Elementi rastremati in acciaio: modellazione a vantaggi
Ing. Federico Francia
Abstract: gli elementi rastremati in acciaio rappresentano una soluzione efficace per l’ottimizzazione strutturale. Tuttavia, la variazione lineare dell’altezza di sezione introduce effetti che devono essere attentamente valutati, sia in termini di eccentricità indotte sia in relazione alla classificazione della sezione e ai fenomeni di instabilità locale. Attraverso l’analisi di un semplice telaio piano con travi e colonne a sezione variabile, si mostrano i principali risultati dello studio svolto.
Introduzione
Gli elementi rastremati in acciaio presentano sezioni variabili linearmente lungo il loro asse: sono tipicamente realizzati con profili saldati a I o ad H; il loro utilizzo può consentire un’ottimizzazione strutturale, con conseguente risparmio di materiale.
Nel calcolo, la rastremazione genera effetti di eccentricità che devono poi essere considerati nelle verifiche (principalmente, eccentricità delle forze assiali).
Per approfondire il tema, ho ragionato su un semplice telaio 2D che presenta colonne e travi rastremate (quindi, con sezione iniziale H1 diversa da quella finale H2 e variazione lineare da H1 ad H2 lungo l’elemento).
Portale 2D realizzato per lo studio: si notano le colonne e le travi rastremate
Modello numerico e risultati
Il modello numerico è stato realizzato con Consteel, che consente l’inserimento automatico degli elementi rastremati.
Inserimento degli elementi rastremati tramite Consteel
Il software consente di definire la rastremazione tramite le altezze H1 e H2 di inizio e fine asta; l’ambiente di pre-processing discretizza le geometrie reali nei corrispondenti elementi beam, ciascuno con sezione di altezza progressivamente variabile.
Elementi beam generati automaticamente da Consteel
Dettaglio delle sezioni rastremate e vista del diagramma del momento: si nota il contributo irrigidente nella mezzeria della trave, per la quale risulta H2 (verde) >H1 (verde=
1. L’uso della rastremazione può ridurre la deformabilità e migliorare la stabilità globale;
Deformata della sezione in condizione SLE rara: di nuovo, si nota il contributo irrigidente della rastremazione in mezzeria
2. Con la rastremazione, si possono ottenere inerzie maggiori nelle zone maggiormente sollecitate;
3. L’uso della rastremazione non è da concepire come un aumento delle prestazioni “a priori”: l’aumento della snellezza dell’anima nelle travi a I può determinare, ad esempio, un peggioramento nella classificazione della sezione; di conseguenza, prestazioni al di sotto di quelle attese.
Classificazione della sezione della trave in prossimità del pilastro (H = 700 mm): si nota l’anima in classe 4
Dall’immagine sopra riportata, emerge chiaramente il significato dell’ultimo punto trattato: la trave presenta l’altezza maggiore (700 mm) in prossimità del pilastro e la sua sezione risulta lì classificata in classe 4; di conseguenza, i fenomeni di instabilità locale contribuiscono a rendere le verifiche non soddisfatte.
Resoconto delle verifiche di sicurezza: le sezioni della trave in prossimità del pilastro risultano non soddisfatte
Sollecitazioni flessionali sulla sezione di altezza H=700 mm: si nota la parzializzazione per instabilità locale
Dettaglio delle verifiche di sicurezza sulla sezione di altezza H=700 mm: si nota il coefficiente di utilizzo pari al 106.1%
Grazie alla comprensione del “punto debole” strutturale, si può procedere con l’ottimizzazione tramite un semplice intervento correttivo: ad esempio, un incremento dello spessore dell’anima (da 6 a 7 mm) tale da consentire un upgrade della classificazione della sezione; le verifiche risultano così soddisfatte, continuando a garantirsi la contemporanea ottimizzazione offerta dalla rastremazione.
Verifiche di sicurezza dopo l’intervento di ottimizzazione, ora soddisfatte
Dettaglio delle verifiche post ispessimento anima: la sezione non risulta più parzializzata
Conclusioni
I calcoli, pur facendo riferimento ad una semplice casistica di esempio, forniscono alcune interessanti indicazioni sul ruolo svolto dalla rastremazione nel comportamento strutturale globale; al contempo, mettono in guarda da studiare la soluzione anche a livello locale.
Si conferma così, anche in questo caso, che solo la conoscenza profonda della nostra struttura può garantire reali ottimizzazione e controllo – in sicurezza – dell’intero percorso progettuale.
Nota operativa: l’esempio è stato svolto utilizzando il software Consteel.
Bibliografia
[1] UNI EN 1993-1-1
Ing. Federico Francia
