Colonna di base – Colonna a sezione aperta in compressione

Descrizione

In questo capitolo, il Metodo degli Elementi Finiti basato sui componenti (CBFEM) della piastra di base sotto una colonna in acciaio a sezione aperta soggetta a pura compressione viene verificato rispetto al metodo delle componenti (CM). Lo studio è preparato per la sezione trasversale della colonna, le dimensioni della piastra di base, la classe del calcestruzzo e le dimensioni del blocco di calcestruzzo.

Metodo delle componenti

Vengono prese in considerazione tre componenti: flangia e anima della colonna in compressione, calcestruzzo in compressione inclusa la malta di livellamento, saldature. La componente flangia e anima della colonna in compressione è descritta in EN 1993-1-8:2005 Cl. 6.2.6.7. Il calcestruzzo in compressione inclusa la malta di livellamento è modellato secondo EN 1993-1-8:2005 Cl. 6.2.6.9 e EN 1992-1-1:2005 Cl. 6.7. Per determinare la resistenza vengono utilizzate due iterazioni dell'area efficace.

La saldatura è progettata attorno alla sezione trasversale della colonna; vedere EN 1993-1-8:2005 Cl. 4.5.3.2(6). Lo spessore della saldatura sulle flange è scelto uguale allo spessore della saldatura sull'anima. La forza di taglio è trasferita solo dalle saldature sull'anima e si considera una distribuzione plastica delle tensioni.

Piastra di base sotto HEB 240

Questo studio è incentrato sulla componente calcestruzzo in compressione inclusa la malta di livellamento. Un esempio di calcolo è mostrato di seguito per il blocco di calcestruzzo con dimensioni a' = 1000 mm, b' = 1500 mm, h = 800 mm di classe C20/25 con piastra di base con dimensioni a = 330 mm, b = 440 mm, t = 20 mm in acciaio S235; vedere Fig. 8.1.2.

 La resistenza del giunto del calcestruzzo è calcolata sotto l'area efficace in compressione attorno alla sezione trasversale; vedere Fig. 8.1.1, iterando in due passi.

Per il 1^° passo si ha:

$$f_{jd} = \frac{\beta_j k_j f_{ck}}{\gamma_c} = \frac{0.67 \cdot 2.908 \cdot 20}{1.5} = 26 \textrm{ MPa}$$

$$c = t \sqrt{\frac{f_y}{3f_{jd} \gamma_{M0}}} = 20 \sqrt{\frac{235}{3 \cdot 26 \cdot 1.0}} = 35 \textrm{ mm}$$

 $$l_{eff} = b+2c = 240+2\cdot35=310 \textrm{ mm}$$

 $$b_{eff} = t_f+2c = 17+2\cdot35=87\textrm{ mm}$$

e per il 2^° passo si ha:

$$f_{jd} = \frac{\beta_j k_j f_{ck}}{\gamma_c} = \frac{0.67 \cdot 3 \cdot 20}{1.5} = 27 \textrm{ MPa}$$

$$c = t \sqrt{\frac{f_y}{3f_{jd} \gamma_{M0}}} = 20 \sqrt{\frac{235}{3 \cdot 27 \cdot 1.0}} = 34 \textrm{ mm}$$

 $$l_{eff} = b+2c = 240+2\cdot35=308 \textrm{ mm}$$

 $$b_{eff} = t_f+2c = 17+2\cdot35=85\textrm{ mm}$$

$$A_{eff} = 63463 \textrm{ mm}^2$$

Fig. 8.1.1 Area efficace sotto la piastra di base

La resistenza alla forza normale della piastra di base con il CM è

$$N_{Rd} = A_{eff} \cdot f_{jd} = 63436 \cdot 27 = 1701 \textrm{ kN}$$

Le tensioni calcolate con il CBFEM sono presentate in Fig. 8.1.2. La resistenza alla forza normale di compressione della piastra di base con il CBFEM è 1683 kN.

Fig. 8.1.2 Geometria del blocco di calcestruzzo e tensioni normali sotto la piastra di base caricata dalla sola forza normale

Studio di sensibilità

I risultati del software CBFEM sono stati confrontati con i risultati del metodo delle componenti. Il confronto è stato incentrato sulla resistenza e sulla componente critica. I parametri studiati sono la dimensione della colonna, le dimensioni della piastra di base, la classe del calcestruzzo e le dimensioni del blocco di calcestruzzo. Le sezioni trasversali della colonna sono HEB 200, HEB 300 e HEB 400. La larghezza e la lunghezza della piastra di base sono scelte come 100 mm, 150 mm e 200 mm maggiori della sezione della colonna, lo spessore della piastra di base 15 mm, 20 mm e 25 mm. Il blocco di calcestruzzo di classe C16/20, C25/30 e C35/45 di altezza 800 mm con larghezza e lunghezza maggiori delle dimensioni della piastra di base di 200 mm, 300 mm e 400 mm. I parametri di input sono riassunti nella Tab. 8.1.1. Le saldature d'angolo attorno alla sezione trasversale della colonna hanno spessore di gola a = 8 mm.

Tab. 8.1.1 Parametri selezionati

Le resistenze determinate con il CM sono riportate nella Tab. 8.1.2. Un parametro è stato variato mentre gli altri sono stati mantenuti costanti al valore intermedio. N_Rd è la resistenza della componente calcestruzzo in compressione inclusa la malta di livellamento, F_c,fc,Rd è la resistenza della componente flangia e anima della colonna in compressione e F_c,weld è la resistenza delle saldature considerando una distribuzione uniforme delle tensioni. È stato utilizzato il coefficiente di giunto β_j = 0,67.

Tabella 8.1.2 Risultati del metodo delle componenti

Il modello in CBFEM è stato caricato dalla forza di compressione fino a quando il blocco di calcestruzzo era molto vicino al 100 %. Lo stesso approccio è stato utilizzato per ottenere la resistenza delle saldature F_c,weld.

Tabella 8.1.3 Risultati del CBFEM

Sommario

La verifica del CBFEM rispetto al CM per la piastra di base caricata in compressione è mostrata in Fig. 8.1.3. Le linee tratteggiate corrispondono al 110% e al 90 % del valore di resistenza. La differenza è fino al 14 % a causa di una valutazione più accurata della resistenza di progetto a compressione del giunto e dell'area efficace nel CBFEM.

Fig. 8.1.3 Verifica del CBFEM rispetto al CM per la piastra di base caricata in compressione

Caso di riferimento

Dati di input

Sezione trasversale della colonna

• HEB 240
• Acciaio S235

Piastra di base

• Spessore 20 mm
• Sporgenze: superiore 100 mm, sinistra 45 mm
• Acciaio S235

Blocco di calcestruzzo di fondazione

• Calcestruzzo C20/25
• Sporgenza 335 mm, 530 mm
• Profondità 800 mm
• Spessore malta di livellamento 30 mm

Bullone di ancoraggio

• M20 8.8

Risultati

• Resistenza alla forza assiale N_j.Rd = −1683 kN