PIU’ VALORE AL TUO PROGETTO: MIGLIORAMENTI NELLA MODELLAZIONE DEI CONNETTORI E NEL METODO DI CALCOLO

Nell'attuale contesto edilizio, la richiesta di soluzioni sia economiche che ad alte prestazioni è sempre più alta. Hilti sostiene questo obiettivo consentendo di prendere decisioni consapevoli in merito a materiali, componenti e strategie progettuali, sempre nel rispetto dei requisiti di sicurezza e delle normative vigenti.

Con i recenti miglioramenti del software di calcolo, Hilti fornisce una base migliorata per decisioni ingegneristiche trasparenti e ben consolidate. Nel precedente articolo abbiamo visto due importanti iniziative che coinvolgono i profili del sistema MT. Altre due aree chiave di perfezionamento includono:

• una rappresentazione più dettagliata della rigidezza dei connettori;

• formule di interazione ottimizzate per le applicazioni selezionate.

Questi aggiornamenti contribuiscono ad una modellazione più rappresentativa del comportamento del sistema e possono supportare approcci di progettazione più efficienti, senza allontanarsi dagli standard di progettazione riconosciuti.

Figura 1: Esempio di modello di una culla

È prassi nell'analisi strutturale che i connettori vengono semplificati come rigidi ("incernierati") o flessibili ("incastrati"). Pur essendo efficiente dal punto di vista computazionale, questo approccio binario cattura parzialmente il comportamento reale dei connettori e può, a seconda della struttura, portare a distribuzioni di carico conservative o potenzialmente irrealistiche.

Con gli ultimi miglioramenti apportati al software di calcolo per i sistemi di supporto, i connettori del sistema pesante possono ora essere modellati utilizzando i valori di rigidezza effettivi. Questo miglioramento consente una rappresentazione più realistica della deformazione e del comportamento rotazionale, basata sui dati di test e su ipotesi ingegneristiche. Questo miglioramento nella modellazione è particolarmente rilevante per i componenti a sbalzo e le connessioni dei supporti a telaio, dove la rigidezza del sistema ed il trasferimento del carico sono sensibili alla flessibilità dei connettori.

L'introduzione nella modellazione della rigidezza dei connettori, anche denominati nodi, consente di:

• considerare una rigidezza più rappresentativa del sistema all'interno delle assunzioni di modellazione;

• prevedere una migliore distribuzione dei carichi nelle connessioni dei telai sottoposti a carichi elevati;

• prendere decisioni progettuali potenzialmente rilevanti dal punto di vista dell’efficienza, allineate agli standard applicabili e alle condizioni del progetto.

Queste funzionalità di modellazione migliorano dunque l’approccio ingegneristico della progettazione.

Nell’ambito della progettazione sismica, la Normativa Europea (EN1998-1, Eurocodice 8) [1] riporta un punto inequivocabilmente chiaro: la rigidezza di un sistema di supporto ha un impatto diretto sulle forze sismiche che agiscono su di esso. A seconda della configurazione, questo fattore può influire positivamente o negativamente in modo significativo sul calcolo. Comprendere questi effetti è essenziale, per una progettazione più realistica e allo stesso tempo efficiente e sicura.

Un fattore chiave per ottenere un'analisi sismica quanto più realistica e affidabile è la corretta rappresentazione del comportamento dei nodi. L'introduzione della rigidezza dei connettori nell'analisi, colma il divario tra le ipotesi teoriche e la reale risposta dei sistemi di supporto modulari:

• Quando si assume che una connessione sia incastrata, applicare la sua effettiva rigidezza spesso indica una risposta più flessibile rispetto a quella assunta in condizioni idealizzate e fisse.

• Al contrario, quando si presume che una connessione sia incernierata, i valori di rigidezza misurati mostrano spesso che il nodo non ruota liberamente come una vera cerniera.

Questo perfezionamento non è solo un esercizio accademico: è un passo cruciale verso progetti sismici più affidabili, ottimizzati e conformi.

Le forze sismiche sui componenti non strutturali sono tipicamente derivate dal peso del componente e dal coefficiente di risposta sismica. Il coefficiente di risposta sismica dipende dall'accelerazione spettrale, dai parametri del suolo, dal fattore di importanza e dal fattore di amplificazione (A). Il fattore di amplificazione stesso è influenzato dall'altezza dell'edificio (H), dall'altezza del supporto modulare nell'edificio (z), dal periodo naturale dell'edificio (T1) e dal periodo naturale del supporto modulare (Ta) in considerazione, come si può vedere nella formulazione seguente:

Il fattore di amplificazione della formula è:

La rigidezza delle componenti strutturali influenza dunque il Ta, che ricopre un ruolo cruciale nella definizione dell’azione sismica.

In sintesi, incorporare la rigidezza realistica dei connettori nel modello del supporto modulare MEP non è solo una buona pratica ingegneristica, ma ha anche un impatto diretto sulla forza sismica di progetto attraverso il suo effetto sul fattore di amplificazione (A). Pertando tenere in considerazione la rigidezza realistica ha un impatto sulla sicurezza della progettazione.

Secondo l'Eurocodice, quando il periodo Ta si avvicina al periodo fondamentale della struttura T1, si verifica una condizione di risonanza, che porta alla massima amplificazione.

Quando sostituiamo una connessione a cerniera con una avente una rigidezza più realistica, passiamo di fatto ad una condizione più rigida. Questo potrebbe portare a una riduzione di T_a.

Se Ta / T1 > 1: ridurre Ta avvicina il sistema alla risonanza, aumentando così il fattore di amplificazione (A). Di conseguenza, la domanda sismica aumenta (Figura 2A).

Se Ta / T1 < 1: ridurre Ta allontana il sistema dalla risonanza, portando a una diminuzione di A. Di conseguenza, i carichi sismici vengono ridotti (Figura 2B).

Quando una connessione modellata come incastro viene sostituita con una connessione avente l’effettiva rigidezza, il sistema diventa più flessibile. In altre parole, la rigidezza diminuisce ed il periodo del supporto Ta aumenta.

• Se Ta / T1 < 1 : aumentare Ta avvicina il sistema alla risonanza. Questo comporta un aumento del fattore di amplificazione (A) e quindi un aumento dei carichi sismici (Figura 3C).

• Se Ta / T1 > 1 : aumentare Ta allontana il sistema dalla risonanza. Ciò porta a una riduzione del fattore di amplificazione e, di conseguenza, a carichi sismici più bassi (Figura 3D)

La modellazione realistica della rigidezza dei connettori può essere essenziale nella progettazione sismica dei sistemi di supporto MEP, in quanto la rigidezza controlla direttamente il periodo Ta, che a sua volta determina il fattore di amplificazione e le forze sismiche risultanti. A seconda che la rigidezza effettiva renda il sistema più rigido o più flessibile, il Ta può avvicinarsi o allontanarsi dal periodo di vibrazione T1, aumentando o diminuendo gli effetti di risonanza. Ciò dimostra che affidarsi esclusivamente ad assunzioni di vincolo semplificate può mascherare variazioni significative nella risposta sismica. Incorporando valori di rigidezza realistici nel software di calcolo per i supporti modulari, si acquisisce una comprensione molto più affidabile dell’effettivo comportamento del sistema, portando a progetti più realistici.

L'interazione tra flessione e taglio precedentemente implementata nel software di calcolo, veniva valutata utilizzando regole conservative di interazione lineare. Sebbene sicure, queste regole potrebbero non riflettere pienamente la reale capacità portante di alcune staffe o profili. Secondo l’Eurocodice 3 (EN 1993-1-1) [2], l'influenza del taglio sulla resistenza a flessione può essere trascurata in condizioni specifiche, soprattutto quando la forza di taglio agente non supera una certa percentuale della resistenza di taglio plastico. Per applicazioni selezionate, il software di calcolo ora incorpora questo approccio basato sulla normativa e lo integra con dati derivanti da test interni che ne supportano l'uso in sicurezza. Per garantire una corretta applicazione, nel software di calcolo è stata introdotta una fase intermedia di verifica: la forza di taglio agente deve essere inferiore alla metà della resistenza al taglio della sezione plastica. Solo allora si può applicare l'approccio di interazione perfezionato.

Questo aggiornamento permette:

• progetti più efficienti e conformi alla normativa,

• uso appropriato della capacità portante,

• maggiore allineamento con la pratica ingegneristica consolidata.

Gli ultimi miglioramenti inseriti nel software di progettazione, quali la modellazione della rigidezza dei connettori e le formule di interazione ottimizzate, forniscono agli ingegneri strumenti che supportano decisioni di progettazione trasparenti e ben fondate. Questi perfezionamenti offrono:

• una rappresentazione più realistica del comportamento dei connettori,

• migliore modellazione della rigidezza del sistemadistribuzione

• delle forze più attendibile,

• opportunità per soluzioni efficienti,

• completo allineamento alle normative vigenti, a condizione che tutte le condizioni siano soddisfatte.

Questi aggiornamenti sono strumenti chiave che contribuiscono a potenziare la capacità di realizzare progetti non solo ottimizzati in termini di valore ed altamente performanti, ma che garantiscono anche maggiore affidabilità e favoriscono una maggiore sostenibilità.

[1] EN 1998-1: Eurocodice 8 – Progettazione delle strutture per la resistenza sismica – Parte 1: Regole generali, azioni sismiche e regole per gli edifici

[2] EN 1993-1-1: Eurocodice 3 – Progettazione delle strutture in acciaio – Parte 1-1: Regole generali e regole per gli edifici