Studi di Validazione dell'Acciaio Leggero
Questo articolo riassume gli studi di validazione dei calcoli di pannelli, montanti, travi e pilastri in acciaio leggero. La validazione è stata condotta per livelli: le proprietà di sezione sono state confrontate con il catalogo del produttore, le grandezze torsionali con la soluzione in forma chiusa e con un'applicazione indipendente, la catena di resistenza con le equazioni normative e il calcolo manuale, la derivazione delle sollecitazioni con il calcolo manuale; l'intero flusso, dalle impostazioni alla relazione, è stato eseguito da capo a fondo su progetti di esempio. Per le relazioni v. l'articolo Fondamenti Teorici della Progettazione in Acciaio Leggero.
1. Proprietà di sezione: 527 profili × catalogo
Per ogni profilo della libreria unificata dei profili predefiniti in acciaio leggero, le proprietà lorde calcolate con il modello a linee d'asse con spigoli vivi sono state confrontate con il catalogo (modello / catalogo − 1):
| Famiglia (numero) | A | Ix | Iy |
|---|---|---|---|
| C (89) | +1,4% … +5,5% | +1,9% … +5,3% | +3,2% … +6,6% |
| Z (90) | +1,4% … +6,6% | +1,9% … +6,4% | +3,4% … +8,3% |
| U (88) | +0,8% … +2,5% | +1,2% … +2,8% | +0,1% … +1,2% |
| Sigma (90) | +1,7% … +6,0% | +2,0% … +4,6% | +3,8% … +8,5% |
| C+ (87) | +2,4% … +6,4% | +2,5% … +4,5% | +3,3% … +6,4% |
| Sigma+ (83) | +2,7% … +5,9% | +2,6% … +3,9% | +4,0% … +7,2% |
Gli scostamenti sono uniformi e derivano dall'ipotesi del modello a spigoli vivi (con gli angoli arrotondati lo scostamento dell'area scende in media all'1%). Poiché nel progetto A, Ix e Iy lorde sono assunte direttamente con i valori di catalogo, lo scostamento non incide sul progetto; la posizione del baricentro coincide con il catalogo entro 0,4 mm.
2. Grandezze torsionali
| Prova | Risultato |
|---|---|
| Soluzione in forma chiusa — sezione U piana (b = 50, h = 100, t = 2 mm) | Distanza del centro di taglio e costante di ingobbamento identiche alla soluzione numerica |
| Programma vs. applicazione indipendente, 90 profili Sigma | Massima differenza relativa per J, Cw e centro di taglio < 3·10⁻⁵ |
3. Metodo generale per l'instabilità distorsionale
Il metodo generale (HCBTİE 4.10.3.3) è stato validato per tre vie indipendenti: un calcolo indipendente riscritto dalle pagine della normativa, due risolutori a strisce finite distinti e la revisione del codice. Il calcolo indipendente ha riprodotto su sei sezioni la tensione critica e la semilunghezza d'onda critica con una precisione migliore di un millesimo:
| Sezione | Fcrd compressione, programma / indipendente (MPa) | Fcrd flessione, programma / indipendente (MPa) |
|---|---|---|
| S200-50x67x16x2 | 183,0 / 183,0 | 377,4 / 377,4 |
| C200x80x16x2 | 169,2 / 169,2 | 300,0 / 300,0 |
| Z200x60x15x2 | 175,6 / 175,6 | 411,7 / 411,7 |
| Z400x100x21x2 | 55,2 / 55,2 | 164,6 / 164,6 |
| C+200-89x25x15x4 | 606,5 / 606,5 | 922,4 / 922,4 |
| S+200-55x95x25x15x4 | 574,7 / 574,7 | 850,0 / 850,0 |
Nei casi con un modo distorsionale marcato, il metodo generale è coerente con la soluzione a strisce finite nella fascia −7% … +0% in compressione e +4% … +14% (a favore della sicurezza) in flessione. Nelle sezioni Sigma il metodo è nettamente a favore della sicurezza perché considera l'anima piana; nelle sezioni C+ in compressione resta leggermente sopra il valore a strisce finite, per cui per queste sezioni l'opzione delle strisce finite è stata resa predefinita.
4. Risolutore a strisce finite
Il risolutore a strisce finite del programma è stato prima verificato con le matrici di singola striscia rispetto a un risolutore di riferimento indipendente (differenza relativa ≤ 2·10⁻¹⁰), quindi sono state confrontate le tensioni critiche con la stessa mesh (piastra piana, angolare, sezioni C, Sigma, Z e C+; risultati identici). Su tutti i 439 profili con labbro del catalogo (861 casi di compressione/flessione) la massima differenza tra le tensioni critiche dei due risolutori è stata 9·10⁻⁵, la media 8·10⁻⁶. Raddoppiando l'infittimento della mesh i risultati variano al massimo dello 0,3%.
5. Trave e pilastro (sezione assegnata all'elemento)
In un progetto di prova sono state assegnate alla trave e al pilastro la SIGMA S200-50x67x16x2 e un materiale S235. I valori del programma sono stati confrontati con un calcolo indipendente e con il calcolo manuale:
| Grandezza | Calcolo manuale / calcolo indipendente | Programma (LRFD) | Risultato |
|---|---|---|---|
| Resistenza a flessione della trave Md (L = 6,0 m, determinante l'instabilità flesso-torsionale laterale) | 2,450 kNm | 2,450 kNm | Identico |
| Resistenza a taglio della trave Vd | 32,39 kN | 32,39 kN | Identico |
| Resistenza a compressione della trave Pd | 16,92 kN | 16,92 kN | Identico |
| Pilastro Pd / Md,x / Md,y (KL = 3,0 m) | 54,83 kN / 6,587 kNm / 1,578 kNm | 54,83 / 6,587 / 1,578 | Identico |
Anche i valori ASD (GKT) coincidono esattamente con i corrispondenti coefficienti di sicurezza.
6. Modello delle sollecitazioni e flusso completo
- La derivazione delle sollecitazioni assiali dei montanti intermedi e di estremità dalle sollecitazioni interne del pannello, del momento da vento nelle pareti esterne e dei rapporti di effetto combinato è stata confrontata con il calcolo manuale per LRFD e ASD e coincide esattamente con i valori della relazione.
- Le regole sull'irrigidimento di bordo (HCBTİE 4.9.3) e sulla sezione Z sono state validate con il calcolo manuale.
- L'ancoraggio dei pannelli, la quota della lastra di gesso, il calcolo dell'azione sismica con T = 0,2 s, la proporzionalità delle rigidezze dei pannelli alla capacità e il progetto delle fondazioni con D sono stati verificati separatamente su progetti di esempio in acciaio leggero a uno e a tre piani.
- Sui progetti di esempio la catena impostazioni → analisi → relazione → PDF ha funzionato senza errori nelle esecuzioni automatiche; le impostazioni sono state salvate sia in formato testo sia in formato binario del progetto e rilette in modo identico.
7. Valutazione complessiva
Le proprietà lorde di sezione sono coerenti con il catalogo; le grandezze torsionali sono validate con la soluzione in forma chiusa e con l'applicazione indipendente; la catena di resistenza coincide con le equazioni normative e il calcolo manuale, la derivazione delle sollecitazioni con il calcolo manuale. Il modulo è idoneo all'uso nell'ambito indicato (sezioni predefinite C, Z, U, C+, Sigma e Sigma+).
È indispensabile che tutti i risultati prodotti dal software siano verificati dall'ingegnere responsabile.