RELAZIONE SINTETICA DEL PROGETTO STRUTTURALE

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1 COMUNE DI CERCHIO RELAZIONE SINTETICA DEL PROGETTO STRUTTURALE EDIFICIO IN C.A. ADIBITO A SCUOLA

2 INDICE PREMESSA... 2 QUADRO NORMATIVO DI RIFERIMENTO DESCRIZIONE DELLE STRUTTURE DEL FABBRICATO CRITERI DI PROGETTAZIONE, AZIONI E COMBINAZIONI IMPIEGATE CARATTERIZZAZIONE DEI MATERIALI CRITERI GENERALI DI MODELLAZIONE PRINCIPALI RISULTATI DELLE ANALISI Principali caratteristiche di sollecitazioni Principali configurazioni deformate PRINCIPALI RISULTATI DELLE VERIFICHE STRUTTURALI: UNITA A PRINCIPALI RISULTATI DELLE VERIFICHE STRUTTURALI: UNITA B Pagina 1 di 26

3 PREMESSA La presente relazione descrive sinteticamente il progetto strutturale di un nuovo edificio adibito a scuola da realizzare nei pressi di via XXIV Maggio, nel Comune di Cerchio. Localizzazione del sito di progetto Pagina 2 di 26

4 QUADRO NORMATIVO DI RIFERIMENTO o D.Min. Infrastrutture Min. Interni e Prot. Civile 14 Gennaio 2008 e allegate "Norme tecniche per le costruzioni". o D.M. LL.PP. 16 Gennaio 1996 "Norme tecniche relative ai <<Criteri generali per la verifica di sicurezza delle costruzioni e dei carichi e sovraccarichi>>". o D.M. LL.PP. 16 Gennaio 1996 "Norme tecniche per le costruzioni in zone sismiche". o Circolare 4/07/96, n.156aa.gg./stc. istruzioni per l'applicazione delle "Norme tecniche relative ai <<Criteri generali per la verifica di sicurezza delle costruzioni e dei carichi e sovraccarichi>>" di cui al D.M. 16/01/96. o Circolare 10/04/97, n.65aa.gg. istruzioni per l'applicazione delle "Norme tecniche per le costruzioni in zone sismiche" di cui al D.M. 16/01/96. o D.M. LL.PP. 11 Marzo 1988 Norme tecniche riguardanti le indagini sui terreni e sulle rocce, la stabilità dei pendii naturali e delle scarpate, i criteri generali e le prescrizioni per la progettazione, l'esecuzione e il collaudo delle opere di sostegno delle terre e delle opere di fondazione. o Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n del 20 marzo 2003 Primi elementi in materia di criteri generali per la classificazione sismica del territorio nazionale e di normative tecniche per le costruzioni in zona sismica e successive modificazioni e integrazioni. o UNI EN 1990: /04/2006 Eurocodice 0 - Criteri generali di progettazione strutturale. o UNI EN : /08/2004 Eurocodice 1 - Azioni sulle strutture - Parte 1-1: Azioni in generale - Pesi per unità di volume, pesi propri e sovraccarichi per gli edifici. o UNI EN : /10/2004 Eurocodice 1 - Azioni sulle strutture - Parte 1-3: Azioni in generale - Carichi da neve. o UNI EN : /07/2005 Eurocodice 1 - Azioni sulle strutture - Parte 1-4: Azioni in generale - Azioni del vento. o UNI EN : /11/2005 Eurocodice 2 - Progettazione delle strutture di calcestruzzo - Parte 1-1: Regole generali e regole per gli edifici. o UNI EN : /02/2005 Eurocodice 7 - Progettazione geotecnica - Parte 1: Regole generali. o UNI EN : /03/2005 Eurocodice 8 - Progettazione delle strutture per la resistenza sismica - Parte 1: Regole generali, azioni sismiche e regole per gli edifici. o UNI EN : /08/2005 Eurocodice 8 - Progettazione delle strutture per la resistenza sismica - Parte 3: Valutazione e adeguamento degli edifici. o UNI EN : /01/2005 Eurocodice 8 - Progettazione delle strutture per la resistenza sismica - Parte 5: Fondazioni, strutture di contenimento ed aspetti geotecnici. Pagina 3 di 26

5 1. DESCRIZIONE DELLE STRUTTURE DEL FABBRICATO Il progetto prevede la realizzazione di un volume costituito da un unico piano in elevazione con copertura piana. All interno di tale volume sono distribuite attività didattiche, attività interciclo, mensa-cucina e area dirigenza. In una prima fase si prevede la realizzazione di una singola porzione del fabbricato atto allo svolgimento delle attività principali della scuola. In adiacenza a questa, in una fase successiva, si aggiungerà, per mezzo di giunto tecnico opportunamente dimensionato, un ulteriore porzione di edificio adibita ad attività libere accessorie a quelle principali. Il presente lavoro riguarda esclusivamente il fabbricato da realizzare nella prima delle due fasi descritte. Tale fabbricato presenta, in pianta, un ingombro complessivo di circa 505 mq. La forma è all incirca rettangolare con una piccola appendice, di forma sempre rettangolare, che si innesta su uno dei lati lunghi dell edificio e che ospita la cucina a servizio della mensa. Planimetria del nuovo fabbricato Pagina 4 di 26

6 Le strutture in elevazione del fabbricato saranno realizzate totalmente in cemento armato con telai principali disposti parallelamente al lato lungo dell edificio a formare una serie di campate di luce variabile da un minimo di 4,20 m ad un massimo di 6,00 m. I telai saranno trasversalemente connessi da travi in c.a. di sezione 30x40 cm in corrispondenza di tre fili strutturali come indicato nello schema seguente. L intelaiatura portante è composta da pilastri in c.a. aventi sezione costante di 30x30 cm ad eccezione di quelli disposti su tre fili strutturali l edificio i quali avranno sezione 30x50 cm. Le travi in cemento dei telai hanno sezione di 30x40 cm. Carpenteria del c.a. costituente l impalcato di sostegno della copertura Sui telai in c.a. verrà disposta la copertura in legno lamellare formata da un unica orditura di travi aventi sezione 20x30 poste ad interasse costante di 1 metro. Pagina 5 di 26

7 Il sistema di fondazione sarà di tipo superficiale, costituito da una serie di travi rovesce poste al di sotto dei campi dei telai portanti. Tali travi saranno connesse trasversalmente da travi secondarie aventi sezione 30x50. Al fine di semplificare la risposta sismica del fabbricato, l appendice posta su un fianco dell edifico principale atta ad ospitare la cucina, viene distaccata dal corpo principale per mezzo di un giunto tecnico. Complessivamente, il presente progetto strutturale riguarda il dimensionamento e la verifica delle strutture portanti del corpo principale (nel seguito denominato Unità A) e dell appendice appena descritta (di seguito denominata Unità B). UNITA A UNITA B Suddivisione del fabbricato oggetto del presente lavoro in unità strutturali Le unità strutturali A e B, oggetto del presente lavoro, sono staticamente e sismicamente indipendenti e pertanto, le verifiche strutturali previste verranno descritte separatamente per l unità A e per l unità B. Pagina 6 di 26

8 2. CRITERI DI PROGETTAZIONE, AZIONI E COMBINAZIONI IMPIEGATE La valutazione della sicurezza viene condotta nei confronti degli stati limite ultimi e di esercizio. Gli stati limite ultimi presi in considerazione sono: - Stato limite per raggiungimento della massima capacità di resistenza di elementi strutturali; - Stato limite per raggiungimento della massima capacità della struttura nel suo insieme; Gli stati limite di esercizio presi in considerazione sono: - Stato limite per danneggiamenti locali (es. fessurazioni del cls) - Stato limite per deformazioni e spostamenti eccessivi. Nei confronti delle azioni sismiche, le verifiche agli SLU vengono svolte rispetto alla condizione della salvaguardia della vita umana (SLV) mnetre, per gli stati limite di esercizio, si considerano le verifiche di prestazione relative allo stato limite di danno (SLD) e allo stato limite di operatività (SLO). La struttura è progettata in modo da ricadere nella classe di duttilità bassa (CDB, secondo il 7.2 del DM ). Le zone di dissipazione energetica per cicli di isteresi sono collocate alle estremità delle travi e dei pilastri; il comportamento globalmente dissipativo è garantito prevenendo, per mezzo di ulteriori fattori di sovraresistenza, i meccanismi di collasso fragili (rotture a taglio di travi, pilastri e dei pannelli nodali). Sulla base dei principi della gerarchia delle resistenze, gli elementi strutturali di fondazione sono progettati in modo da rimanere in campo sostanzialmente elastico. Le azioni agenti sulla struttura considerate ai fini progettuali sono: - peso proprio della struttura e degli impalcati - carichi permanenti sugli impalcati - carichi variabili sugli impalcati - carico della neve sulla copertura - azione sismica I carichi variabili sugli impalcati vengono determinati secondo le indicazioni del del DM Nello specifico l impalcato contro terra appartiene alla categoria C1 (scuole) a cui è associato un carico variabile pari a Qk=3.00kN/m². Per la definizione delle azioni sismiche agenti sulla struttura si ricorre ai seguenti parametri di progetto: Parametri della struttura Classe d'uso Vita Vn [anni] Coeff. Uso Periodo Vr [anni] Tipo di suolo Categoria topografica III C T1 Id nodo Longitudine Latitudine Distanza Km Loc Pagina 7 di 26

9 Id nodo Longitudine Latitudine Distanza SL Pver Tr ag Fo T*c Anni g sec SLO SLD SLV SLC Si riportano i grafici degli spettri elastici di riferimento 1,000 Se[g] 0,900 0,800 0,700 0,600 SLV SLD SLO 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 T[s] 0,000 0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 4,500 Le combinazioni di carico utilizzate sono elencate di seguito: Combinazione fondamentale SLU G1 G1 + G2 G2 + P P + Q1 Qk1 + Q2 02 Qk2 + Q3 03 Qk3 + Combinazione caratteristica (rara) SLE G1 + G2 + P + Qk Qk Qk3+ Combinazione frequente SLE G1 + G2 + P + 11 Qk Qk Qk3 + Combinazione quasi permanente SLE Pagina 8 di 26

10 G1 + G2 + P + 21 Qk Qk Qk3 + Combinazione sismica, impiegata per gli stati limite ultimi e di esercizio connessi all azione sismica E + G1 + G2 + P + 21 Qk Qk2 + Dove: Destinazione d uso/azione Categoria C - ambienti suscettibili di affollamento 0,70 0,70 0,60 Neve a quota <= 1000 m 0,50 0,20 0,00 Carichi permanenti Carichi permanenti non strutturali Carichi variabili Coefficiente f EQU A1 A2 Favorevoli 0,9 1,0 1,0 G1 Sfavorevoli 1,1 1,0 1,3 1,3 1,0 Favorevoli 0,0 0,0 0,0 G2 Sfavorevoli 1.5 1,5 1,5 1,3 Favorevoli 0,0 0,0 0,0 Qi Sfavorevoli 1.5 1,5 1, ,3 Tutte le analisi sono svolte considerando l Approccio 2. definendo un unica combinazione per le azioni, per la resistenza dei materiali e per la resistenza globale (con coefficienti A1). Per la valutazione del fattore struttura q si considerano le seguenti caratteristiche per il fabbricato Struttura regolare in pianta, regolare in altezza, progettata in bassa duttilità. Sistema costruttivo: Calcestruzzo Tipologia strutturale: Strutture a telaio, pareti accoppiate, miste Tipologia di edificio: Strutture a telaio di un piano q0 =3,00 au/a1 =1,10 Kr =1,00 Kw =1,00 Valore fattore di struttura impiegato: q = 3.30 La dissipazione energetica è prevista, secondo i principi della gerarchia delle resistenze, solamente alle estremità degli elementi trave e pilastri. Le verifiche geotecniche sono condotte con riferimento agli stati limite ultimi e di esercizio. L edificio è fondato su travi rovesce aventi larghezza 90 cm. Come previsto al del DM , per le Pagina 9 di 26

11 fondazioni superficiali è necessario prendere in considerazione gli SLU determinati dalla mobilitazione della resistenza del terreno e dal raggiungimento della resistenza degli elementi strutturali. Nello specifico, gli stati limite geotecnici (SLU-GEO) da analizzare sono 3: - Collasso per carico limite fondazioni-terreno; - Collasso per scorrimento sul piano di posa; - Stabilità globale. Per la natura delle opere in oggetto, e del terreno di fondazione, si ritengono poco significative le verifiche di stabilità globale. La verifica per carico limite delle fondazione viene condotte mediante Approccio 2, adottando i coefficienti parziali delle azioni (A1), dei materiali (M1) e delle resistenze (R3) sono riportati nella Tabelle 6.2.I, 6.2.II e 6.4.I del DM Le analisi sono condotte considerando il pieno carico del fabbricato, ovvero conducendo un analisi a lungo termine (condizioni drenate). Coerentemente con il al del DM , per le fondazioni superficiali è necessario controllare in condizioni di esercizio (SLE) che gli spostamenti e le distorsioni siano compatibili con i requisiti prestazionali della struttura in elevazione. Le analisi sono condotte considerando il pieno carico del fabbricato, ovvero conducendo un analisi a lungo termine (condizioni drenate). Sotto tali ipotesi i cedimenti vengono calcolati adottando come modulo di rigidezza quello edometrico (cedimento a fine consolidazione). Pagina 10 di 26

12 3. CARATTERIZZAZIONE DEI MATERIALI Nella presente sezione sono riportate le caratteristiche e le qualità dei materiali da utilizzare relativamente alla realizzazione delle strutture in elevazione ed in fondazione. STRUTTURE IN CEMENTO ARMATO Strutture in elevazione Classe di resistenza C25/30 Resistenza cilindrica fck=25 N/mm² Modulo elastico E=31447 N/mm² Diametro massimo aggregato Dmax20mm Classe di consistenza S4 Classe di esposizione XC0 Contenuto minimo cemento 300kg/m 3 Massimo rapporto a/c 0.5 Copriferro 20mm Strutture in fondazione Classe di resistenza C25/30 Resistenza cilindrica fck=25 N/mm² Modulo elastico E=31447 N/mm² Diametro massimo aggregato Dmax24mm Classe di consistenza S4 Classe di esposizione XC2 Contenuto minimo cemento 300kg/m 3 Massimo rapporto a/c 0.5 Copriferro 40mm Acciaio da cemento armato Barre laminate a caldo B450C Resistenza a snervamento fy=450n/mm² Resistenza a rottura ft=540n/mm² Modulo elastico E= N/mm² STRUTTURE IN LEGNO (ai sensi dei Capitoli 4 e 11 del DM ) Legno lamellare classe GL24h UNI EN Per EC5 Pagina 11 di 26

13 Resistenza a flessione Modulo elastico fmk=24n/mm² E=11600 N/mm² CARATTERIZZAZIONE DEL TERRENO Come illustrato nel rapporto sulle indagini geotecniche e geofisiche, il terreno di fondazione è costituito, fino alla profondità di interesse per la costruzione trattata, dai seguenti livelli geotecnici: Ai fini della determinazione dell interazione terreno-struttura e della sicurezza nei confronti di meccanismi di collasso geotecnici, la successione stratigrafica descritta viene introdotta nelle analisi individuando le corrispondenti unità geotecniche ed assegnando ad esse i parametri meccanici esposti. Le indagini sismiche condotte in sito hanno consentito di definire una categoria di sottosuolo tipo C; le condizioni topografiche sono T1, essendo il sito del fabbricato posto su un terreno pressoché pianeggiante. Non è stata rilevata la presenza della falda idrica fino alla quota di 6 m dal pc. Pagina 12 di 26

14 4. CRITERI GENERALI DI MODELLAZIONE Il progetto strutturale dell edificio viene condotto con l ausilio di un modello di calcolo agli elementi finiti nel quale travi e pilastri vengono schematizzati con elementi finti monodimensionali a 2 nodi con comportamento meccanico a trave. I solai in legno della copertura sono modellati attraverso elementi finiti bidimensionali dotati di rigidezza nel piano corrispondente a quella di una membrana di legno lamellare di spessore 3 cm. Il modello tiene conto dell interazione tra struttura e terreno tramite travi modellata con elementi tipo D2 in appoggio su letto di molle alla Winkler. Nelle figure seguenti viene presentato il modello di calcolo per le unità A e B in vista solida e a fil di ferro. Modello di calcolo in vista solida e a fil di ferro Gli elementi strutturali in c.a. vengono progettati ricorrendo ad un analisi dinamica modale con spettro di progetto. Per il passaggio dallo spettro di risposta elastico, definito per mezzo dei parametri presentati nel capitolo precedente, allo spettro di progetto è necessario definire un opportuno fattore di struttura. A valle delle analisi si passa alle verifiche strutturali; gli elementi strutturali in calcestruzzo vengono verificati nei confronti dei meccanismi di resistenza previsti al del DM Il progetto per azioni sismiche avviene nel rispetto delle indicazioni del 7.4 del DM Le verifiche geotecniche di collasso Pagina 13 di 26

15 del terreno di fondazione vengono condotte assumendo che gli scarichi in fondazione siano quelli derivanti dall analisi sismica strutturale globale a comportamento non dissipativo. Affidabilità del codice Le modellazioni e le analisi globali vengono svolte mediante l utilizzo del software PRO_SAP PROfessional Structural Analysis Program, versione PROFESSIONAL (build ), prodotto dalla 2S.I. Software e Servizi per l Ingegneria s.r.l., Ferrara. Un attento esame preliminare della documentazione a corredo del software ha consentito di valutarne l affidabilità e soprattutto l idoneità al caso specifico. La documentazione, fornita dal produttore e distributore del software, contiene una esauriente descrizione delle basi teoriche e degli algoritmi impiegati, l individuazione dei campi d impiego, nonché casi prova interamente risolti e commentati, corredati dei file di input necessari a riprodurre l elaborazione: 2S.I. ha verificato l affidabilità e la robustezza del codice di calcolo attraverso un numero significativo di casi prova in cui i risultati dell analisi numerica sono stati confrontati con soluzioni teoriche. E possibile reperire la documentazione contenente alcuni dei più significativi casi trattati al seguente link: Pagina 14 di 26

16 5. PRINCIPALI RISULTATI DELLE ANALISI 5.1 Principali caratteristiche di sollecitazioni Si riportano di seguito gli inviluppi delle caratteristiche di sollecitazione per gli elementi delle strutture in elevazione. Travi inviluppo sforzo normale Pilastri inviluppo sforzo normale Pagina 15 di 26

17 Travi inviluppo sforzo di taglio Pilastri inviluppo sforzo di taglio Pagina 16 di 26

18 Relazione sintetica sul progetto strutturale Travi inviluppo momento flettente Pilastri inviluppo momento flettente Pagina 17 di 26

19 Relazione sintetica sul progetto strutturale 5.2 Principali configurazioni deformate Nelle figure seguenti sono rappresentati i primi tre modi di vibrare ed i relativi periodi propri ottenuti da un analisi dinamica lineare svolta sul modello di calcolo. Primo modo T=0.37 s Secondo modo T=0.30s Terzo modo T=0.28s Deformate primi tre modi di vibrare unità A Primo modo T=0.50 s Secondo modo T=0.33s Terzo modo T=0.30s Pagina 18 di 26

20 6. PRINCIPALI RISULTATI DELLE VERIFICHE STRUTTURALI: UNITA A Le verifiche allo SLU sugli elementi strutturali trave (travi e pilastri della struttura in c.a sono condotte con riferimento alle indicazioni del 4.1 del DM Il progetto sismico degli elementi è condotto nel rispetto delle indicazioni del del DM Di seguito si rappresentano graficamente ed in forma tabellare le verifiche degli elementi strutturali per tutti i meccanismi di collasso previsti dalle norme. Le verifiche sono condotte a valle del dimensionamento delle armature, nel rispetto dei requisiti per edifici in CDB. Le sollecitazioni di calcolo sono ottenute nell ottica della gerarchia delle resistenze secondo le indicazioni del del DM Nello specifico le travi vengono progettate a flessione per mezzo dei momenti ricavati dalle analisi ed a taglio secondo una sollecitazione in grado di garantire la sovraresistenza per meccanismi fragili ( secondo quanto definito al del DM ). I momenti di calcolo dei pilastri, sono tali da garantirne la rottura posticipata rispetto a quella delle travi concorrenti; i tagli di calcolo garantiscono la sovraresistenza per meccanismi fragili ( secondo quanto definito al del DM ). Nelle immagini seguenti le verifiche vengono illustrate, qualora non diversamente specificato, in termini di rapporto tra la domanda D e la capacità C. La verifica è soddisfatta se D/C è minore di 1. Inoltre sono rappresentati i principali parametri per il calcolo delle sollecitazioni in gerarchia delle resistenze. Travi-Pressoflessione Pagina 19 di 26

21 Travi-Taglio trazione Travi-Taglio compressione Pagina 20 di 26

22 Pilastri Pressoflessione Pilastri - Taglio trazione Pagina 21 di 26

23 Pilastri - Taglio compressione Pagina 22 di 26

24 7. PRINCIPALI RISULTATI DELLE VERIFICHE STRUTTURALI: UNITA B Le verifiche allo SLU sugli elementi strutturali trave (travi e pilastri della struttura in c.a sono condotte con riferimento alle indicazioni del 4.1 del DM Il progetto sismico degli elementi è condotto nel rispetto delle indicazioni del del DM Di seguito si rappresentano graficamente ed in forma tabellare le verifiche degli elementi strutturali per tutti i meccanismi di collasso previsti dalle norme. Le verifiche sono condotte a valle del dimensionamento delle armature, nel rispetto dei requisiti per edifici in CDB. Le sollecitazioni di calcolo sono ottenute nell ottica della gerarchia delle resistenze secondo le indicazioni del del DM Nello specifico le travi vengono progettate a flessione per mezzo dei momenti ricavati dalle analisi ed a taglio secondo una sollecitazione in grado di garantire la sovraresistenza per meccanismi fragili ( secondo quanto definito al del DM ). I momenti di calcolo dei pilastri, sono tali da garantirne la rottura posticipata rispetto a quella delle travi concorrenti; i tagli di calcolo garantiscono la sovraresistenza per meccanismi fragili ( secondo quanto definito al del DM ). Nelle immagini seguenti le verifiche vengono illustrate, qualora non diversamente specificato, in termini di rapporto tra la domanda D e la capacità C. La verifica è soddisfatta se D/C è minore di 1. Inoltre sono rappresentati i principali parametri per il calcolo delle sollecitazioni in gerarchia delle resistenze. Travi-Pressoflessione Pagina 23 di 26

25 Travi-Taglio trazione Travi-Taglio compressione Pagina 24 di 26

26 Pilastri Pressoflessione Pilastri - Taglio trazione Pagina 25 di 26

27 Pilastri - Taglio compressione Pagina 26 di 26