17. Teoria e Progetto di Ponti - travi da ponte

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Lezione n° 17
Corso di Teoria e Progetto di Ponti – A/A 2013-2014 - Dott. Ing. Fabrizio Paolacci
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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS
Sistemi di connessione (Introduzione)
Lo sviluppo di sistemi composti acciaio-cls è evidentemente dovuto allo sviluppo
di efficienti sistemi di connessione tra profili d’acciaio a soletta in cls, i quali
devono essere in grado annullare lo scorrimento tra le due parti e di trasmettere
adeguatamente le forze che i due materiali si scambiano all’interfaccia del
collegamento. Si parla nel caso specifico di travi composte acciaio-cls di
collegamenti a taglio. Dal punto di vista meccanico i connettori sono caratterizzati
da:
Rigidezza: connettori rigidi annullano lo scorrimento tra cls e acciaio e le forze di
scorrimento si trasmettono proporzionalmente al taglio. Nel caso di connessione
poco rigida si è in presenza di una ridistribuzione della sollecitazione per la
presenza di scorrimento tra soletta e profilo d’acciaio
Resistenza: se i connettori hanno una resistenza a taglio tale che la sezione
arrivi a rottura per superamento del momento ultimo si parla di connettori a
totale ripristino di resistenza. In caso contrario si parla di connettori a parziale
ripristino di resistenza
Duttilità: la duttilità dei connettori è loro capacità di avere deformazioni
plastiche senza per altro raggiungere la rottura. Connessioni duttili permettono
una più uniforme distribuzione della sollecitazione tra i connettori.
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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS
(Sistemi di connessione)
Tipologie di connettori
Esistono in commercio una notevole quantità di brevetti per sistemi di
connessione per travi composte acciaio-cls:
Pioli Nelson: sono i più usati anche perché sono facilmente installabili e non
richiedono saldatori specializzati. Hanno inoltre la testa ringrossata per evitare il
sollevamento (Uplift) della soletta rispetto al profilo d’acciaio. E’ una connessione
di tipo duttile.
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(Sistemi di connessione)
Tipologie di connettori – Pioli Nelson
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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS
(Sistemi di connessione)
Tipologie di connettori
Connettori ad attrito
SI UTILIZZANO IN GENERE IN
PRESENZA DI SOLETTE
PREFABBRICATE
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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS
(Sistemi di connessione)
Tipologie di connettori
Connettori a pressione
Evitano il sollevamento
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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS
(Sistemi di connessione)
Connettori a blocco: uncini e cappi
(si usano in presenza di solette piene)
Tipologie di connettori
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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS
(Sistemi di connessione)
Tipologie di connettori
Connettori misti a pressione e a blocco con uncini e cappi
(si usano in presenza di solette piene)
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(Sistemi di connessione)
CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI
i
T1
T2
Connettori rigidi e poco duttili
Nell’ipotesi di connettori rigidi e poco duttili
la forza su ogni connettore si valuta con la
formula di Jourawsky:
(T1  T2 ) *
S
2
Fc    b  i 
i
J id
Se si utilizzassero connettori uguali, per
sfruttare la meglio la loro resistenza sarebbe
necessario disporli a passo non costante.
L’EC4 al punto 6.2.2 permette la
disposizione dei connettori a passo
variabile in accordo con l’andamento
del Taglio calcolato con la teoria
elastica.
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(Sistemi di connessione)
CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI
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CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI
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CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI
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CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI
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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS
(Sistemi di connessione a pioli)
CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI
CONNETTORI POCO RIGIDI E DUTTILI
Ma mano che la rigidezza dei connettori diminuisce la distribuzione delle sollecitazioni si
allontana dall’andamento lineare e tende ad essere uniforme per connettori duttili. Se al
limite i connettori fossero infinitamente duttili sarebbe utilizzabile tutta la loro resistenza. In
tal caso la loro disposizione sarebbe evidentemente a passo costante. L’Eurocodice 4 (punto
6.1.2) così come le NTC (punto 4.3.4.3.1.1) definiscono un sistema di connessione a
pioli duttile se:



diametro  compreso tra 16 e 22 mm
altezza h> 4
n° connettori N > 0.4 Nf (n° di connettori per completo ripristino di resistenza)
Connettori a totale e parziale ripristino di resistenza (Eurocodice 4)
L’EC4 e le NTC prevedono due tipologie di connettori in funzione proprio della distribuzione
delle sollecitazioni. Nel caso i connettori permettano il raggiungimento del momento ultimo
della sezione, senza che per essi sopraggiunga la rottura, si parla di connessioni a totale
ripristino della resistenza. In caso contrario si parla di connessioni a parziale ripristino di
resistenza.
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(Sistemi di connessione)
CALCOLO DEL NUMERO DI PIOLI
CONNETTORI A TOTALE RIPRISTINO DI RESISTENZA
In tal caso la forza che essi dovranno sopportare è evidentemente data dal minimo tra la
resistenza a trazione dell’acciaio e a compressione della soletta di cls:
Fc  min( Rc , Rs ) dove Rc  b0 sf cd
Rs  As f yd
Il numero dei connettori per motivi di simmetria della sollecitazione di scorrimento è dato
dal rapporto tra Fc e la resistenza del singolo connettore.
(Diagramma dello scorrimento)
Fc/(L/2)
Numero connettori
+
Nc=Fc/Pc
-
Fc
Passo connettori
se M pl , sez.comp  2.5M pl , profilo
i=Nc/(L/2)
i= costante
i  5
L
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Sistemi di connessione
CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI
Connettori a parziale ripristino di resistenza: Il calcolo dei connettori può essere
effettuato anche nell’ipotesi che la connessione non permetta il raggiungimento del
momento ultimo della sezione. In tal caso si parla di parziale ripristino di resistenza, e
occorre calcolare la reale forza di scorrimento trasmessa ai pioli corrispondente alla reale
sollecitazione di taglio calcolato con la teoria plastica. In alternativa l’EC4 permette l’utilizzo
di una relazione lineare tra Momento e forza di scorrimento (metodo dell’interpolazione
lineare).
M
Mpl,c
Zona di collasso per
schiacciamento del cls
Zona di collasso dei connettori
Ms,pl
Zona di collasso acciaio
Fc
Metodo dell’interpolazione lineare
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Sistemi di connessione
CALCOLO DELLA RESISTENZA DEI CONNETTORI – EC4, NCT08
La resistenza del connettore è stata determinata mediante numerose prove sperimentali, i
cui risultati sono stati utilizzati per tarare delle formule interpretative che tengono conto
dell’interazione tra resistenza del cls e del connettore. L’Eurocodice 4 tende ad essere
ancora più semplificativo distinguendo la rottura del cls da quella del connettore:
Pc  minPr ,cls , Pr ,c  dove
Pr ,cls 
0.29
v
RESISTENZA MASSIMA DEL CONNETTORE SECONDO EC4
 2 f ck Ecm
f u  2
Pr ,c  0.8
v 4
Resistenza a rifollamento del cls
Resistenza a taglio del connettore
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CALCOLO DELL’ARMATURA TRASVERSALE DELLA SOLETTA (EC4,NCT08)
Alla verifica dei collegamenti va associata anche una verifica allo scorrimento delle sezioni
che non tagliano i connettori e che potrebbero andare in crisi per scorrimento. Nel caso di
pioli data la resistenza a scorrimento unitaria del cls si deve verificare che quest’ultima
applicata alle due superfici a-a indicate in figura dia luogo ad una forza maggiore dello
scorrimento trasmesso dalla connessione. Per la determinazione dell’armatura trasversale
necessaria è sufficiente far riferimento al modello a traliccio indicato il figura. Detta Pc la
resistenza del connettore la forza di trazione che agirà sull’armatura trasversale sarà
semplicemente Fs=Pc/2 con la quale si potrà dimensionare l’armatura As=Fs/fyd
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Sistemi di connessione
CALCOLO DELL’ARMATURA TRASVERSALE DELLA SOLETTA (EC4,NCT)
Le NTC e l’EC4 prescrivono un’armatura trasversale minima pari allo
0.2% dell’area del calcestruzzo longitudinale. Considerando un’area
pari allo spessore s della soletta per un metro di lunghezza
longitudinale della soletta l’area minima di armatura trasversale si può
esprimere come:
As,w,min = 0.002  s  1
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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS
Influenza delle modalità costruttive
La realizzazione di travi composte acciaio-cls avviene generalmente per
fasi successive secondo modalità differenti ognuna delle quali può
influenzare lo stato tensionale finale della trave. In particolare sono due
le fasi principali da considerare:
a) SOLETTA NON COLLABORANTE
In questa fase la soletta non collabora alla resistenza in quanto il cls non
ha raggiunto ancora la maturazione opportuna
In questa fase la trave in acciaio può essere o meno puntellata
b) SOLETTA COLLABORANTE
Dopo la presa e l’indurimento del cls la soletta è parte integrante della
sezione e contribuisce per sole tensioni di compressione alla resistenza
della sezione
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Influenza delle modalità costruttive
Il grafico seguente illustra le varie possibili fasi con particolare attenzione ai casi di travi
puntellate e non puntellate.
Travi puntellate
Nel caso di travi di acciaio puntellate i
puntelli limitano o eliminano del tutto le
tensioni nella trave di acciaio prima che la
soletta indurisca. Esiste di fatto una sola
fase nella quale la trave è da considerare
composta. La rigidezza in fase di esercizio
(a lungo termine) è dunque elevata.
Travi non puntellate
Nel
caso
di travi
non puntellate
inizialmente il sistema è più deformabile
(trave d’acciaio soggetta al peso della
soletta) per diventare successivamente
più rigido dopo la maturazione del cls.
Se i materiali sono duttili si perviene però allo stesso carico ultimo. Dunque le modalità
costruttive assumono particolare rilevanza solo in fase di esercizio.
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Influenza delle modalità costruttive
Guadagno di rigidezza grazie al puntellamento
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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS
Influenza delle modalità costruttive: TRAVE NON PUNTELLATA
Momento dovuto al
peso proprio della
trave e al peso
della soletta
Momento dovuto ai sovraccarichi
permanenti e variabili
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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS
Influenza delle modalità costruttive: TRAVE NON PUNTELLATA
Verifiche
Fase di costruzione (trave d’acciaio)
•
•
•
Verifica in esercizio con controllo degli spostamenti
Verifiche in esercizio (instabilità flesso-torsionale, imbozzamento anima)
Verifica allo SLU
Soletta collaborante (trave composta)
•
•
•
•
Verifica in esercizio con controllo degli spostamenti e della fessurazione
Verifiche in esercizio (instabilità flesso-torsionale, imbozzamento anima)
Verifica allo SLU
Calcolo e verifica dei connettori
• Se flessibili e duttili : calcolo plastico
• Se rigidi e poco duttili : calcolo elastico
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Influenza delle modalità costruttive: TRAVE PUNTELLATA
Trave puntellata (profilo d’acciaio)
+
Fase di disarmo (soletta collaborante)
+
=
=
Trave senza puntelli (soletta collaborante)
Momento dovuto al peso trave e soletta
Momento dovuto ai Sovr. Per. e Variabili
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Influenza delle modalità costruttive: TRAVE PUNTELLATA
Verifiche
Fase di costruzione (trave d’acciaio)
•
•
•
Verifica in esercizio con controllo degli spostamenti
Verifiche in esercizio (instabilità flesso-torsionale, imbozzamento anima)
Verifica allo SLU
Soletta collaborante (trave composta)
•
•
•
•
Verifica di esercizio, spostamenti + fessurazione (azioni disarmo +s. per+var)
Verifiche in esercizio (instabilità flesso-torsionale, imbozzamento anima)
Verifica allo SLU
Calcolo e verifica dei connettori
• Se flessibili e duttili : calcolo plastico
• Se rigidi e poco duttili : calcolo elastico
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