Profili in acciaio: cosa sono le classi e come calcolarle

Il primo passo da eseguire quando si progetta una struttura in acciaio è la classificazione delle sezioni che si intende utilizzare. Per ogni tipologia di profilo (HEA, HEB, IPE etc.) una volta scelta la dimensione della sezione, è necessario determinarne la classe prima di procedere alla verifica di resistenza. Ma perché? Nell’articolo di oggi ti parlo della classificazione delle sezioni in acciaio e di come eseguirla. Ti spiegherò cosa cambia fra le diverse classi delle sezioni e perché è così importante tenerne conto. Seguimi nel prosieguo dell’articolo per saperne di più. Se ti occupi di strutture in acciaio sono certo che ti interesserà.

classi delle sezioni in acciaio

L’instabilità locale per i profili in acciaio

Il motivo principale per cui è necessario classificare una sezione prima di procedere al calcolo della resistenza è strettamente collegato al fenomeno dell’instabilità locale. Questo fenomeno si verifica quando le parti compresse del profilo subiscono fenomeni di instabilità, deformandosi fuori piano, impedendo alla sezione di sfruttare la massima resistenza del materiale. L’instabilità locale del profilo dipende dalla snellezza delle sue parti compresse, così come l’instabilità globale di un’asta dipende dalla snellezza dell’asta (ricordi l’analogia dello spaghetto?). Questo fenomeno si verifica in modo particolare per le sezioni in composizione saldata, ovvero sezioni ottenute dalla saldatura di piastre in acciaio. Ma anche per i profili laminati a caldo (i classici profili della serie IPE, HEA, HEB etc.) va portato in conto questo fenomeno, calcolando la classe della sezione. 

instabilità locale profilo in acciaio

Instabilità locale di un profilo a doppio T

La capacità rotazionale delle sezioni

Se si analizza il legame momento curvatura di una sezione in acciaio possono presentarsi quattro differenti casi. A ciascuno di questi casi corrisponde una differente classe delle sezioni in acciaio. Prima di passare in rassegna le quattro classi delle sezioni in acciaio, bisogna definire la capacità rotazionale di una sezione. Questo parametro è dato dal rapporto fra la curvatura ultima (ovvero la curvatura a rottura della sezione) e la curvatura al limite elastico, ovvero la curvatura in corrispondenza della quale l’acciaio inizia a plasticizzarsi, superando la tensione di snervamento. 

Capacità rotazionale:   Cθ = θr / θy – 1

  • θr = curvatura in corrispondenza della deformazione ultima dell’acciaio
  • θy = curvatura in corrispondenza della deformazione di snervamento della sezione

formula 4.2.0 delle NTC2018

Classe 1: resistenza plastica e alta capacità rotazionale

Le sezioni con capacità rotazionale Cθ ≥ 3 si collocano in classe 1. Queste sezioni sono in grado di manifestare interamente il momento resistente plastico in seguito alla totale plasticizzazione della sezione. Puoi vedere nell’immagine qui sotto i diagrammi delle deformazioni e delle tensioni in corrispondenza di valori crescenti della curvatura.

sezioni in classe 1


Classe 2: resistenza plastica e capacità rotazionale ridotta

Le sezioni con capacità rotazionale Cθ ≥ 1.50 e minore di 3.0 si collocano in classe 2. Queste sezioni sono in grado di manifestare interamente il momento resistente plastico, ma con una limitata capacità rotazionale.

sezioni in classe 2


Classe 3: la resistenza elastica

Per le sezione in classe 3 si verifica l’instabilità locale dopo il raggiungimento della tensione di snervamento nell’estremità compressa della sezione. La sezione non riesce ad esplicare il momento resistente plastico. Il momento resistente della sezione va calcolato quindi in campo elastico

sezioni in classe 3


Classe 4: entra in gioco l’area efficace

Per le sezioni in classe 4 l’instabilità locale si verifica prima del raggiungimento della tensione di snervamento, quando la sezione quindi è totalmente in campo elastico. La sezione non riuscirà ad esplicare il momento resistente al limite elastico. La capacità resistente della sezione può essere calcolata eseguendo un calcolo elastico e considerando la sua area efficace, ovvero un’area ridotta depurata delle parti soggette all’instabilità locale. Tali sezioni si collocano in classe 4.

sezioni in classe 4


Sovrapposizione del legame momento-curvatura per le 4 classi

Nell’immagine seguente puoi vedere la sovrapposizione delle curve del legame momento-curvatura per le 4 classi delle sezioni in acciaio. All’aumentare della classe (da 1 a 4), si riduce il momento resistente e la capacità rotazionale della sezione.

4 classi delle sezioni in acciaio

Le classi delle sezioni in acciaio definite dalle NTC2018

La Normativa Tecnica definisce nel modo seguente le 4 classi delle sezioni in acciaio:

classe 1 (sezioni duttili): 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 Possono generalmente classificarsi come tali le sezioni con capacità rotazionale Cθ ≥ 3;
classe 2 (sezioni compatte): se la sezione è in grado di sviluppare il proprio momento resistente plastico, ma con capacità rotazionale limitata. Possono generalmente classificarsi come tali le sezioni con capacità rotazionale Cθ ≥ 1,5;
classe 3 (sezioni semi-compatte): 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 (sezioni snelle): se, per determinarne la resistenza flettente, tagliante o normale, è necessario tener conto degli effetti dell’instabilità locale in fase elastica nelle parti compresse che compongono la sezione. In tal caso nel calcolo della resistenza la sezione geometrica effettiva può sostituirsi con una sezione efficace.

par. 4.2.3.1 – NTC2018

Come si classifica una sezione in acciaio

Facciamo un breve riepilogo di quanto detto finora:

  • le classi si differenziano per la capacità rotazionale delle sezioni;
  • Per le classi 1 e 2 non si verificano fenomeni di instabilità locale e le sezioni riescono ad esplicare il momento resistente plastico con diverse capacità rotazionali.
  • Per le sezioni in classe 3 si verifica l’instabilità locale dopo il raggiungimento della tensione di snervamento, impedendo alla sezione di raggiungere interamente il momento resistente plastico.
  • Per le sezioni in classe 4, l’instabilità locale si verifica in fase elastica, impedendo alla sezione di esplicare il momento resistente elastico.

Da quanto detto finora sembrerebbe che per classificare una sezione in acciaio occorra calcolarne il legame momento-curvatura per valutare la capacità rotazionale e il momento resistente massimo. Se così fosse diventerebbe molto complicato classificare le sezioni in acciaio. Per semplificare la procedura di classificazione la Normativa fornisce un metodo molto semplice basato sulla snellezza delle parti compresse che compongono la sezione. La snellezza viene calcolata come rapporto fra lunghezza e spessore delle parti compresse della sezione, differenziando le parti esterne (per esempio l’ala) dalle parti interne (per esempio l’anima). 

classificazione sezioni c/t

Schemi per il calcolo della snellezza (rapporto c/t) delle parti compresse delle sezioni

Per stabilire la classe di una sezione la snellezza delle parti  compresse va confrontata con i limiti calcolati in funzione della resistenza dell’acciaio. Maggiore è la resistenza dell’acciaio, più si abbassano i limiti che definiscono le classi più alte. Una sezione in acciaio S235 in classe 3, potrebbe passare in classe 4 all’aumentare della resistenza dell’acciaio. La classe del profilo sarà data dalla classe più alta delle parti che lo compongono. Per esempio se l’ala è in classe 3 e l’anima è in classe 2, il profilo sarà di classe 3.

Le verifiche delle sezioni per ciascuna classe

A seconda della classe della sezione, le verifiche di resistenza verranno eseguite in campo plastico o elastico e considerando la sezione lorda o efficace come indicato di seguito:

  • Resistenza a compressione: per la classe 1, 2 e 3 si utilizzerà la sezione lorda. Per la classe 4 la sezione efficace.
  • Resistenza a flessione: per le classi 1 e 2 si utilizzerà il modulo di resistenza plastico; per la classe 3 il modulo di resistenza elastico; per la classe 4 si utilizzerà il modulo di resistenza elastico calcolato considerando la sezione efficace.

Conclusioni

La classificazione delle sezioni è il primo fondamentale step per eseguire correttamente il progetto/verifica delle sezioni in acciaio. Trascurare la classe delle sezioni può farci sovrastimare la resistenza di una sezione e le sue capacità dissipative. In particolar modo se vogliamo conferire particolari capacità dissipative alla nostra struttura, dovremmo obbligatoriamente scegliere sezioni in classe 1 o 2.

L’articolo di oggi finisce qui. Se l’hai trovato utile, puoi suggerirlo ad un tuo amico o collega condividendolo su Linkedin o su Facebook. Puoi utilizzare i pulsantini social in fondo alla pagina. Te ne sarei grato.

Al prossimo post.

Marco.