Cyclic behaviour and numerical modelling of cold-formed hollow structural sections [Comportamento ciclico e modellazione numerica di sezioni cave strutturali formate a freddo]

I profili cavi strutturali formati a freddo (cold-formed Hollow Structural Sections, HSS) sono ampiamente utilizzati come colonne nei telai in acciaio resistenti a momento grazie all’elevato rapporto resistenza/peso, alla rigidezza laterale simile lungo direzioni ortogonali e all’elevata rigidezza torsionale. Il crescente interesse verso questi elementi è testimoniato da numerosi studi sperimentali e numerici finalizzati a: (i) caratterizzare la risposta tensione–deformazione di provini estratti da elementi formati a freddo; (ii) quantificare le tensioni residue indotte dal processo produttivo; (iii) indagare la risposta ciclica di colonne HSS soggette a sforzo normale e flessione; (iv) riprodurne la risposta mediante modelli raffinati agli elementi finiti (FE) e valutarne la capacità rotazionale; e (v) sviluppare approcci di modellazione semplificati adatti alla valutazione non lineare di sistemi strutturali che includono elementi HSS. A causa del processo produttivo, in particolare nel caso del metodo di formatura indiretto per tutte le sezioni e del metodo diretto per profili piuttosto stretti, i provini estratti da elementi formati a freddo sono caratterizzati da una risposta tensione–deformazione priva di un punto di snervamento nettamente definito. Il processo di formatura a freddo determina inoltre un incremento della tensione di snervamento dell’acciaio, valutata come il valore corrispondente allo scostamento dello 0.2% della deformazione, e una riduzione della duttilità nei provini estratti dalle parti di raccordo e dalla saldatura longitudinale delle sezioni. Parallelamente, le tensioni residue rappresentano un’altra caratteristica fondamentale degli HSS formati a freddo: le tensioni residue flessionali forniscono il contributo dominante, mentre le tensioni di membrana sono generalmente prossime a zero; tensioni residue di trazione si sviluppano sulla superficie esterna e tensioni residue di compressione sulla superficie interna, con intensità maggiori tipicamente osservate verso la mezzeria delle piastre. Tali caratteristiche influenzano l’instabilità locale, il degrado post-instabilità e, in ultima analisi, la capacità deformativa degli elementi sottoposti a carichi di tipo sismico. Un elevato numero di prove di laboratorio ha indagato la risposta ciclica di colonne HSS realizzate con diversi gradi di acciaio e soggette a rapporti di sforzo normale generalmente compresi tra 0.0 e 0.4. I risultati evidenziano in modo ricorrente l’influenza fondamentale della snellezza locale e del livello di sforzo normale sulla capacità deformativa. Nella quasi totalità di queste prove di laboratorio sono stati utilizzati protocolli di carico simmetrici. Protocolli di carico asimmetrici, coerenti con il collasso, sono stati invece utilizzati in alcune prove condotte da Suzuki e Lignos, le quali hanno evidenziato che la capacità di rotazione alla corda degli elementi soggetti a protocolli coerenti con il collasso può essere fino a due-tre volte maggiore rispetto a quella degli stessi elementi sottoposti a un protocollo ciclico simmetrico standard. Modelli numerici raffinati sono stati sviluppati per riprodurre tali comportamenti ed estrarre grandezze utili alla progettazione. Approcci FE dettagliati basati su elementi shell o solidi consentono di rappresentare i modi di instabilità con elevata accuratezza, ma diventano computazionalmente onerosi quando estesi a studi parametrici di grandi dimensioni o ad analisi strutturali. Per questo motivo, negli ultimi decenni sono state proposte diverse strategie di modellazione alternative per incorporare gli effetti legati al danneggiamento in schemi computazionalmente efficienti. Tali strategie introducono generalmente: (i) riduzioni efficaci delle proprietà di sezione; (ii) modelli costitutivi con comportamento differenziato in trazione e compressione per riprodurre la risposta post-instabilità; oppure (iii) formulazioni a plasticità concentrata mediante molle rotazionali di lunghezza nulla poste alle estremità degli elementi, con degrado ciclico di rigidezza e resistenza. Sebbene questi approcci siano in grado di cogliere il degrado, la loro calibrazione è attualmente limitata principalmente a sezioni a I. Pertanto, la loro calibrazione per HSS formati a freddo e la loro estensione agli effetti combinati di sforzo normale e momento flettente richiedono sviluppi specifici. Nonostante i progressi significativi, la maggior parte degli studi e delle proposte orientate alla progettazione resta principalmente focalizzata su elementi soggetti a sforzo normale e flessione uniassiale. Al contrario, le colonne HSS inserite in telai tridimensionali resistenti a momento sono generalmente soggette a flessione biassiale, specialmente sotto azioni sismiche. Le evidenze sperimentali sulla risposta biassiale sono ancora limitate e le indagini numeriche hanno mostrato che il percorso di carico biassiale può influenzare il degrado di resistenza e l’accorciamento assiale rispetto alla flessione uniassiale. Tuttavia, mancano ancora proposte consolidate per stimare la capacità rotazionale di colonne HSS formate a freddo soggette a flessione biassiale e per modellarne la risposta ciclica. Questa lacuna motiva la ricerca presentata in questa tesi, che mira a sviluppare e validare strategie di modellazione capaci di cogliere gli effetti dell’instabilità locale e del degrado, e a fornire misure di capacità orientate alla progettazione per condizioni di flessione sia uniassiale sia biassiale. La tesi è organizzata in cinque capitoli, che procedono progressivamente dall’inquadramento bibliografico e dalla modellazione di riferimento fino allo sviluppo numerico originale e agli strumenti di modellazione semplificata. Il Capitolo 1 fornisce lo stato dell’arte sulle sezioni scatolari in acciaio formate a freddo utilizzate come componenti strutturali, concentrandosi sulle proprietà del materiale, sulle tensioni residue, sulle evidenze sperimentali e sulle strategie numeriche disponibili in letteratura. Il Capitolo 2 presenta il modello raffinato agli elementi finiti adottato nella tesi. Più nello specifico, il capitolo riassume l’approccio di modellazione precedentemente proposto da Bosco et al. e la relativa validazione per la flessione uniassiale, per poi riportare i contributi originali di questa tesi, ovvero l’estensione e la validazione del modello rispetto a prove su stub-column e prove su colonne a mensola soggette a sforzo normale e flessione biassiale. Il Capitolo 3 utilizza tale modello agli elementi finiti validato per condurre un’indagine numerica parametrica originale su colonne HSS soggette a flessione uniassiale e biassiale, considerando diversi rapporti di sforzo normale, geometrie di sezione e lunghezze di mensola. I risultati sono sintetizzati in domini di capacità di rotazione alla corda per gli stati limite di Significant Damage e Near Collapse, coerentemente con la filosofia prestazionale della seconda generazione dell’Eurocodice 8. Sulla base delle evidenze raccolte nel Capitolo 3, il Capitolo 4 sviluppa una strategia originale di modellazione semplificata in OpenSees per la flessione uniassiale, basata sulla plasticità concentrata e su una molla rotazionale di lunghezza nulla, insieme a relazioni di calibrazione per i parametri del modello. Il Capitolo 5 estende ulteriormente questa ricerca proponendo un modello originale a fibre in OpenSees per elementi soggetti a sforzo normale e flessione biassiale, impiegando una formulazione modificata del materiale SteelRebar per riprodurre la risposta dipendente dalla posizione delle strisce nelle sezioni scatolari.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2026

Author dc:creator

• CARAGLIANO, MARCO

Contributors dc:contributor

• BOSCO, MELINA

• Cold-formed
• HSS
• FE model
• Biaxial bending
• Profili formati a freddo
• Sezioni scatolari strutturali
• Modello a elementi finiti
• Pressoflessione deviata

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright
• license uri:iris.PUB02

Language dc:language

eng

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/724832

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/724832