Progettazione di Travi e Pilastri in Acciaio
Questo articolo descrive l'uso del modulo di progettazione di travi e pilastri in acciaio di StatiCAD. I calcoli sono eseguiti secondo TBDY 2018 e ÇYTHYE (Principi di Progettazione, Calcolo e Costruzione delle Strutture in Acciaio, approccio LRFD): per le travi flessione (compresa l'instabilità flesso-torsionale), taglio, effetto combinato e freccia; per i pilastri instabilità per compressione assiale ed effetto combinato di forza assiale e flessione biassiale. Le sollecitazioni sono ricavate dalla soluzione agli elementi finiti del programma, come valori di inviluppo insieme alle combinazioni di carico a cui appartengono. Per le formulazioni si veda l'articolo Fondamenti Teorici della Progettazione in Acciaio, per i confronti con il calcolo manuale l'articolo Studi di Validazione delle Strutture in Acciaio.
In quali edizioni? I calcoli delle strutture in acciaio sono disponibili nell'edizione StatiCAD Ultimate.
Ambito: la verifica di resistenza è eseguita per profili a I/H laminati a caldo (IPE, IPN, HEA/HEB/HEM, HD/HL/HP). I profili a U, L, T, scatolari e tubolari possono essere assegnati; sono presenti nel modello e nella vista 3D. Il calcolo dei profili formati a freddo (C, Z, Sigma ecc.) è eseguito nel modulo Strutture in Acciaio Leggero.
1. Flusso generale
- Modellare l'edificio in modo normale (travi come cordoli orizzontali, pilastri come cordoli verticali).
- Aprire la finestra Proprietà dell'elemento che sarà in acciaio e assegnare il profilo dalla maschera Selezione Sezione da Catalogo (Fabrikasyon Kesit Seç) con il pulsante Seleziona Sezione (Kesit Seç) (Capitolo 2). Con il profilo, anche il materiale in acciaio (S235 ecc.) viene assegnato all'elemento insieme alla sezione.
- Nella stessa finestra contrassegnare il tipo di progetto dell'elemento come “Acciaio” (Capitolo 3) e premere OK.
- Eseguire l'analisi. Le verifiche di progetto dell'acciaio sono eseguite automaticamente al termine dell'analisi.
- Nell'albero di selezione delle relazioni contrassegnare il gruppo Relazioni degli Elementi in Acciaio (Çelik Eleman Raporları) e generare la relazione (Capitolo 6).
Se a un elemento è assegnato un profilo ma il tipo di progetto non è contrassegnato come “Acciaio”, l'elemento è presente nel modello con la sezione in acciaio (peso, rigidezza, vista 3D) ma non entra nella verifica di progetto dell'acciaio.
2. Libreria dei profili da catalogo e assegnazione della sezione
La maschera Selezione Sezione da Catalogo si apre dal pulsante Seleziona Sezione nelle finestre della trave (Proprietà Cordolo) e del pilastro (Proprietà Cordolo Verticale).
| Campo della maschera | Funzione |
|---|---|
| Tipo di Produzione (Üretim Tipi) | Laminato (Hadde, predefinito): profili laminati a caldo. Cold Formed: profili formati a freddo (modulo acciaio leggero). |
| Categoria (Kategori) | In modalità Laminato: Tümü (Tutti) / I-Wide Flange / Channel / Tee / Angle / Pipe / Tube. |
| Casella di ricerca | Filtra per nome (es. “IPE 3”). |
| Anteprima | La sezione del profilo selezionato è disegnata con la geometria reale; sono elencate le dimensioni principali e le proprietà della sezione. |
| Materiale... | Selezione della classe di acciaio (S235, S275, S355 ecc.). Se non selezionata, si usa la classe di acciaio predefinita. Il materiale è assegnato all'elemento insieme alla sezione. |
| Assegna (Ata) | Scrive il profilo e il materiale nella finestra dell'elemento aperta; la sezione viene aggiunta anche alla libreria delle sezioni del progetto e l'immagine della sezione viene generata per le relazioni. |
| Sezione Definita dall'Utente... | Passa alla sezione definita dall'utente al posto della libreria da catalogo. |
La stessa maschera si apre sia dalla trave sia dal pilastro; l'assegnazione è fatta all'elemento dalla cui finestra è stata aperta. Il profilo assegnato è conservato nella libreria del progetto e viaggia con il file.
3. Selezione del tipo di progetto
| Elemento | Finestra | Opzione |
|---|---|---|
| Trave | Proprietà Cordolo → gruppo tipo di progetto | Acciaio (accanto alle opzioni Cemento armato / Muratura / Legno) |
| Pilastro | Proprietà Cordolo Verticale → gruppo tipo di progetto | Acciaio |
Contrassegnata l'opzione e premuto OK, il tipo di progetto dell'elemento viene salvato come acciaio; al termine dell'analisi questi elementi entrano nella verifica di progetto dell'acciaio e il gruppo Relazioni degli Elementi in Acciaio diventa visibile nell'albero delle relazioni.
4. Calcolo delle travi in acciaio
| Verifica | Normativa | Descrizione |
|---|---|---|
| Flessione | ÇYTHYE Capitolo 9 | Snervamento, instabilità flesso-torsionale inelastica ed elastica; i limiti Lp e Lr sono calcolati e riportati nella relazione. Lo stato limite determinante è indicato nella relazione. |
| Taglio | Capitolo 10 | Vn = 0,6·Fy·Aw·Cv |
| Effetto combinato | Capitolo 11 | Verifica dell'interazione tra flessione, forza assiale e taglio |
| Freccia | Esercizio | Verifica f ≤ L/K; nella relazione è mostrata con la riga “Sehim f = ... ≤ L/K = ...” (freccia f = ... ≤ L/K = ...). |
Lunghezza di vincolo laterale Lb: se i campi di vincolo laterale (Le) nella finestra delle proprietà dell'elemento sono lasciati automatici, si assume la lunghezza L della trave (tra i nodi di estremità); se si inserisce un valore manualmente, si usa quello. Se la trave è vincolata lateralmente in punti intermedi (ad esempio da una trave secondaria che vi si innesta o da un controvento), inserire nel campo Le la massima lunghezza non vincolata.
Coefficiente di correzione del momento Cb: Cb (ÇYTHYE Eq. 9.1) è calcolato separatamente per ciascuna combinazione di carico a partire dal diagramma del momento agli elementi finiti. Poiché Cb varia con la combinazione, la combinazione determinante non è quella che dà il momento massimo, ma quella con il rapporto domanda/capacità più elevato; nella relazione il momento di progetto, il nome della combinazione e Cb si riferiscono a tale combinazione.
- Nelle travi a mensola (con un'estremità non collegata a un pilastro, a un muro o a un'altra trave) si assume Cb = 1,0 (ÇYTHYE 9.1(e)).
- Se nel campo Le si inserisce una lunghezza inferiore a quella della trave, si assume Cb = 1,0 (a favore di sicurezza).
- L'estremità di una trave secondaria che si innesta in una trave principale è considerata un appoggio; Cb è calcolato dal diagramma del momento.
Limite di freccia K: è determinato per singolo elemento, nello stesso punto in cui si seleziona K per la freccia delle travi in legno (predefinito K = 300; a seconda della selezione 200 / 150 / valore inserito manualmente). La freccia è calcolata dal momento di esercizio (G+Q o G+S senza coefficienti); per la trave a mensola si usa l'equivalente del carico di estremità.
5. Calcolo dei pilastri in acciaio
| Verifica | Normativa | Descrizione |
|---|---|---|
| Compressione assiale | Capitolo 8 | Instabilità flessionale negli assi x e y e, per sezioni doppiamente simmetriche, instabilità torsionale; Fcr e φcPn (φc = 0,90) a partire dalla tensione critica elastica determinante. La modalità di instabilità determinante è indicata nella relazione. |
| Snellezza della sezione | Tabella 5.1A | Sono verificati i limiti b/2tf dell'ala e hw/tw dell'anima. L'elemento con sezione snella è contrassegnato esplicitamente nella relazione come “narin enkesit” (sezione snella) e considerato non adeguato. |
| Rapporto di snellezza | Raccomandazione ÇYTHYE | Se KL/r > 200, nella relazione compare in rosso l'avviso “KL/r>200!”. |
| Effetto combinato | Capitolo 11.3 | Compressione assiale + flessione biassiale: Eq. 11.3a (Pr/Pc ≥ 0,2) o 11.3b; l'equazione utilizzata è indicata nella relazione. |
Lunghezza efficace di instabilità KL: per impostazione predefinita si assume la lunghezza del pilastro all'interno del piano (altezza di interpiano e differenze di quota inferiore/superiore) e si ipotizza K = 1,0. Inserendo manualmente valori nei campi Le della finestra Proprietà Cordolo Verticale è possibile definire separatamente la lunghezza di instabilità per ciascun asse.
6. Combinazioni di carico
L'approccio di calcolo è LRFD (φb = φc = φv = 0,90). Le sollecitazioni sono ricavate dall'inviluppo delle combinazioni LRFD di ÇYTHYE (1,4G; 1,2G + 1,6Q + 0,5S; 1,2G + 1,6S + 1,0Q; se presente il vento 1,2G + 1,0Q + 0,5S + 1,6W e 0,9G + 1,6W) e delle combinazioni sismiche del programma (1,2G per il sisma, Q almeno 1,0). Queste combinazioni non modificano l'elenco delle combinazioni di carico del progetto; sono utilizzate solo nella progettazione dell'acciaio. Il nome della combinazione che fornisce l'inviluppo è mostrato nella relazione accanto alla sollecitazione.
Nelle avvertenze dell'analisi la riga “Çelik kiriş/kolon tasarımında rüzgâr birleşimleri yok” (nella progettazione di travi/pilastri in acciaio non sono presenti combinazioni di vento) segnala che nel progetto non è definita alcuna condizione di carico da vento. Nell'elenco predefinito delle combinazioni (TBDY) il vento non è presente; perché il vento entri nel calcolo, nella scheda Combinazioni di Carico selezionare le condizioni di carico definite e le relative combinazioni.
7. Relazioni
Dopo l'analisi, nell'albero di selezione delle relazioni compare il gruppo Relazioni degli Elementi in Acciaio:
| Relazione | Contenuto |
|---|---|
| Calcoli delle travi in acciaio (Çelik Kiriş hesapları) | Piano per piano, un blocco per trave: nome della sezione; materiale (Fy); proprietà della sezione (A, Ix, Wel, Wpl, ry); Lb, Cb, Lp, Lr; momento di progetto (con la combinazione di carico che fornisce l'inviluppo), Mn, rapporto e stato limite determinante; taglio di progetto, Vn e rapporto; effetto combinato; riga della freccia; Sonuç: Yeterli / Yetersiz (Risultato: adeguato / non adeguato) |
| Calcoli dei pilastri in acciaio (Çelik Kolon hesapları) | Proprietà della sezione (A, Ix, Iy, rx, ry); KLx, KLy, KL/r massimo (con avviso, se necessario); forza assiale (con la relativa combinazione), φcPn, rapporto e modalità di instabilità determinante; momenti nei due assi e relative capacità; equazione di interazione e suo valore; Sonuç |
Le verifiche soddisfatte sono contrassegnate in verde con UYGUN (conforme), quelle non soddisfatte in rosso con X. Le relazioni sono generate in turco quando la lingua del programma è il turco, in inglese nelle altre lingue.
8. Vista 3D
Le travi e i pilastri a cui è stato assegnato un profilo sono disegnati nella finestra 3D con la geometria reale della sezione (anima–ali dei profili I/H, scatolare, tubolare, contorno esterno dei profili formati a freddo). Gli elementi senza profilo assegnato appaiono come prismi rettangolari. Le immagini delle sezioni sono inserite anche nelle tabelle delle sezioni delle relazioni.
9. Note importanti
- Per i pilastri con sezione snella, in questa edizione non è applicato il metodo dell'area efficace; il programma non produce alcuna capacità e contrassegna esplicitamente l'elemento. Il risultato non viene mai mostrato silenziosamente come “sicuro”.
- Nel calcolo della trave Cb è calcolato dal diagramma del momento di ciascuna combinazione; nelle mensole e, per Lb breve inserita manualmente nel campo Le, si assume 1,0 (si veda il Capitolo 4).
- Per la lunghezza di instabilità dei pilastri si assume K = 1,0; per condizioni di vincolo diverse, inserire manualmente nei campi Le il valore K·L.
- Il modulo di elasticità del materiale in acciaio è letto dalla libreria dei materiali; non ha importanza che sia definito in kg/cm² o in MPa (l'unità è riconosciuta automaticamente).
- Quando nelle Impostazioni Generali del Progetto sono spuntate le opzioni di offset (Offset1/Offset2, eccentricità), il diaframma rigido genera nelle travi una forza assiale che nella realtà non esiste (318–721 kN negli esempi con IPE 300). Il programma sottrae questa quota nel progetto delle travi; non è necessario disattivare le opzioni. Poiché l'effetto dell'offset sulla rigidezza della trave viene mantenuto, nelle travi con estremità rigide i momenti delle soluzioni con offset attivo e disattivato possono differire (si veda Fondamenti Teorici della Progettazione in Acciaio, Sezione 9.1).
- Le condizioni di duttilità sismica delle sezioni del Capitolo 9 della TBDY, il rapporto di capacità pilastro–trave e gli elementi di controvento non rientrano nell'ambito di questa edizione.
10. Domande frequenti
Nell'albero delle relazioni non compare “Relazioni degli Elementi in Acciaio”. Il gruppo compare se nel progetto è presente almeno una trave o un pilastro con tipo di progetto Acciaio contrassegnato e dopo l'analisi. Verificare che nella finestra delle proprietà dell'elemento l'opzione “Acciaio” sia contrassegnata e che l'analisi sia stata rieseguita.
Nella relazione compare “Profil katalogda bulunamadı”. Il nome della sezione assegnata all'elemento non è stato trovato esattamente nella libreria dei profili da catalogo (ad esempio un nome di sezione modificato a mano). Riassegnare la sezione dalla maschera Selezione Sezione da Catalogo.
Le capacità risultano molto più basse o più alte del previsto. Confrontare prima la riga delle proprietà della sezione nella relazione (A, Ix, Wpl) con la tabella dei profili; poi controllare i valori di Lb, Cb e KL: il vincolo laterale o la lunghezza di instabilità potrebbero essere stati inseriti manualmente. La coerenza dello stato limite della trave (snervamento / instabilità flesso-torsionale inelastica / elastica) con Lp e Lr è visibile nella relazione.
La trave o il pilastro in acciaio appare rettangolare nella vista 3D. All'elemento non è stato assegnato un profilo. Assegnare il profilo seguendo i passaggi del Capitolo 2.
Sullo stesso elemento possono esserci sia la verifica in acciaio sia quella in cemento armato? No; il tipo di progetto è a selezione singola. L'elemento entra nella verifica del modulo corrispondente al tipo contrassegnato.