PRO_CL4: aspetti teorici ed esempio pratico con l’innovativo applicativo per strutture metalliche con sezioni in classe 4
La classificazione delle sezioni trasversali consente di determinare in che misura resistenza e capacità di rotazione siano limitate dalla tendenza all'instabilità locale. PRO_CL4 permette di farlo con precisione e velocità
La progettazione delle strutture in acciaio richiede, come passo preliminare, la classificazione delle sezioni trasversali utilizzate: sia le modalità di analisi sia le verifiche statiche e sismiche dipendono strettamente dalla classe delle sezioni previste.
La classificazione delle sezioni trasversali, infatti, consente di determinare in che misura resistenza e capacità di rotazione siano limitate dalla tendenza all'instabilità locale.
Normative di riferimento
I riferimenti per la classificazione dei profili in acciaio, presenti nelle norme tecniche sono i seguenti:
- [1] D.M.2018 §4.2.3.1 Classificazione delle sezioni;
- [2] Circolare n° 7 del 21/01/2019 §C.4.2.3.1 Classificazione delle sezioni e §C4.2.4.1.3.4.2 Stabilità dei pannelli soggetti a compressione;
- [3] UNI EN 1993-1:1 2022 §7.5 Classificazione delle sezioni e § 8.2.9.3 Verifica delle sezioni in classe 4;
- [4] UNI EN 1993-1:2 2005 §4.2.2 Classificazione delle sezioni esposte all’incendio;
- [5] UNI EN 1993-1:5 2019 §4.4 Calcolo delle larghezze efficaci.
Classificazione delle sezioni in acciaio
Seguendo le indicazioni di [1] e [3], si distinguono quattro classi di sezione:
- classe 1 (duttile) se la sezione è in grado di sviluppare una cerniera plastica avente la capacità rotazionale richiesta per l’analisi strutturale condotta con il metodo plastico senza subire riduzioni della resistenza;
- classe 2 (compatta) se la sezione è in grado di sviluppare il proprio momento resistente plastico, ma con capacità rotazionale limitata;
- classe 3 (semi-compatta) se nella sezione le tensioni calcolate nelle fibre estreme compresse possono raggiungere la tensione di snervamento, ma l’instabilità locale impedisce lo sviluppo del momento resistente plastico;
- classe 4 (snella) se, per determinare la resistenza della sezione, è necessario tener conto degli effetti dell’instabilità locale in fase elastica nelle parti compresse. In tal caso, al posto della sezione geometrica, è necessario considerare la sezione efficace.
Per i casi più comuni di forma delle sezioni e di sollecitazione, le tabelle riportate in [1] e [3] forniscono indicazioni per la classificazione. Nel dettaglio, utilizzando le tabelle, la classificazione della sezione è funzione di:
- tensione di snervamento del materiale;
- rapporto tra la larghezza e lo spessore delle singole parti compresse;
- condizioni di vincolo alle estremità distinguendo tra elementi interni connessi ad altre parti della sezione (anime) ed elementi esterni aventi un’estremità libera (flange);
- distribuzione delle tensioni sulle singole parti compresse.
I limiti dei rapporti larghezza e spessore (sia per elementi interni che esterni) sono influenzati da un fattore e che dipende dalla tensione di snervamento del materiale ed è definito come
La classe di una sezione con più componenti compressi corrisponde al valore di classe più alto tra quelli individuati. Le sezioni che non soddisfano i requisiti imposti per la classe 3 sono di classe 4. In questo caso è necessario valutare l’ampiezza delle zone che, instabilizzandosi, non contribuiscono alla resistenza e devono quindi essere trascurate al fine di sostituire la sezione geometrica lorda con la sezione efficace.
Sia [2] che [3] prevedono, infine, che si possano incrementare i limiti di snellezza previsti per la classe 3 di un fattore
considerando così la massima tensione di compressione effettivamente agente nell’elemento. Si precisa che questo incremento è ammesso solo ai fini delle verifiche di resistenza.
Sezione efficace
Nelle sezioni in classe 4, per effetto dell’instabilità locale in fase elastica, quota parte dei componenti compressi devono essere considerati come non presenti nella sezione efficace (ad esempio la parte più vicina al bordo libero per le flange, la striscia baricentrica per l’anima) come in figura.
In [2] e [5] troviamo le indicazioni per determinare per ogni componente compresso la riduzione ρ da applicare: il valore di tale coefficiente dipende dalla tensione di snervamento fy, dalla distribuzione degli sforzi ψ e dal fattore di instabilità kσ funzione della distribuzione di sforzo e delle condizioni al contorno dell’elemento compresso:
In [5] è prevista, anche in questo ambito, la possibilità di considerare la massima tensione di compressione effettivamente agente nell’elemento, ottenendo una riduzione della snellezza λp dello stesso, attraverso un fattore
Si precisa che, anche in questo caso, tale riduzione è ammessa solo ai fini delle verifiche di resistenza.
È importante segnalare che poiché nel calcolo delle tensioni (e dei loro rapporti) vengono utilizzate caratteristiche geometriche che sono funzione delle tensioni stesse, è necessario utilizzare un procedimento iterativo come sotto riportato
La verifica delle sezioni in classe 4
Per quanto visto, in generale, la classificazione della sezione deve essere effettuata in funzione del regime di sollecitazione (cioè per combinazione di carico), eventualmente considerando la massima tensione di compressione agente per incrementare il limite di snellezza previsto per la classe 3, ed infine iterando per individuarne le caratteristiche efficaci. Le norme [2] e [3] prevedono, inoltre, che la verifica venga condotta considerando anche i momenti di trasporto dovuti allo spostamento (eccentricità eNy ed eNz) del baricentro della sezione efficace rispetto a quello della sezione lorda.
Il processo di verifica può diventare molto impegnativo e richiede inevitabilmente un software apposito.
Le [2] e [3] consentono anche, in alternativa alla valutazione delle caratteristiche efficaci corrispondenti al reale regime di sollecitazione, la valutazione di tali caratteristiche considerando una sola componente di sollecitazione alla volta, ossia:
- Area efficace, eNy , eNz valutati considerando la sezione soggetta a compressione semplice;
- W efficaci valutati considerando la sezione soggetta a flessione pura: in generale, vanno considerate le flessioni agenti su entrambi gli assi della sezione sia con segno positivo che negativo, per un totale di 4 flessioni.
In questo caso (classificazione semplificata) lo stato tensionale risultante non è quello effettivo e non può essere considerato né per incrementare i limiti di snellezza previsti per la classe 3, né per ridurre la snellezza degli elementi nella valutazione delle instabilizzazioni.
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