Connessioni saldate tra pilastri scatolari e travi ad I

This thesis deals with the current design methodology of I-beams to RHS columns welded connections. Such solution is commonly used in steel structures as well as steel-concrete composite structures because it allows to take advantage of cross sections geometrical properties. In fact, RHS columns work properly in carrying compression axial loads; furthermore they generally haven’t stronger direction in cross-section so biaxial bending moments can be supported and their connections can be easily made. On the other hand, I beams are generally the best solutions in carrying bending moments, so I-beams to RHS columns connections are frequently used in moment resisting frames as well as braced frames. Steel structure are light and resistant but in many cases they could be affected by instability problems and they show no sufficient stiffness against lateral loads. In order to avoid these problems and to improve structural performances, they often may be filled with concrete, getting technological and constructional benefits. Concrete filled columns are much stronger than steel ones. Concrete core reduces local instability problems of steel section; on the other hand steel casing improves concrete performances, increasing element ductility. Moreover, much higher fire resistance can be reached, with additional economical benefits during construction procedures. Construction details can be realized in order to develop dissipative mechanisms in plastic strain range, so they can be involved in designing earthquake resistant structures. Theoretical matters and design procedures for I-beams to RHS columns welded connections investigation is the aim of present work. In Chapter 1, general informations, such as classification and designation according with international standards, are given with reference to geometrical and mechanical properties of steel and steel-concrete composite elements. In Chapter 2, after introducing some theoretical notions about welded joints behavior, design of semi-rigid and rigid connections in steel structures is discussed with reference to Wardeiner’s works and CIDECT Design Guides. Chapter 3 deals the same topics of previous one but for steel-concrete composite structure. In many cases, design formula are discussed with reference to previous Chapter. Chapter 4 introduces general rules in designing earthquake resistant structures and shows how I-beams to RHS columns welded connections can be used to reach expected good performances during seismic events. Many design formula for RHS elements showed in this thesis are obtained from plastic mechanisms method. Many Authors derived expressions for element capacity with an analytical method, observing the shape of local collapse mechanism during the experimental tests. In Chapter 5 an analytical model of plastic hinge for an I beam is presented. Using plastic mechanisms method, a moment-rotation curve is obtained in the post-critical part when monotonic load is applied on the element.

Il presente lavoro di tesi si pone l’obiettivo di illustrare il quadro attuale di riferimento per la progettazione di connessioni saldate tra pilastri scatolari e travi ad I. Questa soluzione progettuale è frequentemente utilizzata per la realizzazione di strutture in acciaio e composte acciaio-calcestruzzo in quanto consente di sfruttare bene le caratteristiche proprie delle geometrie sezionali considerate. Infatti, i pilastri scatolari si prestano bene a portare carichi verticali in compressione ed oltre a consentire una facile realizzazione dei giunti, rispondono bene alle sollecitazioni flettenti derivanti dalle travi collegate in più direzioni (non avendo in genere direzioni privilegiate). Dall’altra parte, le travi realizzate con profili ad I garantiscono nella maggior parte de casi il miglior modo per portare azioni flettenti. Per questi motivi, le connessioni tra pilastri scatolari e travi a I vengono impiegate frequente in strutture a telaio momento-resistente ed anche in quelle dotate di sistemi di controvento. Le strutture in solo acciaio sono in genere leggere e resistenti ma in diverse circostanze non sufficientemente rigide nei confronti delle azioni laterali e sensibili a fenomeni di instabilità (locali e globali). Per migliorare le prestazioni della struttura si ricorre allora al riempimento delle colonne con il calcestruzzo riuscendo ad ottenere allo stesso tempo considerevoli vantaggi tecnologici e costruttivi. In generale, la presenza del calcestruzzo riduce, in maniera più o meno efficace i fenomeni di instabilità locale del profilo in acciaio. D’altro canto, l’acciaio esercita un confinamento sul calcestruzzo aumentandone la resistenza a compressione e le prestazioni in termini di duttilità. Un altro aspetto peculiare riguarda la protezione al fuoco ed alla corrosione esercitata dal calcestruzzo sull’acciaio. Sono altresì interessanti alcuni aspetti legati alle soluzioni esecutive; infatti è possibile non fare ricorso a casseforme, perché il getto viene fatto direttamente nella camicia di acciaio. Non è esclusa la possibilità di adottare questa soluzione per progettare strutture sismo-resistenti in quanto sono realizzabili diversi dettagli capaci di attivare grandi deformazioni e meccanismi dissipativi. Quanto segue è organizzato in modo da presentare gli aspetti teorici e pratici legati alla progettazione della connessione in oggetto. Nel Capitolo 1 vengono fornite informazioni di carattere generale legate ai profili scatolari, ovvero il sistema di designazione e classificazione oltre che le caratteristiche geometriche e meccaniche degli elementi in acciaio e composti acciaio calcestruzzo. Nel Capitolo 2, dopo aver introdotto alcune nozioni teoriche sul comportamento dei giunti saldati, si analizzano nel dettaglio le connessioni semi-rigide e rigide nelle strutture in acciaio, sulla base dei lavori di Wardeiner e le guide progettuali CIDECT. In particolare, viene fornita una casistica che riguarda le principali soluzioni comunemente adottate dai progettisti. Il Capitolo 3 si occupa di fornire le stesse informazioni ma in riferimento alle strutture composte acciaio calcestruzzo. In diversi casi, si fa riferimento agli argomenti trattati nel Capitolo 2 per ricavare informazioni utili all’individuazione di specifiche formule di progetto. Il Capitolo 4 tratta gli aspetti legati alla progettazione delle connessioni trattate ai Capitoli 2 e 3 inserite in un contesto strutturale sismo-resistenti. Vengono dapprima fornite le nozioni teoriche atte al soddisfacimento di specifiche prestazioni anti-sima; successivamente si analizzano più nel dettaglio le disposizioni tecniche e progettuali che consentono di attivare determinate risposte negli elementi strutturali, nelle connessioni e nella struttura nel suo complesso. Molte formulazioni analitiche che hanno permesso di ricavare formule progettuali per elementi a sezione scatolare si basano su modelli a linee di snervamento, che individuano un meccanismo di collasso plastico locale. In quest’ottica, il Capitolo 5 si pone l’obiettivo di presentare il comportamento di una cerniera plastica attiva sua trave a I a mezzo di una curva momento-rotazione per carico monotono, costruita nella sua porzione finale (che segue l’attivarsi di fenomeni di instabilità locale) con l’ausilio di modelli di meccanismi di collasso plastico.