Connettori per le strutture composte acciaio-calcestruzzo

L'uso dei connettori a taglio consente di aumentare sia la resistenza sia la rigidezza del sistema strutturale

Lo scopo dei connettori, ad esempio di quelli a taglio, è quello di garantire la connessione meccanica tra le travi in acciaio e le solette in calcestruzzo sovrastanti: In questo caso il sistema di connessione è progettato pertanto per resistere alle forze di taglio che agiscono all'interfaccia tra questi elementi strutturali, favorendo un comportamento congiunto.

Con l’uso dei connettori a taglio viene a crearsi un vincolo a livello di deformazione che consente di aumentare notevolmente sia la resistenza sia la rigidezza del sistema strutturale.

Nel caso di sistema non-collaborante la trave in acciaio e la soletta di calcestruzzo si flettono indipendentemente l’una dall’altra, mentre nel caso di sistema collaborante i connettori a taglio inducono la trave in acciaio e la soletta a deformarsi come un unico elemento.

I sistemi collaboranti hanno applicazioni:

• nella realizzazione di nuovi solai collaboranti, grazie ai quali è possibile ottenere una certa ottimizzazione funzionale degli spazi e del comfort (vibrazioni, isolamento acustico), impiegati in alternativa ai controventi di piano, facilitando oltretutto la modellazione strutturale;
  
• nell’adeguamento di solai esistenti per i quali è spesso necessario aumentarne la portata nei casi di cambio di destinazione d’uso e in generale ai fini di un miglioramento del comportamento sismico dell’edificio e riducendone i potenziali meccanismi di collasso, per esempio realizzando un solaio rigido garantendo anche la connessione delle armature della soletta alla muratura, migliorando così la distribuzione delle sollecitazioni a taglio sui paramenti e riducendo il rischio di eventuali meccanismi di collasso.

Progettazione

La progettazione dei sistemi di connessione acciaio-calcestruzzo, e quindi dei connettori, è disciplinata dalle seguenti principali normative:

• D.M. 17/01/2018 – Norme Tecniche per le Costruzioni 2018;
• UNI EN 1994-1-1 – Eurocodice 4 – Progettazione delle strutture composte acciaio-calcestruzzo
  – Parte 1-1: Regole generali e regole per gli edifici.

Le NTC 2018 al § 4.3.4.3 – Sistemi di connessione acciaio-calcestruzzo forniscono indicazioni generali sui sistemi di connessione tra la trave metallica e la soletta in calcestruzzo, e indicazioni specifiche per il calcolo della connessione con connettori duttili, fra cui:

• Disposizione dei connettori e limitazioni, ad esempio in termini di duttilità e quindi la capacità deformativa sufficiente al fine di consentire l’adozione dell'ipotesi di comportamento plastico ideale nella sezione considerata;
• Resistenza a taglio dei connettori tenendo in conto, nei casi in cui è presente la lamiera grecata, degli opportuni fattori di riduzione che variano a seconda della geometria del sistema di connessione;
• Valutazione delle sollecitazioni di taglio agenti sul sistema di connessione attraverso il calcolo della forza di scorrimento per unità di lunghezza attraverso l’analisi lineare elastica, l’analisi non lineare o, nel caso di connettori duttili, la teoria plastica;
• Dettagli costruttivi della zona di connessione a taglio.

Le attuali Norme Tecniche, al § 4.3.4.3.1.2, permettono di calcolare la resistenza di progetto a taglio dei pioli saldati in modo automatico con collare di saldatura normale, attraverso apposite formulazioni.

La resistenza di tutte le altre tipologie di connettori a piolo è definita all’interno della Valutazione Tecnica Europea (European Technical Assessment – ETA) per il prodotto specifico, basata sugli EAD (European Assessment Document) i quali sono Specifiche tecniche armonizzate sviluppate dall’EOTA (European Assessmente for Technical Assessment), scaricabili dal loro sito.

Oltre ai connettori a taglio, esistono altre tipologie di connettori impiegati per le strutture composte acciaio-calcestruzzo, le quali vengono classificate dalle NTC 2018 nelle seguenti categorie:

• connessioni a staffa;
• connessioni composte da connettori a taglio e a staffa;
• connessioni ad attrito.

Per questi altri tipi di connettori, quali connettori a pressione, uncini e cappi, connettori rigidi nelle solette piene, la resistenza a taglio si deve valutare secondo normative di comprovata validità.

Tipologie di connettori a piolo

Pioli saldati

I pioli saldati, detti anche “prigionieri”, sono un tipo tradizionale di connettori a taglio.

Generalmente i pioli mostrano un comportamento duttile e hanno una buona resistenza alle azioni di taglio orizzontali e al sollevamento verticale: al taglio orizzontale si oppone il gambo mentre il sollevamento verticale è impedito dalla testa.

Quando si utilizza la lamiera grecata nei solai misti, può essere richiesto che i pioli siano saldati attraverso la lamiera oppure che la lamiera sia preforata e dotata di pioli presaldati.

La saldatura dei pioli connettori viene garantita utilizzando diverse tecniche di saldatura, fra cui:

• la saldatura di prigionieri ad arco con ferrula ceramica o gas protettivo;
• la saldatura di prigionieri ad innesco mediante sollevamento a ciclo breve;
• la saldatura di prigionieri a scarica capacitiva con il metodo di innesco alla punta e/o a innesco.

La saldatura dei pioli noti anche col da dicitura “tipo Nelson” avviene con tecnica ad arco con apporto di ferula ceramica a contenimento del bagno di saldatura e con l’impiego una sfera in alluminio posta al centro della base di saldatura, la quale durante il processo provvede a disossidare l’area di saldatura garantendo un risultato ottimale.

Generalmente si ottiene una saldatura a piena penetrazione nel materiale base, fondendo piolo e trave in un unico elemento strutturale e generando quindi un completo ripristino di resistenza.

Caratteristiche principali

• Non serve forare, filettare e svasare la trave sottostante;
• Solitamente non serve aggiungere un terzo materiale d’apporto tra le parti;
• Piena penetrazione del perno nel materiale base;
• Elevati valori di tenuta meccanica e resistenza ad affaticamento da vibrazioni;
• Elevata velocità di saldatura che garantisce grande produttività;
• Il connettore può essere anche saldato sulla trave attraverso la lamiera, ma è richiesto un grande assorbimento di energia elettrica e necessità di attrezzature e personale idonei;
• La saldatura richiede manodopera qualificata/esperta;
• La qualità della saldatura dipende ampiamente dalle condizioni climatiche del sito (es. umidità, basse temperature, ecc.), ma anche di quelle superficiali della trave;
• Ampi controlli di qualità necessari;
• La presenza di cavi e l’equipaggiamento ingombrante (es. generatori, quadri elettrici) rendono le operazioni più complesse, riducendo la sicurezza in cantiere per l’operatore, riducendo in parte la produttività del cantiere, anche per i costi di mobilitazione;
• I lavori di finitura devono essere fatti dopo la saldatura su travi rivestite/verniciate;
• Se l’installazione viene fatta in stabilimento, il trasporto può essere più complesso e i pioli possono deformarsi, rendendo difficoltose le successive lavorazioni;
• L’abilità dell’operatore condiziona fortemente l’affidabilità del fissaggio. In presenza di profili
  con vernice protettiva o travi corrose (i.e. consolidamenti), la posa risulta complessa.

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