Il calcolo della classe delle sezioni in acciaio è il primo passo da compiere prima di eseguire la verifica di resistenza a flessione, pressoflessione o compressione di un profilo in acciaio. Per ogni tipologia di profilo (HEA, HEB, IPE etc.) una volta scelta la dimensione della sezione, è necessario determinare la classe prima di procedere alla verifica di resistenza. Nell’articolo di oggi ti parlo della classificazione delle sezioni in acciaio ai sensi delle NTC2018. Ti spiegherò cosa cambia fra le diverse classi delle sezioni e perché è così importante tenerne conto. Nel corso dell’articolo potrai scaricare un’utile risorsa per il calcolo automatico della classe delle sezioni in acciaio.
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Classe delle sezioni in acciaio: l’instabilità locale
Il calcolo della classe delle sezioni in acciaio si rende necessario per evitare l’instabilità locale del profilo. L’instabilità locale si verifica quando le parti compresse della sezione si imbozzano, deformandosi fuori piano e 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 sua snellezza (ricordi l’esperimento dello spaghetto?). Il calcolo della classe va eseguito sia per le sezioni in composizione saldata, ovvero sezioni ottenute dalla saldatura di piastre in acciaio, sia per i profili standard laminati a caldo (i classici profili della serie IPE, HEA, HEB etc.).
Classe delle sezioni in acciaio: la capacità rotazionale
La capacità rotazionale di una sezione è definita 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
La curvatura ultima e la curvatura di snervamento si ottiene dal legame momento curvatura di una sezione in acciaio. Sulla base della capacità rotazionale della sezione la Normativa Tecnica definisce quattro differenti classi per le sezioni in acciaio.
Classe 1: resistenza plastica e capacità rotazionale elevata
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.
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.
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.
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 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.
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.
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 calcolare 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 più immediato, 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).
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 considerato di classe 3.
Classe delle sezioni in acciaio: le verifiche di resistenza per ciascuna classe
A seconda della classe della sezione, le verifiche di resistenza verranno eseguite in campo plastico o elastico, 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.
Classifica le sezioni in acciaio con l’app Ver.Steel
Esegui la classificazione automatica delle sezioni con Ver.Steel, l’app per l’analisi delle sezioni in acciaio. Potrai calcolare la classe delle sezioni in acciaio di tipo HE, IPE, Angolari, UPN, tubolari rettangolari, quadrati e circolari. Clicca sul tasto qui sotto per scaricare la risorsa.
Conclusioni
La classificazione delle sezioni è il primo fondamentale step per eseguire correttamente il progetto/verifica delle sezioni in acciaio. Trascurando la classe delle sezioni si rischia di sovrastimare la resistenza e le capacità dissipative di un elemento strutturale metallico. In particolar modo se vogliamo conferire particolari capacità dissipative alla costruzione che stiamo progettando, dovremmo obbligatoriamente scegliere sezioni in classe 1 o 2.
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Al prossimo post.
Marco
Aggiornato il 20/4/2020, pubblicato il 5/11/2018.
Ciao, mi sai dire perchè tutti i diagrammi momento-curvatura hanno un tratto in comune?
Ciao Alfonsina, il tratto in comune è il ramo elastico-lineare. La differenza fra le curve diventa evidente quando la sezione entra in campo plastico. Ciao. Marco
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