002043

2026-03-27

Giunti in acciaio inossidabile con Add-on Giunto in acciaio per RFEM

Questo studio esamina la verifica dei collegamenti in acciaio come implementata in RFEM per l’analisi delle connessioni in acciaio inossidabile. Il comportamento strutturale e le prestazioni di tali collegamenti sono valutati in conformità alle disposizioni di progetto dell’Eurocodice 3 (EC 3) e confrontati con un modello a elementi finiti orientato alla ricerca (ROFEM), precedentemente convalidato mediante prove sperimentali (1).

Modello Analitico

Questo studio adotta i criteri di progetto specificati nella EN 1993-1-8:2006 (2) per la valutazione della resistenza dei bulloni (taglio e trazione) e della resistenza delle piastre (cuscinetto e taglio da punzonamento), utilizzando le formulazioni agli stati limite fornite nella Tabella 3.4. La resistenza di progetto del T-stub equivalente è valutata indipendentemente per la piastra di estremità e per la flangia di colonna. Per ciascun componente, la resistenza di progetto governante, F_T,Rd, è definita come il valore minimo derivante da tre potenziali meccanismi di rottura.

F_{T, R d} = m i n (F_{T 1, R d}, F_{T 2, R d}, F_{T 3, R d})

Resistenza di progetto dei T-stub e modalità di rottura secondo EN 1993-1-8

La resistenza individuale per ciascun modo è calcolata sulla base della capacità di momento plastico della flangia (M_pl,1Rd e M_pl,2,Rd) e della resistenza a trazione del gruppo di bulloni (∑F_t,Rd). Questi modi considerano lo snervamento completo della flangia (Modo 1), la rottura del bullone associata allo snervamento della flangia (Modo 2) e la frattura pura del bullone (Modo 3).

Modalità di rottura:

F_{T, 1, R d} = \frac{(8 n - 2 e_{w}) M_{p l, 1, R d}}{2 m n - e_{w} (m + n)}

Modo 1: Snervamento completo della piattabanda

F_{T, 2, R d} = \frac{2 M_{p l, 2 R d} + n (\sum F_{t, R d})}{(m + n)}

Modo 2: Rottura del bullone accoppiata con snervamento della flangia

F_{T, 3, R d} = \sum F_{t R d}

Modo 3: Frattura del bullone puro

Momenti resistenti plastici:

M_{p l, 1, R d} = \frac{0.25 \sum l_{e f f, 1} {t_{f}}^{2} f_{y}}{γ_{M 0}}

Momento di resistenza plastico

M_{p l, 2, R d} = \frac{0.25 \sum l_{e f f, 2} {t_{f}}^{2} f_{y}}{γ_{M 0}}

Momento di resistenza plastico

Illustrazione che mostra diverse modalità di cedimento di un elemento T-Stub in ingegneria strutturale

1 Modalità di rottura degli elementi di T-Stub

L'introduzione dell'Eurocodice 3 (2) ha segnato un progresso significativo nell'ingegneria strutturale, stabilendo il primo quadro normativo completo specificamente dedicato alla progettazione dei collegamenti. Spesso citato come riferimento fondamentale per i moderni codici di progettazione dell'acciaio agli stati limite, le sue disposizioni – in particolare quelle precedentemente dettagliate nell'Allegato J (ora integrate nella EN 1993-1-8) – forniscono metodologie analitiche (2) per i giunti nei telai di edifici soggetti a carichi prevalentemente statici, con particolare attenzione alla configurazione trave-colonna.

La metodologia è incentrata sul metodo del componente, un approccio di modellazione meccanica che idealizza il collegamento come un insieme di singoli componenti funzionali. Ogni componente è caratterizzato da una molla elastica equivalente definita dalla propria rigidezza traslazionale e resistenza di progetto uniche (3). Assemblando strategicamente queste molle in serie e in parallelo in base alla topologia del giunto, è possibile ricavare con precisione la rigidezza rotazionale globale e la capacità di momento resistente del collegamento.

Modello strutturale che dimostra i collegamenti della piastra di estremità e dell'angolare al fungo secondo Eurocodice 3 Appendice J.

2 Modello di esempio dell’EC3 Appendice J per i collegamenti di fazzoletto di estremità e angoli di anima e coprigiunto

Illustrazione dell'Annesso J dell'EC3 che mostra collegamenti flangiati superiore e inferiore e con angolari d'anima in un modello strutturale.

3 Estensione dell'Appendice J dell'EC3 per Collegamenti con Squadrette Superiori e Inferiori e Angolari d'Anima

La rigidezza iniziale del collegamento è data dalla formula:

S_{j, i n i} = \frac{E z^{2}}{\sum_{i - 1}^{n} \frac{1}{k_{i}}}

E	Modulo di Young
z	Braccio di leva
k_i	Coefficiente di rigidezza del componente i^th
n	Numero di componenti base del nodo

Rigidità iniziale del collegamento

Per garantire un'adeguata capacità di rotazione plastica, gli spessori della piastra di estremità e delle squadrette ad angolo sono stati determinati in conformità con il limite superiore prescritto dalla EN 1993-1-8 (2). Questa scelta garantisce che il comportamento del collegamento rimanga sufficientemente duttile per l'analisi strutturale prevista.

t = 0.36 d \sqrt{\frac{f_{u, b}}{f_{y}}}

Formula

Dettagli Geometrici del Collegamento Trave-Colonna

Questo studio ha utilizzato sezioni a I saldate in acciaio inossidabile – nello specifico, I 240 x 120 x 12 x 10 – sia per la trave che per la colonna. Le dimensioni della sezione trasversale consistevano in un'altezza esterna (h) di 240 mm, una larghezza della flangia (b) di 120 mm, uno spessore della flangia (t_f) di 12 mm e uno spessore dell'anima (t_w) di 10 mm. Per valutare il comportamento strutturale tipico, sono state studiate quattro configurazioni di giunti di uso comune: collegamenti con piastra di estremità estesa (EEP), collegamenti con piastra di estremità a filo (FEP), collegamenti con squadrette ad angolo superiore e inferiore (TSAC) e collegamenti con squadrette ad angolo superiore, inferiore e doppie squadrette d'anima (TSWAC).

Le configurazioni geometriche dei quattro tipi di collegamento studiati sono illustrate nell'Immagine [4] e nella Tabella 1. In tutti i campioni, i dispositivi di fissaggio consistevano in bulloni in acciaio inossidabile M16 completamente filettati di Grado A4-80 (equivalenti a bulloni in acciaio al carbonio di Grado 8.8) installati in fori con gioco di 18 mm di diametro. Per entrambe le configurazioni TSAC e TSWAC, le squadrette ad angolo superiore e inferiore erano identiche nella geometria, inclusa la distribuzione spaziale dei fori per bulloni.

Tabella 1: Configurazione Geometrica dei Campioni Testati (2)

Distanze Secondo Img-4 (mm)
Campioni	t_c	t_p	t_a	p₁	p₂	e₁	e₂	L₁	L₂
FEP	12	8	-	65	65	25	-	-	-
EEP	12	8	-	110	100	25	-	-	-
TSAC-8	12	-	8	0	0	35	-	100	-
TSAC-10	12	-	10	0	0	25	-	100	-
TSWAC-8	12	-	8	0	0	35	25	100	55
TSWAC-10	12	-	10	0	0	25	25	100	60

Tabella 2: Proprietà dei Materiali (1)

Campioni	E	σ_0.2	σ_1.0	σ_u	ε _f
	(N/mm²)	(N/mm²)	(N/mm²)	(N/mm²)	%
I-240 × 120 × 12 × 10 - flangia	196.500	248	306	630	66
I-240 × 120 × 12 × 10 - anima	205.700	263	320	651	65
Squadretta ad angolo (8 mm)	197.600	280	344	654	55
Squadretta ad angolo (10 mm)	192.800	289	353,5	656	56
Piastra di estremità	198.000	282	343	655	54
Bullone M16 (A4-80)	191.500	617	703	805	12

Dettagli dei giunti utilizzati nei campioni testati mostrati per l'analisi strutturale.

4 Dettagli del giunto dei provini testati

Discussione

Giunti in acciaio per la soluzione RFEM

Utilizzando il modulo aggiuntivo Steel Joints basato sul metodo degli elementi finiti per RFEM 6, il processo di progettazione dei collegamenti è stato completamente integrato nel modello strutturale principale. Unificando i parametri di input e l'analisi dei risultati nell'ambiente RFEM, il flusso di lavoro ha ottenuto miglioramenti significativi sia in termini di trasparenza che di efficienza progettuale.

In tutti i campioni studiati, la resistenza ultima e la capacità di rotazione dei giunti sono state determinate dalla frattura dei bulloni. Grazie all'elevata duttilità e alle marcate caratteristiche di incrudimento da deformazione insite nei componenti in acciaio inossidabile, il momento resistente ha mostrato un ramo ascendente continuo con l'aumentare della deformazione fino al raggiungimento del limite di trazione o di taglio dei dispositivi di fissaggio. In particolare, mentre la rottura del bullone stessa era intrinsecamente fragile, la risposta sistemica dei giunti è rimasta prevalentemente duttile. Questo comportamento è attribuito al fatto che la rottura del bullone è stata preceduta da un'estesa deformazione anelastica e dallo snervamento degli altri elementi del collegamento, in particolare le piastre di estremità e le squadrette ad angolo di flangia/anima. Le Immagini 5 e 6 e le Tabelle 3 e 4 illustrano il confronto tra momento resistente e rigidezza – Sperimentale, ROFEM, Steel Joints in RFEM ed EC 3. La Tabella 5 illustra le modalità di rottura.

Grafico che mostra il confronto della resistenza a momento dai dati sperimentali, software ROFEM, giunti in acciaio in RFEM e norme EC 3

5 Confronto dell resistenza a momento - Sperimentale, RFEM, Giunti acciaio in RFEM e EC 3

Grafico che mette a confronto la rigidezza tra analisi sperimentale, metodo RUOTI e giunti in acciaio basati su RFEM utilizzando i criteri EC-3.

6 Confronto della rigidezza sperimentale, RFEM, Giunti acciaio in RFEM ed EC-3

Tabella 3: Confronto del Momento Resistente – Sperimentale, ROFEM, Steel Joints in RFEM ed EC3

Capacità di Momento (kNm) | M_j,R
Campioni	Sperimentale	ROFEM	Steel Joints in RFEM	EC3	EC3/CBFEM
FEP	40	40,5	40,5	18,6	0,46
EEP	42	43,8	45,23	27,2	0,60
TSAC-8	12	11,7	8,37	6,6	0,79
TSAC-10	23	21,8	13,03	11,1	0,85
TSWAC-8	39	41,6	25,65	19,25	0,75
TSWAC-10	55	53,2	27,27	30,3	1,11

Tabella 4: Confronto della Rigidezza – Sperimentale, ROFEM, Steel Joints in RFEM ed EC3

Rigidezza Iniziale S_j,ini (MNm/rad)
Campioni	Sperimentale	ROFEM	Steel Joints in RFEM	EC3	EC3/CBFEM
FEP	3,91	4,00	5,00	5,74	1,15
EEP	4,46	5,20	3,30	9,36	2,84
TSAC-8	1,24	0,57	1,30	1,80	1,38
TSAC-10	1,52	1,01	2,00	2,52	1,26
TSWAC-8	1,92	2,39	2,20	5,24	2,38
TSWAC-10	2,77	2,88	2,70	6,14	2,27

Tabella 5: Modalità di Rottura

Modalità di Rottura
Campioni	EC-3	Steel Joints in RFEM	Sperimentale
FEP	Piastra di estremità in flessione	Rottura del bullone a trazione	Frattura del bullone a trazione
EEP	Piastra di estremità in flessione	Rottura del bullone a trazione	Rottura del bullone a trazione
TSAC-8	Flessione della squadretta di flangia	Rottura del bullone a trazione e taglio	Rottura del bullone a trazione e taglio
TSAC-10	Flessione della squadretta di flangia	Rottura del bullone a trazione e taglio	Rottura del bullone a trazione e taglio
TSWAC-8	Flessione della squadretta ad angolo	Rottura del bullone a trazione e taglio	Rottura del bullone a trazione e taglio (bullone della squadretta di flangia)
TSWAC-10	Flessione della squadretta ad angolo	Rottura del bullone d'anima a taglio	Rottura del bullone a taglio (bullone superiore che collega la squadretta d'anima all'anima della trave)

Analisi che mostra le tensioni equivalenti e la deformazione plastica su una piastra di estremità a filo.

7 Sollecitazioni equivalenti e deformazione plastica della piastra di testata a filo (FEP)

Rappresentazione visiva delle tensioni equivalenti e della distribuzione della deformazione plastica in un modello strutturale con piastra di estremità a filo.

8 Tensioni equivalenti e deformazione plastica della piastra di estremità a filo (FEP) | 2

Analisi agli elementi finiti di una piastra di estremità estesa che mostra le tensioni equivalenti e la distribuzione della deformazione plastica.

9 Tensioni equivalenti e deformazione plastica della piastra di estremità estesa (EEP)

Rappresentazione visiva delle tensioni equivalenti e della distribuzione della deformazione plastica in una connessione con piastra di estremità estesa di una struttura in acciaio.

10 Tensioni equivalenti e deformazione plastica della piastra terminale estesa (EEP) | 2

Analisi del collegamento con squadrette superiore e inferiore che mostra le tensioni equivalenti e le distribuzioni della deformazione plastica in un giunto strutturale.

11 Tensioni equivalenti e deformazione plastica del collegamento a squadrette top and seat angle cleat (TSAC)

Analisi delle tensioni equivalenti e della deformazione plastica in una connessione con angolare di coprigiunto su piastra di estremità superiore e inferiore in un giunto di acciaio strutturale.

12 Tensioni equivalenti e deformazione plastica della connessione angolare di collegamento superiore e di seduta (TSAC) | 2

L'immagine mostra la distribuzione delle tensioni equivalenti e della deformazione plastica in una configurazione di collegamento con piastra di appoggio superiore e squadrette doppie all'anima in una struttura in acciaio.

13 Tensioni equivalenti e deformazione plastica del collegamento Top Seat and Double Web Cleat (TSWAC)

Analisi delle tensioni equivalenti e della deformazione plastica in una connessione con angolare di mensola superiore e doppio angolare d’anima, visualizzata per la verifica strutturale.

14 Sforzi equivalenti e deformazione plastica del collegamento Top Seat e Double Web Cleat (TSWAC) | 2

Illustrazione che mostra i rapporti di progetto e la rigidezza rotazionale di una piastra di estremità a filo nell'analisi strutturale.

15 Rapporti di progetto e rigidezza rotazionale della piastra di estremità a filo (FEP)

Carichi e reazioni su una connessione con piastra di estremità estesa che mostra i rapporti di verifica e i risultati dell’analisi della rigidezza rotazionale.

16 Rapporti di progetto e rigidezza rotazionale della piastra di estremità estesa (EEP)

Analisi delle tensioni equivalenti e della deformazione plastica in una connessione con squadrette di testa e di appoggio. Vista di dettaglio del modello a elementi finiti TSAC.

17 Tensioni equivalenti e deformazione plastica dell’angolare di connessione superiore e inferiore (TSAC)

Analisi dei rapporti di verifica e della rigidezza rotazionale per una connessione con mensola superiore e piatti a doppia aletta in ingegneria strutturale.

18 Rapporti di verifica e rigidezza rotazionale della squadretta superiore a sella e della doppia squadretta d’anima (TSWAC)

Conclusione

Sulla base dei dati sperimentali preliminari, è stata valutata l'applicabilità delle disposizioni della EN 1993-1-8 al modulo aggiuntivo Steel Joints. Coerentemente con le osservazioni precedenti sui corrispondenti in acciaio al carbonio, il modello di rigidezza dell'Eurocodice tendeva a sovrastimare la rigidezza rotazionale iniziale, con previsioni che mostravano una dispersione significativa.

I modelli di resistenza analitica (TSWAC-10) hanno mostrato un rapporto maggiore di 1,0 per quanto riguarda il momento resistente plastico sia dei campioni sperimentali che delle simulazioni CBFEM. È stata osservata una discrepanza critica riguardo alla modalità di rottura governante: la frattura era invariabilmente innescata dalla rottura del bullone, anche in configurazioni in cui l'Eurocodice prevedeva una rottura duttile del T-stub (Modo 1 o 2) caratterizzata dalla formazione di cerniere plastiche. Mentre i T-stub hanno sviluppato le deformazioni plastiche previste, il marcato incrudimento da deformazione dell'acciaio inossidabile ha consentito un aumento continuo delle tensioni nelle regioni snervate.

Bibliografia

Elflah, M., Theofanous, M., Dirar, S., & Yuan, H. (2019). Behaviour of Stainless Steel Beam-to-Column Joints — Part 1: Experimental investigation. Journal of Constructional Steel Research, 152, 183–193.
Elflah, M., Theofanous, M., & Dirar, S. (2019). Behaviour of Stainless Steel Beam-to-Column Joints – Part 2: Numerical Modelling and Parametric Study. Journal of Constructional Steel Research, 152, 194–212.
Weynard, K., Jaspart, J. P., & Steenhuis, M. (1995). Il modello di rigidezza dell'Allegato J revisionato all'Eurocodice 3, collegamenti nelle strutture in acciaio III: comportamento, resistenza e progettazione. In 3° Workshop Internazionale sui Collegamenti nelle Strutture in Acciaio. Trento; Italia.

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