Le colonne scatolari in acciaio, chiamate anche sezioni scatolari saldate o sezioni composte chiuse-, sono fabbricate saldando quattro piastre in un prisma cavo quadrato o rettangolare. La loro geometria chiusa offre rigidità simmetrica su entrambi gli assi, elevata resistenza alla torsione e prestazioni eccellenti sotto carichi assiali pesanti, il che li rende una scelta standard per nuclei di grattacieli,-ponti a lunga campata e telai industriali. La domanda che ogni team di progetto deve affrontare all'inizio è: quale dimensione dovrebbe avere la colonna? La risposta arriva dalla progettazione strutturale, non da un catalogo, e questa guida spiega i fattori e le verifiche che la determinano.
Cos'è una colonna scatolare in acciaio?
Una colonna scatolare in acciaio è un elemento strutturale cavo e chiuso, normalmente prodotto saldando insieme quattro piastre di acciaio per formare una sezione trasversale quadrata o rettangolare. Rispetto alle sezioni aperte come le travi ad I- o ad H-, la sezione scatolare offre:
Rigidità biassiale simmetrica:non esiste un asse forte o un asse debole, quindi la colonna resiste alla flessione equamente in tutte le direzioni.
Elevata resistenza alla torsione:la cella chiusa resiste alla torsione in modo molto più efficace rispetto alle sezioni aperte.
Elevata efficienza di compressione:il materiale è distribuito lontano dal baricentro, fornendo un ampio raggio di rotazione per l'area della sezione.
Eccellente controllo dell'instabilità locale:le quattro pareti della piastra possono essere proporzionate per rispettare i limiti di compattezza previsti dalla normativa vigente.
Le colonne scatolari sono ampiamente utilizzate come colonne di edifici in strutture di grattacieli-, come piloni e piloni di ponti e come elementi principali negli edifici industriali e pubblici.
Fattori che determinano il dimensionamento delle colonne box
Carichi di progetto
La sezione trasversale- deve resistere al carico assiale preso in considerazione, ai momenti flettenti derivanti dalla gravità e ai carichi laterali e al taglio, combinati secondo la normativa in vigore. Devono essere soddisfatti sia gli stati limite di resistenza che quelli di esercizio.
Altezza non rinforzata e lunghezza effettiva
Lunghezze maggiori non controventate aumentano la snellezza della colonna e ne riducono la capacità di compressione. La lunghezza effettiva è il prodotto della lunghezza effettiva e un fattore K- che riflette i vincoli finali: connessioni fisse, imperniate o parzialmente vincolate nella parte superiore e inferiore dell'elemento.
Vincoli finali e condizioni al contorno
Le basi fisse e i piani collegati a momento- riducono il fattore di lunghezza effettiva, mentre le basi fissate e le connessioni semplici lo aumentano. Le condizioni di vincolo devono essere modellate accuratamente perché governano direttamente la verifica di instabilità.
Grado d'acciaio
Gradi di resistenza-più elevati come S355 (EN 10025-2), ASTM A572 Grado 50 o Q355B (GB/T 1591) consentono una sezione più compatta per lo stesso carico, al costo di un prezzo unitario più elevato e di requisiti di saldatura e fabbricazione più rigorosi. Il grado dovrebbe essere selezionato tenendo presente la resistenza del progetto e la capacità di fabbricazione.
Rapporto tra larghezza-e-spessore (deformazione locale)
Le pareti delle piastre di una colonna scatolare devono essere proporzionate per evitare deformazioni locali prima che la sezione raggiunga la sua piena resistenza. I codici definiscono i limiti di compattezza in termini di rapporto tra larghezza-e-spessore; ad esempio, AISC 360 stabilisce un rapporto limite tra larghezza-e-spessore per elementi sottili sottoposti a compressione uniforme e GB 50017 e EN 1993-1-1 forniscono requisiti di instabilità locale equivalenti. Il progetto deve verificare che lo spessore della piastra selezionato soddisfi il limite applicabile.
Verifiche di progettazione per colonne scatolari
Il dimensionamento di una colonna box è un processo iterativo che consiste nel presupporre una sezione, controllarla e adattarla. I principali controlli, eseguiti con la normativa vigente (ad esempio AISC 360, EN 1993-1-1 o GB 50017), sono:
Forza assiale:la resistenza a compressione di progetto è la resistenza nominale ridotta del fattore di resistenza appropriato, dove la resistenza nominale tiene conto dell'instabilità per flessione attorno all'asse critico e si basa sulla snellezza effettiva KL/r.
Combinato assiale e flessionale:gli elementi soggetti a carico assiale più momenti vengono verificati con le equazioni di interazione del codice, che combinano i rapporti di utilizzo della forza assiale e del momento.
Limiti di snellezza:gli elementi di compressione sono normalmente limitati a un rapporto di snellezza massimo (ad esempio KL/r non superiore a 200 per gli elementi di compressione principali secondo AISC 360; la limitazione equivalente in GB 50017 si applica agli elementi di compressione principali).
Instabilità locale:i rapporti tra larghezza-e-spessore della piastra vengono controllati rispetto ai limiti di compattezza della normativa in modo che la sezione possa sviluppare la sua capacità plastica o elastica come ipotizzato in fase di progettazione.
Manutenzione:deriva laterale, accorciamento assiale e vibrazione vengono verificati rispetto ai limiti di progetto.
Poiché la geometria interagisce con le verifiche di resistenza, la dimensione finale viene confermata al meglio da un ingegnere strutturale qualificato che utilizza un software di progettazione riconosciuto, con disegni esecutivi preparati in base al calcolo approvato.
Guida pratica al dimensionamento per applicazione
| Applicazione | Classe di sezione relativa | Esempi di voti suggeriti | Driver di selezione chiave |
|---|---|---|---|
| Infissi residenziali e commerciali leggeri | Sezioni compatte, spessore parete modesto | Q235B (GB/T 1591) o S235JR (EN 10025-2) | Efficienza dello spazio, economia, connessioni semplici |
| Impianti industriali e magazzini | Sezioni medie con rigidità adeguata | Q355B (GB/T 1591) o S355JR (EN 10025-2) | Carichi della gru, urti e vibrazioni, controllo della deriva |
| Grattacieli-torri commerciali | Grandi sezioni, pareti più spesse | Q355B, Q420 (GB/T 1591) o ASTM A572 Grado 50/60 | Elevata capacità assiale, rigoroso controllo di compattezza, dettaglio sismico |
| Ponti e infrastrutture | Sezioni profonde, lamiere pesanti, dettagli di fatica | S355K2 (EN 10025-2) o ASTM A572 Grado 50 | Carichi dinamici, fatica, tolleranza alla corrosione |
| Strutture di sostegno temporaneo | Sezioni moderate, connessioni bullonate | Q355B (GB/T 1591) o S355 | Riutilizzabilità, trasportabilità, montaggio e smontaggio rapidi |
La tabella è solo indicativa: il caso di carico applicabile, la lunghezza effettiva e i requisiti normativi hanno sempre la precedenza e le dimensioni esatte devono provenire dal calcolo strutturale.
Fabbricazione e controllo qualità
Le colonne scatolate saldate richiedono una fabbricazione disciplinata perché la sezione chiusa rende le saldature interne inaccessibili dopo l'assemblaggio:
Saldatura:le quattro giunzioni d'angolo vengono solitamente saldate mediante saldatura ad arco sommerso (SAW) con sequenze controllate; le procedure di saldatura devono essere qualificate secondo AWS D1.1, EN 1090 o il codice applicabile.
Irrigidimento interno:diaframmi trasversali nei punti di introduzione del carico e, dove richiesto, irrigidimenti longitudinali controllano l'instabilità locale e diffondono le forze concentrate.
Test non-distruttivi:le saldature critiche vengono esaminate mediante test ad ultrasuoni (UT), con particelle magnetiche (MT) o test radiografici (RT) dove la specifica lo richiede.
Tracciabilità dei materiali:i certificati di prova di fabbrica secondo EN 10204 (tipo 3.1) documentano la chimica della lamiera e le proprietà meccaniche.
Protezione dalla corrosione:le superfici vengono pulite mediante sabbiatura al grado Sa 2,5 e rivestite secondo lo standard ISO 12944 per la categoria di esposizione oppure zincate a caldo-dove specificato.
Assemblaggio di prova:le colonne complesse o con tolleranze elevate vengono assemblate di prova-in negozio per verificare l'allineamento e la geometria dei fori prima della spedizione.
Domande frequenti
D: Quali forme di colonne box sono disponibili?
Le sezioni cave quadrate e rettangolari sono le più comuni; le colonne scatolari rastremate e gradinate vengono prodotte quando esigenze architettoniche o di carico richiedono una sezione variabile in altezza.
D: Quale qualità di acciaio dovrei scegliere per una colonna scatolare?
Per carichi moderati, Q235B (GB/T 1591) o S235JR (EN 10025-2) sono economici. Per grattacieli, ponti e applicazioni industriali pesanti, sono tipici Q355B/Q420 (GB/T 1591), S355 (EN 10025-2) o ASTM A572 Grado 50/60. Il grado viene scelto insieme alla resistenza del progetto e ai requisiti di fabbricazione.
D: Come viene determinato lo spessore della parete?
Lo spessore della parete è stabilito dai controlli di resistenza assiale e di flessione, dai limiti di deformazione locale (da-a-spessore) del codice e da eventuali tolleranze di corrosione richieste per l'ambiente. Pareti più spesse vengono utilizzate laddove prevale la snellezza o la verifica dell'instabilità locale.
D: Qual è un buon rapporto tra larghezza-e-spessore per una colonna riquadrata?
Non esiste un unico valore fisso. Il rapporto limite tra larghezza-e-spessore è definito dalla normativa in vigore (ad esempio i limiti di compattezza in AISC 360, GB 50017 o EN 1993-1-1) e dipende dalla resistenza allo snervamento dell'acciaio e dal livello di sollecitazione della parete. Il progetto deve verificare la sezione rispetto al limite applicabile.
D: È possibile giuntare le colonne box in cantiere?
SÌ. Le giunzioni in campo vengono realizzate con piastre di giunzione imbullonate o con saldature a gola a piena-penetrazione, dettagliate e controllate secondo la normativa. La preparazione delle estremità realizzate in negozio-e l'assemblaggio di prova aiutano a garantire l'allineamento in corrispondenza della giunzione.
D: Quale documentazione accompagna le colonne scatolate fabbricate?
La documentazione tipica include certificati di prova di fabbrica (EN 10204 tipo 3.1), qualificazione della procedura di saldatura e registri del saldatore, rapporti NDT, rapporti di ispezione dimensionale e disegni esecutivi approvati.