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2026-08-12

Valutazione della duttilità dei collegamenti a piastra di estremità estesa con giunti in acciaio per RFEM

Quattro connessioni trave-colonna con piastra di estremità estesa (FS1–FS4, acciaio S355/S690) sono state testate sperimentalmente e valutate con l'add-on Giunti acciaio per RFEM 6 e con il calcolo manuale secondo EN 1993-1-8 (Eurocodice 3). L'articolo confronta il momento resistente e la rigidezza rotazionale iniziale tra tutti e tre i metodi e riporta le equazioni dei componenti a T-stub sottostanti.

Questo studio valuta la progettazione dei giunti in acciaio per RFEM analizzando le caratteristiche di duttilità e i modi di rottura delle connessioni trave-colonna con piastra di estremità estesa. Il comportamento strutturale e la capacità portante di queste connessioni sono analizzati in conformità con le disposizioni progettuali specificate nell'Eurocodice 3 (EC3), e le previsioni risultanti sono successivamente validate mediante confronto con un modello a elementi finiti sviluppato utilizzando Steel Joints per RFEM, nonché con i corrispondenti dati sperimentali.

Modello analitico

Questo studio adotta i criteri di progetto specificati nella EN 1993-1-8 per la valutazione della resistenza dei bulloni (a taglio e a trazione) e della resistenza delle piastre (a rifollamento e a 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 le componenti dell'ala della colonna. Per ciascuna 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 del T-stub (valore governante delle tre modalità di rottura)

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

Modi di rottura:

F_{T, 1, Rd} = \frac{(8 n - 2 e_{w}) \cdot M_{pl, 1, Rd}}{2 mn - e_{w} (m + n)}

Resistenza del T-stub – Modalità di rottura 1 (snervamento completo dell'ala)

F_{T, 2, Rd} = \frac{2 \cdot M_{pl, 2, Rd} + n \cdot (\sum F_{t, Rd})}{(m + n)}

Resistenza del T-stub – Modalità di rottura 2 (Rottura del bullone con snervamento dell'ala)

F_{T, 3, Rd} = \sum F_{t, Rd}

Resistenza del T-stub – Modalità di rottura 3 (Rottura dei bulloni)

Momenti resistenti plastici:

M_{pl, 1, Rd} = \frac{0.25 \cdot \sum l_{eff, 1} \cdot t_{f}^{2} \cdot f_{y}}{γ_{M 0}}

Resistenza a momento plastico della flangia (Modo di collasso 1)

M_{pl, 2, Rd} = \frac{0.25 \cdot \sum l_{eff, 2} \cdot t_{f}^{2} \cdot f_{y}}{γ_{M 0}}

Resistenza al Momento Plastico dell'Ala (Modalità di Rottura 2)

La rigidezza iniziale della connessione è data dalla formula:

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

Rigidezza rotazionale iniziale del collegamento

Dove E è il modulo di Young, z è il braccio di leva, K_i è il coefficiente di rigidezza della i-esima componente e n è il numero di componenti di base del giunto.

Dettagli geometrici della connessione trave-colonna

Tutti gli elementi di trave e colonna sono stati realizzati in acciaio S355 secondo la pratica costruttiva standard. Le piastre di estremità sono state realizzate in acciaio S355 e S690. I dettagli geometrici, incluse le dimensioni delle piastre di estremità e la disposizione dei gruppi di bulloni, sono mostrati nell'Immagine 2, mentre la matrice di prova e le proprietà meccaniche misurate sono presentate nella Tabella 1.

I provini da FS1 a FS4 utilizzavano una sezione di colonna HEM 340 accoppiata con una sezione di trave IPE 300. Questa configurazione è stata scelta per esaminare il comportamento colonna debole-trave forte. In tutti e quattro i provini, la sezione della trave è rimasta costante a IPE 300, con spessori della piastra di estremità di 10, 15, 20 e 10 mm rispettivamente per FS1, FS2, FS3 e FS4.

Tabella 1: Dettagli geometrici e dei materiali dei provini testati
Provini	Colonna	Grado di acciaio	Trave	Grado di acciaio	Spessore piastra di estremità, mm	Grado di acciaio
FS1	HEM340	S355	IPE300	S235	10	S355
FS2	HEM340	S355	IPE300	S235	15	S355
FS3	HEM340	S355	IPE300	S235	20	S355
FS4	HEM340	S690	IPE300	S235	10	S690

Disegno tecnico di un tipico collegamento bullonato trave-colonna che mostra una trave IPE300 collegata a una colonna HE340M con dimensioni dettagliate e spessori della piastra.

1 Tipica Connessione Bullonata Trave-Colonna

Disegno tecnico di un collegamento con piastra di estremità estesa che mostra la disposizione dei bulloni e la configurazione degli irrigidimenti per l'analisi del giunto in acciaio.

2 a) Piastra di estremità/Bullone, b) Configurazione dell'irrigidimento

Discussione

Soluzione Steel Joints per RFEM

Utilizzando il modulo aggiuntivo Steel Joints per RFEM 6, la progettazione della connessione è stata completamente integrata nel modello strutturale principale. Questo studio presenta un'indagine sperimentale e numerica sulle prestazioni strutturali di quattro connessioni trave-colonna con piastra di estremità estesa, con particolare attenzione alla valutazione della duttilità. L'indagine è stata completata dalla caratterizzazione mirata delle componenti T-stub e da un'analisi a elementi finiti (FE) ad alta fedeltà. I modelli FE sviluppati sono stati validati rispetto alle misure sperimentali e verificati rispetto al quadro di progettazione dell'Eurocodice 3 (EC3), quindi impiegati per estrarre approfondimenti dettagliati sul comportamento deformativo localizzato. Le Immagini 3 e 4, insieme alle Tabelle 2 e 3, presentano confronti della resistenza a momento e della rigidezza rotazionale tra i risultati sperimentali, le previsioni di Steel Joints per RFEM 6 e le soluzioni analitiche EC3.

Un grafico a barre che confronta la capacità a momento di quattro provini di giunti in acciaio sulla base di risultati sperimentali, simulazioni di RFEM con l'add-on Giunti acciaio e calcoli secondo Eurocodice 3.

3 Confronto della Resistenza a Momento – Sperimentale vs. Giunti in Acciaio per RFEM e EC3

Grafico a barre che confronta la rigidezza iniziale per quattro casi di prova, mostrando i risultati di esperimenti, Steel Joints per RFEM e calcoli EC3.

4 Confronto della Rigidezza – Sperimentale vs. Giunti in Acciaio per RFEM e EC3

Tabella 2: Confronto della resistenza a momento – Sperimentale vs. Steel Joints per RFEM ed EC-3-1-8 | Capacità di momento (kNm)
Provini	Sperimentale	Steel Joints in RFEM	EC3
FS1	107,45	107,53	77,52
FS2	167,93	122,51	132,09
FS3	182,46	126,09	187,29
FS4	164,56	118,46	124,44

Tabella 3: Confronto della rigidezza – Sperimentale vs. Steel Joints per RFEM ed EC-3-1-8 | Rigidezza iniziale S_j,ini (MNm/rad)
Provini	Sperimentale	Steel Joints per RFEM	EC3
FS1	17,51	29,20	34,66
FS2	22,69	38,30	46,76
FS3	22,39	43,50	51,76
FS4	16,66	29,20	32,77

Risultati dell'analisi agli elementi finiti che mostrano le tensioni equivalenti di von Mises e le deformazioni plastiche equivalenti per un modello di giunto in acciaio con spessore di 1 mm.

5 Tensioni equivalenti e deformazione plastica del modello FS-1mm

Analisi a elementi finiti di un giunto in acciaio che mostra le tensioni equivalenti di von Mises e le deformazioni plastiche sotto carico. La visualizzazione mostra la distribuzione delle tensioni e la deformazione nell'area di collegamento.

6 Tensioni equivalenti e Deformazione plastica del Modello FS-2mm

Analisi agli elementi finiti di un giunto in acciaio che mostra le tensioni equivalenti di von Mises e le deformazioni plastiche equivalenti in condizioni di carico applicate.

7 Tensioni equivalenti e Deformazione plastica del Modello FS-3mm

Risultati dell'analisi agli elementi finiti che mostrano tensioni equivalenti di von Mises e deformazioni plastiche equivalenti per un modello di giunto in acciaio.

8 Tensioni equivalenti e deformazione plastica del modello FS-4mm

Tabella che mostra i rapporti di verifica di progetto per i componenti piastra, bullone e cordone di saldatura allo stato limite ultimo, insieme ai valori calcolati di rigidezza rotazionale per le aste collegate.

9 Tasso di lavoro e rigidezza rotazionale del modello FS-1

Tabella che mostra i rapporti di verifica di progetto per piastre, bulloni e saldature, insieme ai valori calcolati di rigidezza rotazionale per un giunto di collegamento in acciaio.

10 Tasso di lavoro e rigidezza rotazionale del modello FS-2

Tabella che mostra i rapporti di verifica del progetto per piastre, bulloni e cordoni di saldatura insieme ai valori calcolati di rigidezza rotazionale per i membri del giunto in un'analisi strutturale.

11 Tasso di lavoro e rigidezza rotazionale del modello FS-3

Tabella che mostra i rapporti di verifica di progetto per piastre, bulloni e saldati, insieme ai valori di rigidezza rotazionale per gli elementi di giunto in un'analisi strutturale.

12 Tasso di lavoro e rigidezza rotazionale del modello FS-4

Conclusioni

Il confronto tra le previsioni sperimentali, quelle basate sulle componenti di Steel Joints per RFEM e quelle EC-3-1-8 mostra che il modello RFEM fornisce un buon accordo complessivo con i risultati dei test sia per la resistenza a momento sia per la rigidezza iniziale, confermando la sua affidabilità nel rappresentare il comportamento reale del giunto. Le previsioni EC-3-1-8 per la resistenza a momento variano tra i provini (rapporti di 0,72–1,49 rispetto a RFEM), riflettendo la sensibilità del metodo analitico delle componenti a specifici parametri geometrici come lo spessore della piastra e la disposizione dei bulloni. I risultati dimostrano che Steel Joints per RFEM fornisce una previsione notevolmente più accurata della rigidezza iniziale del giunto rispetto al metodo analitico EC-3. Ciò conferma che l'approccio basato sugli elementi finiti di RFEM cattura meglio il comportamento effettivo di rigidezza delle connessioni testate, rendendolo uno strumento più affidabile per la progettazione pratica e l'analisi rispetto al metodo delle componenti EC3, conservativo e spesso eccessivamente semplificato.

Bibliografia

Comitato Europeo di Normazione (CEN). (1993). Eurocodice 3. Progettazione delle strutture in acciaio Parte 1-8: Progettazione dei collegamenti (EN 1993-1-8). Bruxelles, CEN.
Girão Coelho, A. M., Bijlaard, F. S. K., & Simões da Silva, L. (2004). Valutazione sperimentale della duttilità dei collegamenti con piastra di estremità estesa. Engineering Structures, 26(9), 1185–1206. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2000.09.001

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