Strutture in Acciaio e Legno — Capitoli 4.2-4.4 NTC

Le NTC 2018 al Capitolo 4.2 disciplinano la progettazione delle strutture in acciaio, in sostanziale conformità con l'Eurocodice 3 (UNI EN 1993). Gli acciai strutturali più utilizzati in Italia sono l'S235, l'S275 e l'S355, classificati in base alla tensione di snervamento caratteristica fyk. L'S355 (fyk = 355 MPa) è il più impiegato per strutture di media e grande luce grazie al favorevole rapporto resistenza/peso. Per spessori superiori a 40 mm, la tensione di snervamento si riduce e il progettista deve fare riferimento alle tabelle specifiche della norma di prodotto UNI EN 10025.

La classificazione delle sezioni trasversali è fondamentale per determinare la capacità resistente degli elementi e si basa sul rapporto larghezza/spessore (snellezza locale) delle parti compresse delle sezioni. Le NTC 2018 definiscono quattro classi: Classe 1 (sezioni plastiche, capaci di sviluppare una cerniera plastica con capacità rotazionale sufficiente per l'analisi plastica), Classe 2 (sezioni compatte, che raggiungono il momento plastico ma con capacità rotazionale limitata), Classe 3 (sezioni semi-compatte, che raggiungono la tensione di snervamento nel lembo più compresso ma imbozzano prima di sviluppare il momento plastico) e Classe 4 (sezioni snelle, che imbozzano prima di raggiungere la tensione di snervamento).

I limiti di snellezza per la classificazione dipendono dal tipo di sollecitazione (flessione, compressione, presso-flessione) e dal fattore epsilon = sqrt(235/fy). Per un profilo IPE in S355 soggetto a flessione, l'anima è in Classe 1 se c/tw <= 72 x epsilon e la piattabanda è in Classe 1 se c/tf <= 9 x epsilon. La classe della sezione è determinata dalla classe meno favorevole tra anima e piattabanda. Le sezioni di Classe 1 e 2 consentono di calcolare il momento resistente con il modulo di resistenza plastico Wpl; le sezioni di Classe 3 con il modulo elastico Wel; le sezioni di Classe 4 richiedono il calcolo con la sezione efficace ridotta.

L'instabilità è il fenomeno più critico nella progettazione delle strutture in acciaio e le NTC 2018 trattano dettagliatamente l'instabilità flessionale (Eulero), l'instabilità flesso-torsionale e l'imbozzamento delle anime. La verifica all'instabilità flessionale di un'asta compressa si effettua mediante il coefficiente di riduzione chi, funzione della snellezza adimensionale lambda-barra = sqrt(A x fy / Ncr), dove Ncr è il carico critico euleriano. Il coefficiente chi si determina mediante le curve di instabilità europee (a0, a, b, c, d), ciascuna associata a una specifica tipologia di profilo e di asse di flessione.

L'instabilità flesso-torsionale (lateral-torsional buckling) delle travi inflesse è un fenomeno particolarmente insidioso per le travi con piattabanda compressa non vincolata lateralmente. La verifica si effettua mediante il coefficiente di riduzione chi-LT, funzione della snellezza adimensionale flesso-torsionale lambda-LT,barra = sqrt(Wy x fy / Mcr), dove Mcr è il momento critico elastico flesso-torsionale. Le NTC 2018, in accordo con l'EC3, forniscono metodi per il calcolo di Mcr in funzione della lunghezza di libera inflessione laterale, delle condizioni di vincolo e della distribuzione del momento flettente lungo l'asta.

Le connessioni rappresentano gli elementi più critici delle strutture in acciaio e la loro progettazione è disciplinata dal paragrafo 4.2.8 delle NTC 2018. Le connessioni bullonate utilizzano bulloni di classe da 4.6 a 10.9, dove il primo numero indica la resistenza a trazione ultima fub in centinaia di MPa e il rapporto tra i due numeri indica la tensione di snervamento. I bulloni di classe 8.8 (fub = 800 MPa, fyb = 640 MPa) e 10.9 (fub = 1000 MPa, fyb = 900 MPa) sono i più utilizzati per le connessioni strutturali.

Le connessioni bullonate possono lavorare a taglio (con bulloni sollecitati perpendicolarmente al gambo), a trazione (bulloni sollecitati lungo il gambo) o a taglio e trazione combinati. Per le connessioni a taglio, la resistenza di calcolo di un bullone è Fv,Rd = alfa-v x fub x A / gamma-M2, dove alfa-v vale 0,6 per le classi 4.6, 5.6, 8.8 e 0,5 per le classi 6.8 e 10.9, A è l'area resistente del bullone e gamma-M2 = 1,25. La resistenza a rifollamento della lamiera è Fb,Rd = k1 x alfa-b x fu x d x t / gamma-M2, dove d è il diametro del bullone, t lo spessore della lamiera e alfa-b tiene conto delle distanze dai bordi e tra i fori.

Le connessioni bullonate ad attrito (slip-resistant) sono utilizzate quando è necessario evitare scorrimenti relativi tra le lamiere collegate, come nelle connessioni soggette a fatica o a carichi alternati. La resistenza allo scivolamento Fs,Rd = ks x n x mu x Fp,C / gamma-M3, dove ks è un fattore che dipende dal tipo di foro, n è il numero di superfici di attrito, mu è il coefficiente di attrito (da 0,2 a 0,5 in funzione del trattamento superficiale) e Fp,C è la forza di pretensione del bullone. I bulloni delle connessioni ad attrito devono essere serrati con chiave dinamometrica o con il metodo del "turn-of-the-nut".

Le connessioni saldate sono disciplinate dal paragrafo 4.2.8.2 delle NTC 2018. Le saldature si classificano in saldature a piena penetrazione (che ripristinano la continuità del materiale e hanno resistenza pari a quella del materiale base) e saldature a cordone d'angolo (la cui resistenza dipende dalla sezione di gola e dalla resistenza del metallo d'apporto). La resistenza di calcolo per unità di lunghezza di una saldatura a cordone d'angolo è Fw,Rd = fvw,d x a, dove a è lo spessore di gola e fvw,d = fu / (sqrt(3) x beta-w x gamma-M2), con fu resistenza a trazione dell'acciaio base e beta-w coefficiente di correlazione (0,8 per S235, 0,85 per S275, 0,9 per S355).

Le NTC 2018 prescrivono che le connessioni siano progettate secondo il principio della gerarchia delle resistenze in zona sismica. Le connessioni degli elementi dissipativi devono avere resistenza non inferiore a 1,1 x gamma-ov volte la resistenza plastica dell'elemento collegato, dove gamma-ov = 1,25 è il fattore di sovraresistenza. Per le connessioni trave-colonna dei telai a nodi rigidi, le NTC 2018 richiedono che la cerniera plastica si formi nella trave e non nella connessione. Questo si ottiene mediante rinforzi locali (fazzoletti, piatti di coprigiunto, rastremazioni della trave — "dogbone") che allontanano la zona di plasticizzazione dal nodo.

Il Capitolo 4.4 delle NTC 2018 disciplina la progettazione delle strutture in legno, in conformità con l'Eurocodice 5 (UNI EN 1995). Il legno strutturale si classifica in legno massiccio a sezione rettangolare, classificato secondo la resistenza (UNI EN 338) e il legno lamellare incollato, classificato secondo la norma UNI EN 14080. Le classi di resistenza del legno massiccio di conifera più comuni in Italia sono C24 e C30, con resistenze caratteristiche a flessione fm,k rispettivamente di 24 e 30 MPa. Il legno lamellare presenta classi GL24h, GL28h, GL32h e GL36h con proprietà meccaniche superiori e maggiore uniformità.

Le proprietà meccaniche del legno variano significativamente con la durata del carico e il contenuto di umidità del materiale. Le NTC 2018 tengono conto di questi effetti mediante il coefficiente di modifica kmod, che riduce la resistenza caratteristica in funzione della classe di durata del carico (permanente, lunga, media, breve, istantanea) e della classe di servizio (1, 2 o 3, in funzione dell'umidità ambiente). Per la classe di servizio 1 (ambienti interni riscaldati, umidità del legno inferiore al 12%) e carichi di media durata, kmod = 0,80. Il coefficiente parziale gamma-M è 1,45 per legno massiccio e 1,25 per legno lamellare.

La resistenza di calcolo fm,d si ottiene come fm,d = kmod x fm,k / gamma-M. Per un legno lamellare GL28h con kmod = 0,80: fm,d = 0,80 x 28 / 1,25 = 17,92 MPa. Il modulo elastico medio E0,mean per GL28h è 12.600 MPa. Per le verifiche di instabilità e per gli SLE si utilizza il modulo elastico al 5° percentile E0,05, che è tipicamente circa i 5/6 del valore medio. Nelle strutture in legno, le verifiche agli SLE (deformabilità) sono spesso dimensionanti rispetto alle verifiche di resistenza, a causa del modulo elastico relativamente basso del materiale.

Le connessioni nelle strutture in legno sono realizzate con mezzi meccanici (chiodi, viti, bulloni, spinotti, piastre dentate, anelli e caviglie) e la loro resistenza è calcolata secondo la teoria di Johansen delle connessioni a un piano di taglio. Le NTC 2018 forniscono le formule per la capacità portante caratteristica Fv,Rk del singolo connettore in funzione dello spessore degli elementi, del diametro del connettore, della resistenza di rifollamento del legno fh,k e del momento di snervamento del connettore My,Rk. Per connessioni con bulloni o spinotti, il numero efficace di connettori nef tiene conto della riduzione di resistenza per gruppi di connettori allineati lungo la fibratura.

Le NTC 2018 al paragrafo 7.7 forniscono disposizioni specifiche per le strutture in legno in zona sismica. Il fattore di struttura q per le strutture in legno varia da 2,0 (strutture con pannelli di parete a telaio collegati con chiodi o viti) a 3,0 (strutture iperstatiche con unioni di tipo duttile) in classe di duttilità alta. Per le strutture con unioni realizzate con connettori metallici che garantiscono duttilità adeguata, il comportamento dissipativo è ammesso e la progettazione deve prevedere la gerarchia delle resistenze, assicurando che il cedimento avvenga nelle unioni (duttili) e non nel legno (fragile).

Il Capitolo 4.3 delle NTC 2018 disciplina le strutture composte acciaio-calcestruzzo, nelle quali i due materiali collaborano strutturalmente grazie a sistemi di connessione che garantiscono il trasferimento delle forze di scorrimento all'interfaccia. Le travi composte acciaio-calcestruzzo sono costituite da un profilo in acciaio (generalmente IPE o HE) collegato a una soletta in calcestruzzo armato mediante connettori a taglio. La collaborazione strutturale consente di sfruttare al meglio le proprietà dei due materiali: il calcestruzzo resiste alla compressione e l'acciaio alla trazione.

I connettori a taglio più utilizzati sono i pioli Nelson (headed stud connectors), saldati alla piattabanda superiore del profilo metallico. La resistenza di calcolo del singolo piolo è la minore tra PRd = 0,8 x fu x (pi x d2/4) / gamma-V (rottura del piolo) e PRd = 0,29 x alfa x d2 x sqrt(fck x Ecm) / gamma-V (schiacciamento del calcestruzzo), dove d è il diametro del piolo, fu la sua resistenza a trazione, alfa un coefficiente funzione del rapporto h/d e gamma-V = 1,25 il coefficiente parziale. La distribuzione dei connettori lungo la trave può essere uniforme (connessione completa) o non uniforme con un grado di connessione parziale, purché il grado di connessione sia almeno eta-min.

La verifica a flessione delle travi composte si effettua con il metodo della sezione mista, determinando la posizione dell'asse neutro plastico nella sezione composta e calcolando il momento resistente plastico Mpl,Rd. Per la connessione completa, l'asse neutro si trova imponendo l'equilibrio tra la forza di compressione nella soletta e la forza di trazione nel profilo metallico. Per la connessione parziale, il momento resistente si riduce in funzione del grado di connessione eta. Le NTC 2018 richiedono inoltre la verifica della larghezza efficace della soletta collaborante, che dipende dalla luce della trave e dalla distanza tra le travi adiacenti.

Le colonne composte acciaio-calcestruzzo, costituite da profili metallici rivestiti di calcestruzzo (partially encased) o riempiti di calcestruzzo (concrete-filled tubes), sono trattate nel paragrafo 4.3.5 delle NTC 2018. La resistenza di calcolo in compressione si calcola sommando i contributi dell'acciaio strutturale, del calcestruzzo e delle armature: Npl,Rd = Aa x fyd + 0,85 x Ac x fcd + As x fsd. La verifica a presso-flessione utilizza le curve di interazione N-M, calcolate con il metodo semplificato dell'EC4. Le colonne composte sono particolarmente vantaggiose in zona sismica per l'elevata duttilità e la resistenza al fuoco intrinseca del calcestruzzo di rivestimento.