risultati dell'elaborazione, viene evidenziata la sua eventuale sovraresistenza.

Poiché la curva di capacità del telaio viene definita mediante un'analisi elasto-plastica, sarà possibile adottare per il giunto un comportamento bilineare (elastico-perfettamente plastico), seguendo §5.1.4 EN 1993-1-8.

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INDICE DEI CONTENUTI
1. INTRODUZIONE
2. GIUNTO BULLONATO
2.1. GIUNTO BULLONATO NON IRRIGIDITO
2.2. GIUNTO BULLONATO IRRIGIDITO
3. GIUNTO SALDATO
4. IMPLEMENTAZIONE NEL SOFTWARE ACM 

 FAQ tecniche

1. Come si classifica un giunto colonna-trave in un telaio di cerchiatura? Con due chiavi: (1) rigidezza rotazionale (rigido, semi-rigido con molla rotazionale, cerniera) e (2) capacità flessionale (completo/parziale ripristino o cerniera). 
2. Quando è ammissibile l’ipotesi shear-type (rotazione nulla al nodo)? Quando l’architrave è ben ammorsato nella muratura e la muratura nella zona di appoggio ha resistenza a compressione sufficiente: in tal caso la rotazione di nodo può essere assunta nulla; altrimenti conviene consentire rotazione (non shear-type). 
3. Cosa cambia tra giunto semi-rigido e giunto a cerniera nel modello? Il semi-rigido trasmette momento con una molla rotazionale (rigidezza finita), la cerniera non trasmette momento: la differenza incide su deformata, tagli e capacità globale del telaio. 
4. Perché la legge bilineare del giunto è coerente con l’analisi elasto-plastica? Perché la curva di capacità del telaio è ricavata con analisi elasto-plastica e il giunto può essere reso con comportamento elastico-perfettamente plastico, come impostazione richiamata dall’EN 1993-1-8. 
5. Quali crisi possono comparire durante la costruzione della curva di capacità del telaio? Crisi flessionali o taglianti nei montanti (base/sommità), in architrave o traverso inferiore (estremi), e nei giunti di base o sommità; è controllato anche lo spostamento limite. 
6. Quali casi non rientrano nella classificazione automatica dei giunti in ACM? Ad esempio telai con colonna/trave non HE o IPE, telai misti acciaio-c.a., telai in c.a., o cerchiature con più telai affiancati in murature molto spesse (serve attenzione alla “coerenza” colonne/travi affiancate).