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Nodi in acciaio: cosa sono e un esempio applicativo per il calcolo e la verifica

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I nodi in acciaio sono intersezioni tra gli assi degli elementi strutturali in acciaio. Scopri le diverse tipologie di nodi strutturali e come eseguire il calcolo e la verifica con un esempio pratico

Nell’immaginario collettivo una struttura viene quasi sempre identificata con una struttura in cemento armato. Negli ultimi tempi, però, un numero sempre crescente di progettisti si lascia affascinare dalle strutture metalliche. Quando si progettano strutture metalliche è necessario effettuare la verifica degli elementi strutturali in particolar modo dei nodi in acciaio che restano ad oggi un problema di difficile soluzione a meno che non si decida di usare un software verifica nodi acciaio che consenta una modellazione libera del nodo e un calcolo agli elementi finiti (FEM) per coniugare libertà di progettazione e rigorosità di calcolo.

Se anche tu ti trovi a dover affrontare l’arduo compito di dover calcolare i nodi in acciaio ti consiglio di provare subito un software verifica nodi acciaio e di iscriverti al webinar gratuito che si terrà in occasione della Convention ACCA, in cui potrai scoprire il modo più semplice ed efficace per svolgere il calcolo e la verifica dei nodi in acciaio.

Di seguito trovi una panoramica sulle caratteristiche dei nodi acciaio, le loro classificazioni e ti fornisco un esempio pratico su come calcolare i nodi in acciaio.

Cosa sono i nodi in acciaio?

Un nodo in acciaio è l’intersezione tra gli assi degli elementi strutturali in acciaio. Le strutture metalliche in acciaio nascono dall’assemblaggio di vari elementi strutturali che devono essere fra di loro uniti tramite collegamenti indispensabili alla realizzazione dell’organismo edilizio tridimensionale. La struttura è solitamente costituita da elementi monodimensionali (travi e pilastri) e da elementi bidimensionali (piastre) che possono essere semilavorati, forati e assemblati in un luogo diverso da quello di montaggio.

Un classico esempio di nodo in acciaio è dato dall’intersezione tra un pilastro con una o più travi, dall’intersezione di due o più travi e, infine, dal collegamento degli elementi in elevazione con la struttura di fondazione.

Esempio di nodo in acciaio

Esempio di nodo in acciaio

Lo studio dei collegamenti in acciaio riveste un ruolo fondamentale per la stabilità globale della struttura. I nodi devono essere progettati e realizzati coerentemente con le ipotesi utilizzate nella verifica di stabilità globale, in modo da poter realizzare vincoli in perfetta aderenza a quanto ipotizzato in fase di calcolo. A tal fine risulta necessario, da parte del progettista strutturale, focalizzare l’attenzione sul progetto e la verifica di tali nodi.

Tipologie di nodi strutturali: classificazione delle connessioni in acciaio

I nodi vengono classificati sia in funzione dei mezzi di unione adoperati sia in funzione degli elementi strutturali collegati.

Classificazione per mezzi di unione adoperati

I mezzi di unione adoperati all’interno dei nodi in acciaio sono così classificati:

  • unioni chiodate;
  • unioni saldate;
  • unioni ad attrito con bulloni ad alta resistenza.

E’ possibile poi individuare un’ulteriore classificazione dei collegamenti in base alla rigidezza ed in base alla resistenza.

In base alla rigidezza i nodi possono essere classificati in:

  • a cerniera: tale tipo di nodo deve essere progettato in modo tale che non possano svilupparsi momenti apprezzabili che potrebbero avere un effetto negativo sugli elementi della struttura. Un nodo a cerniera è in grado di consentire la rotazione relativa delle parti unite senza far insorgere momenti secondari;
  • rigido: tale nodo deve essere progettato in modo che la sua deformazione non abbia un’influenza apprezzabile sulla distribuzione delle forze e dei momenti interni della struttura, né sulla deformazione globale. Le deformazioni dei collegamenti rigidi devono essere tali da non ridurre la resistenza della struttura di oltre il 5%. I collegamenti rigidi devono essere capaci di trasmettere le forze e i momenti calcolati nel progetto;
  • semirigidi: un nodo che non soddisfa i criteri per un collegamento rigido o per un collegamento a cerniera deve essere classificato come semirigido.

In base alla resistenza i nodi possono essere classificati come:

  • a cerniera (articolazioni): quando il nodo è in grado di trasmettere le forze di progetto senza far insorgere momenti secondari all’interno della struttura. La capacità rotazionale deve essere sufficiente da permettere lo sviluppo della cerniera plastica;
  • a completo ripristino di resistenza: quando il nodo è in grado di trasmettere le caratteristiche di sollecitazione ultime dell’elemento meno resistente che converge nel nodo;
  • a parziale ripristino della resistenza: quando il nodo è in grado di trasmettere le caratteristiche di sollecitazione di progetto, ma non quelle ultime dell’elemento meno resistente convergente nel nodo.

Classificazione in funzione degli elementi strutturali collegati

Nell’ottica di una possibile classificazione dei nodi che si vengono a creare all’interno di una struttura in acciaio è possibile individuare:

  • connessione trave-colonna: sono tipicamente sede di cerniere plastiche in un eventuale meccanismo di collasso della struttura. Tra i due elementi convergenti nel nodo la colonna rappresenta l’elemento più debole per effetto dei fenomeni di instabilità. Tale connessione ha spesso la funzione di trasmettere i momenti flettenti da una trave a quella adiacente, affidando alla colonna le azioni taglianti e una frazione del momento flettente. I giunti trave-colonna soggetti ad elevati valori di momento flettente sono tipici delle strutture intelaiate. Per esse i nodi possono essere:
    • a completo ripristino,
    • a completo ripristino delle sole capacità flessionali,
    • a parziale ripristino con sufficiente capacità di rotazione.

Al fine del progetto di una struttura intelaiata sismoresistente, si deve ottenere un meccanismo duttile tramite l’attivazione delle cerniere plastiche localizzate alle estremità delle travi e al piede delle colonne del primo piano, evitando meccanismi di piano soffice. In questo caso le regole di gerarchia trave-colonna possono essere meno severe delle verifiche allo stato limite di danno essendo la progettazione sismica dei telai condizionata dalle limitazioni degli spostamenti laterali, così come dalle limitazioni degli effetti instabilizzanti dovuti ai carichi laterali. È pertanto necessario realizzare nodi capaci di garantire un’elevata duttilità e un’adeguata rigidezza flessionale nei casi in cui la limitazione della deformabilità laterale risulti particolarmente restrittiva.

  • connessione trave-trave: tra i due elementi convergenti nel nodo è possibile identificare, nella maggioranza dei casi, una trave principale e una trave secondaria. Tra i due elementi convergenti si realizza preferibilmente un nodo a cerniera ricorrendo all’ausilio di squadrette angolari e bulloni. Il collegamento fra la trave secondaria e la trave principale tramite il nodo cerniera è in grado di garantire il trasferimento dello sforzo di taglio dall’anima della trave secondaria all’anima della trave principale. In funzione degli elementi costituenti la connessione è possibile realizzare giunti a completo ripristino della resistenza sia flessionale che tagliante, giunti a completo ripristino della sola resistenza flessionale (con i dovuti accorgimenti) e giunti a parziale ripristino della resistenza flessionale tali da permettere rotazioni.
    Esempio di nodo trave colonna

    Esempio di nodo trave colonna

  • connessioni di controventatura: alcuni giunti trave-colonna sono resi più complessi dalla presenza delle diagonali di controvento. La loro forma e tipologia varia al variare dei profili impiegati. È possibile individuare due tipologie di controventi:
    • Controventi concentrici: in funzione dell’orientamento della diagonale e della tipologia di connessione introdotta, la deformata post-critica della diagonale può essere caratterizzata dalla formazione di cerniere plastiche presso flessionali al centro della diagonale oppure anche alle due estremità. I collegamenti all’estremità dei controventi devono essere progettati per favorire l’instabilità in compressione, che rappresenta una tipica modalità di danneggiamento. L’energia sismica all’interno delle strutture sismoresistenti controventate viene dissipata attraverso la plasticizzazione delle diagonali soggette a trazione. Le principali tipologie di collegamento per le strutture a controventi concentrici sono:
      • Collegamento diagonale-trave-colonna
      • Collegamento diagonali-travi (controventi con V rovescia)
      • Collegamento diagonale-diagonale (controventi a X)
    • Controventi eccentrici: la dissipazione dell’energia sismica avviene attraverso la plasticizzazione del link, mentre le diagonali del controvento devono essere progettate per rimanere stabili in campo elastico. A differenza dei controventi concentrici, i collegamenti delle diagonali dovranno essere concepiti per vincolare le deformazioni flessionali sia nel piano sia fuori piano. Le principali tipologie di collegamento per le strutture a controventi eccentrici sono:
      • Collegamento diagonale-trave
      • Collegamento link-colonna
  • connessioni colonna-fondazione: il giunto di base delle colonne può essere compresso, pressoinflesso e con contemporanea presenza di azione tagliante. Le sollecitazioni da prendere in considerazione nella progettazione del nodo sono quelle conseguenti lo schema di calcolo assunto. È possibile individuare una serie di problematiche nella modellazione del giunto di base quali la verifica delle dimensioni geometriche in pianta della piastra base, la posizione e il diametro dei tirafondi, il dimensionamento e lo spessore della piastra di base e delle eventuali costole, la trasmissione delle forze taglianti.

Classificazione dei nodi in acciaio in base alle forze trasmesse

In funzione delle sollecitazioni trasmesse dal nodo è possibile individuare:

  • connessione a taglio: è un giunto che consente la trasmissione delle forze di taglio tra due elementi attraverso un collegamento bullonato. In genere vengono utilizzati per collegare travi con altre travi o con colonne (sollecitazioni nel nodo: taglio e trazione);
  • connessione a momento: è un giunto in grado di trasmettere le sollecitazioni dovute al momento flettente tipicamente tra una trave ed un pilastro. Tale tipo di connessione rappresenta un’elevata rigidezza sia in termini di traslazione che di rotazione;
  • connessione a trazione: è un giunto che consente la trasmissione degli sforzi di trazione alla struttura. Un tipico esempio può essere dato dalle diagonali degli elementi di controvento.

Che tipo di verifica bisogna effettuare sugli elementi del nodo in acciaio

Le verifiche degli elementi che costituiscono il nodo in acciaio da eseguire sono:

  • verifica a taglio del bullone;
  • verifica a trazione del bullone;
  • verifica a rifollamento del piatto di unione e dell’elemento collegato;
  • verifica a punzonamento della piastra di unione e dell’elemento collegato;
  • verifica a taglio e trazione.

Tali verifiche possono essere eseguite sfruttando due possibili approcci uno che sfrutta le formulazioni riportate in letteratura e l’altro che si avvale dell’analisi FEM del collegamento.

C’è da sottolineare che l’approccio semplificato proposto in letteratura è applicabile solo in condizioni prestabilite e decisamente vincolanti dal punto di vista geometrico/progettuale ed inoltre portano ad un grado di approssimazione dei risultati non trascurabile.

Avvalersi di una modellazione agli elementi finiti di una connessione in acciaio, oltre a lasciare la massima libertà geometrica degli elementi che convergono all’interno del nodo (del resto con un analisi FEM “se lo puoi disegnare lo puoi calcolare!”), consente un’ottimizzazione dei materiali coinvolti con un notevole risparmio anche in termini economici (piastre di dimensioni e spessori minori, un numero minore di bulloni coinvolti nel collegamento) e soprattutto un risparmio in termini di ore di lavoro da parte dello strutturista per progettare, calcolare e verificare le connessioni.

Esempio applicativo: calcolo e verifica di nodi in acciaio

In questa sezione viene illustrato un caso studio che prevede il calcolo e la verifica di un nodo in acciaio di una struttura di nuova costruzione. Per eseguire la modellazione della struttura in acciaio è stato utilizzato il software per il calcolo strutturale mentre per la modellazione agli elementi finiti (FEM) del nodo in acciaio ci si è avvalsi del software per la verifica nodi acciaio NeXus.

L’edificio si compone di due piano fuori terra con una quota di interpiano di 3.00m. Gli orizzontamenti sono costituiti da solai in lamiera grecata con un getto di calcestruzzo di altezza complessiva di 12cm. La struttura in esame è inscrivibile all’interno di un quadrato di lato 9.30m.
Gli elementi portati verticali sono realizzati con profilati HEA 260, le travi perimetrali sono IPE 220, scatolari con spigoli arrotondati di sezione 90x90x4.0 e controventi verticali con diagonali di sezione UPN 120 e profilati a L con i lati uguali di sezione L80x80x10.

mosdello struttura in acciaio edilus

Modello della struttura in acciaio eseguito con il software di calcolo FEM EdiLus

Eseguito il calcolo della struttura si passa al progetto e alla verifica dei nodi in acciaio. Procediamo con il calcolo di una connessione trave-pilastro-controventi che, essendo un nodo non ricadente all’interno delle condizioni semplificate riportate in letteratura, necessita di un’analisi approfondita per la sua verifica. Per tale motivo ci si avvarrà dell’ausilio del software di calcolo agli elementi finiti (FEM) delle connessioni in acciaio NeXus sfruttando l’integrazione dinamica presente all’interno di EdiLus. 

Per prima cosa selezioniamo all’interno di EdiLus il nodo da analizzare, dopodiché scegliamo di integrare con NeXus. Questa funzionalità ci consente di importare all’interno di NeXus la geometria delle aste convergenti all’interno del nodo nonché le sollecitazioni agenti.

Integrazione NeXus EdiLus

Integrazione con NeXus

Importazione geometria NeXus

Importazione della geometria in NeXus

All’interno di NeXus sarà possibile editare il collegamento effettuando i tagli tra gli elementi convergenti, inserire piastre, bulloni e saldature. Il rivoluzionario input 3D consente di progettare qualsiasi tipo di collegamento in modo semplice e veloce.

Inserimento degli elementi del nodo

Inserimento degli elementi che costituiscono il nodo

Alla fine delle operazioni di inserimento degli elementi è possibile visionare il risultato finale.

Modello nodo acciaio ultimato

Modello del nodo ultimato

Una volta ultimato l’inserimento degli oggetti che definiscono il nodo, è possibile eseguire il calcolo del modello della connessione ed osservare i risultati del calcolo.

Risultati del calcolo dei nodi acciaio

Risultati del calcolo dei nodi acciaio

Dai risultati del calcolo si evince che le verifiche risultano tutte soddisfatte rispettando a pieno le indicazioni normative (D.M. 2018 e Circolare 2019).

A calcolo eseguito verranno generati i dettagli esecutivi, i tabulati di calcolo e le relazioni. Sarà inoltre possibile ritornare all’interno di EdiLus portando all’interno del modello generale della struttura i dettagli costruttivi ed i tabulati che verranno automaticamente integrati all’interno degli elaborati progettuali.

Sfruttando l’integrazione dinamica tra EdiLus e NeXus è possibile produrre tutti gli elaborati necessari al deposito presso gli uffici competenti dei risultati del calcolo e della loro validità.

L’utilizzo combinato di EdiLus e NeXus di Acca Software garantiscono al progettista strutturale la progettazione di qualsiasi struttura in acciaio e dei rispettivi nodi dai più semplici ai più complessi! Se vuoi capire appieno come questi due software possono rivoluzione il mondo della progettazione di connessioni in acciaio ti consiglio di iscriverti gratuitamente agli eventi dedicati della Convention ACCA 2022.

 

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