Calcolo dell azione sismica su un edificio intelaiato in c.a.

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1 Calcolo dell azione sismica su un edificio intelaiato in c.a m m m m 4m 3m 4m 4m Edificio uso abitazione suolo A Ag=0.31g T C =0.5 F 0 =2.5 2

2 Carichi in assenza di sisma (cap. 2): Testo unico 2008 Stato limite ultimo n G1 G1 + G2 G2 Q1 Qk1 Qi 0i Qki i=2 γ γ +γ + γ (ψ ) Stato limite di esercizio Rare G1+G2+Q1k + n (Ψ0i Qik) i= 2 frequenti: G1+G2+ + Ψ11Q1k + n (Ψ2i Qik) i= 2 quasi permanenti: G1+G2 + (Ψ2i Qik) n i= 1 Carichi in presenza di sisma: Carichi gravitazionali per il calcolo dell azione sismica: G + G + ψ Q 1 2 j 2 j kj Combinazione dell azione sismica con le altre azioni E + G + G + ψ Q 1 2 j 2 j kj 3 4

3 Testo unico 2008 Pertanto, in zona sismica, in presenza di un solo sovraccarico verticale variabile principale, si considerano le due combinazioni: γ G1G1 + γ G2G2 + γ Q1Q k1 + γq2ψ 02 Q k2 + γq3ψ03 Qk23 1)SLU Q k1 è il valore caratteristico del carico accidentale 200Kg/mq Q k2 è la neve, Ψ 02 =0.5; Q k3 è il vento, Ψ 03 =0.6 2)combinazione dell azione sismica con le altre azioni E + G1 + G2 + ψ 21Qk1 + ψ22qk2 Ψ 21 =0.3 per la categoria di ambienti ad uso residenziale =0.6 per balconi e scale, essendo suscettibili di affollamento Ψ 22 =0 Inoltre, carico gravitazionale per il calcolo dell azione sismica: G + G + ψ Q k1 5 Analisi dei carichi unitari - slu Impalcato tipo Copertura p.p. solaio 3.00 kn/m kn/m 2 massetto 1.00 kn/m kn/m 2 impermeabilizzazione kn/m 2 pavimento 0.40 kn/m kn/m 2 intonaco 0.30 kn/m kn/m 2 tramezzature 1.50 kn/m 2 0 G k = 6.20 kn/m 2 G k =5.50 kn/m 2 carico utile Q 1k = 2.00 kn/m 2 Q 1k =2.00 kn/m 2 neve 0 Q 2k =0.60 kn/m 2 carichi in condizioni non sismiche: tipo p = 1.3G k +1.5 Q 1k = kn/m 2 copertura p = 1.3G k (Q 1k +0.5* Q 2k ) = kn/m 2 Per il calcolo delle azioni sismiche si considera un carico pari a: tipo p = G k + ψ 21 Q 1k = * 2.00 = 6.80 kn/m 2 copertura p = G k + ψ 21 Q 1k = * 2.00 = 6.10 kn/m 2 Per l analisi dei carichi sulle travi in presenza di sisma: tipo p = G k + ψ 21 Q 1k = * 2.00 = 6.80 kn/m 2 copertura p = G k + ψ 21 Q 1k = * 2.00 = 6.10 kn/m 2 6

4 Analisi dei carichi unitari - slu Scala Rampa e pianerottolo p.p. soletta (+ gradini) 4.74 kn/m 2 massetto 0.50 kn/m 2 pavimento 1.17 kn/m 2 intonaco 0.34 kn/m 2 G k = 6.75 kn/m 2 carico utile: Q 1k =4.00 kn/m 2 carichi in condizioni non sismiche: p = 1.3G k Q 1k = kn/m 2 Per il calcolo delle azioni sismiche si considera un carico pari a: p = G k + ψ 21 Q 1k = = 9.15 kn/m 2 Per l analisi dei carichi sulle travi in presenza di sisma: p = G k + ψ 21 Q 1k = = 9.15 kn/m 2 Tamponature p.p. tamponatura perimetrale = 3.20 kn/m 2 pertanto per un altezza di 2.5 m si ha un peso di 8 kn/m 7 Azioni orizzontali vento: Pressione orizzontale del vento p= q ref c p c d c e 8

5 Azioni orizzontali vento: Pressione orizzontale del vento p= q ref c p c d c e Zona 3 e altitudine inferiore a 500m; v ref=27m/s; q ref=456n/m 2 ; Coefficiente di forma c p =0.8 sopravvento, c p =0.4 sottovento Coefficiente dinamico c d =1 9 Azioni orizzontali vento: Pressione orizzontale del vento p= q ref c p c d c e Zona 3 e altitudine inferiore a 500m; v ref=27m/s; q ref=456n/m 2 ; Coefficiente di forma c p =0.8 sopravvento, c p =0.4 sottovento Coefficiente dinamico c d =1 Categoria di esposizione 4 e classe di rugosità A: k=0.22, z 0 =0.3m, z min =8m; c t =1, c e =1.91 Pressione orizzontale del vento p= q ref c p c d c e =992N/m 2 (660 sopravv+330sottov) 10

6 Impalcato tipo Pesi sismici degli impalcati Solaio = 1421 kn Incidenza scala 3 7 ( ) = 50 kn Tamponatura ( ) 8 = =656 kn Travi* ( ) 3.75 = 533 kn Pilastri* = 240 kn Totale = 2900 kn Impalcato copertura Solaio = 1275 kn Tamponatura ( ) 4 = 328 kn Travi* ( ) 3.75 = 533 kn Pilastri* / 2 = 120 kn Totale Peso sismico totale W t = = kn = 2256 kn *Avendo assunto in fase di predimensionamento travi pilastri METODI DI CALCOLO PER GLI EDIFICI Analisi lineare statica applicabile se sono soddisfatti i requisiti di regolarità in altezza e se T 1 < 2.5 T c analisi lineare dinamica applicabile a tutti gli edifici analisi statica non lineare Testo unico 2008 applicabile se sono soddisfatti i requisiti di regolarità in pianta e in altezza, oppure applicabile ad edifici non regolari mediante metodi opportuni. analisi dinamica non lineare applicabile a condizione che i modelli costitutivi adottati siano adeguatamente giustificati 12

7 F i = F h METODI DI ANALISI ANALISI STATICA LINEARE 1) Calcolo approssimato del primo periodo proprio della struttura 2) forza statica equivalente F i a livello di piano: ( z W ) ( z jwj ) j i i F h =S d (T 1 ) W λ/g λ= 0.85 se l edificio ha almeno tre piani e T 1<2 T c, λ= 1 altrimenti. applicabile se sono soddisfatti i requisiti di regolarità e se T 1 < 2.5 T c la forza statica equivalente è ottenuta considerando un solo modo di vibrazione - forma modale lineare - massa partecipante del primo modo = 85% della massa totale 13 METODI DI ANALISI ANALISI DINAMICA MODALE 1) valutare le proprietà modali della struttura supposta elastica lineare 2) calcolare i valori massimi di sollecitazioni e spostamenti associati a ciascun modo proprio di vibrare 3) Valutare l effetto sollecitazioni e spostamenti complessivi mediante un opportuna regola di combinazione modale f = Kq = Mψ g S ( T, ξ ) k k k k a k k eq f 1eq max, q1max q2max f2 eq q3max f3 eq MOTA: è possibile ma non necessario usare le forze statiche equivalenti 14

8 METODI DI ANALISI F q ANALISI STATICA NON LINEARE determinazione di un legame forzaspostamento generalizzato tra la risultante delle forze applicate ( taglio alla base ) e lo spostamento di un punto di controllo, * F usualmente scelto come il baricentro dell ultimo piano; * F y determinazione delle caratteristiche di un sistema ad un grado di libertà a comportamento bi-lineare equivalente; * d y * d ANALISI DINAMICA NON LINEARE la risposta della struttura è calcolata integrando direttamente l'equazione non lineare del moto del sistema utilizzando un modello tridimensionale e gli accelerogrammi che risultino equivalenti allo spettro elastico di normativa 15 METODI DI ANALISI Regolarità geometrica Semplificazioni ammesse pianta altezza modello analisi si si piano statica lineare si no piano dinamica modale no si spaziale statica lineare no no spaziale dinamica modale *secondo il DM 2008 il MODELLO STRUTTURALE deve essere 3D e rappresentare in modo adeguato le effettive distribuzioni spaziali di massa, rigidezza e resistenza, e le 16 situazioni in cui componenti orizzontali del sisma possono produrre forze d inerzia verticali

9 Testo unico 2008 ANALSI STATICA LINEARE modello spaziale FORZA SISMICA TOTALE (taglio alla base): FORZA SISMICA DI PIANO: Fh = S d (T 1) Wλ Fi = F h(ziw i) / (z jw i) S d è lo spettro di risposta di progetto T 1 è il periodo fondamentale F i λ è un coefficiente pari a 0,85 se l edificio ha almeno tre piani e se T 1 <2T c è pari a 1,0 in tutti gli altri casi. z i 17 Testo unico 2008 Spettro di risposta elastico della componente orizzontale: Spettro di risposta di progetto: η=1/q 18

10 Testo unico 2008 q = q o K R q o è il valore massimo del fattore di struttura K R è un fattore che dipende dalle caratteristiche di regolarità dell edificio =1 per gli edifici regolari in altezza Per le costruzioni in cls: 19 Testo unico 2008 α 1 : moltiplicatore della forza sismica orizzontale per il quale il primo elemento strutturale raggiunge la sua resistenza flessionale α u il moltiplicatore della forza sismica orizzontale per il quale si verifica la formazione di un numero di cerniere plastiche tali da rendere la struttura labile. α 1 /α 1 <1.5 - può essere calcolato per mezzo di un analisi statica non lineare pertanto: soluzione in alta duttilità (CD A ) q= =5.85 soluzione in bassa duttilità (CD B ) q= =3.9 20

11 1.2 S d (g) T 1 =0.075 H 3/4 =0.48s S=1.0, T B =0.17 s, T c =0.5 s, T B =2.8 s 0.2 CD ' B' CD 'A' T(s) soluzione in alta duttilità (CD A ) S d =0.31g /5.85= soluzione in bassa duttilità (CD B ) S d = /4.1= Edifici in c.a. - previsione del periodo fondamentale T1 (sec) T 1 = H H (m) Metodo di Previsione Tipologia T 1 (sec) Eurocodice1 - H/46 Jeary (1986) H Acciaio H Lagomarsino e Pagnini (1995) Acciaio-C.A H C.A H Acciaio 0.02 H Tamura et al. (1998) Acciaio-C.A H C.A H Dati speriment ali Dat i sperimentali sc artati Intervalli di confidenz a 50% Intervalli di confidenz a 80% 22

12 Edifici in c.a. - previsione dello smorzamento 8 6 Dati sperimentali 1 modo Dati sperimentali 2 modo Dati sperimentali 3 modo ξ 0 =1+0.7/T 1 Intervallo di confidenza 50% Intervallo di confidenza 80% ξ0 ξ (%) T 1 (sec) 23 Modo 1 Modo 2 Modo 3 24

13 F i =F h z i W i / (Σ z j W j ) ANALISI STATICA LINEARE con modello spaziale F h =S d (T 1 ) W t λ Σ z j W j = =79272kN soluzione in alta duttilità (CD A ) F h = = 1239 kn soluzione in bassa duttilità (CD B ) F h = = 1862kN distribuzione verticale delle forze sismiche soluzione in alta duttilità (CD A ) F4= / 79272= 423 kn F3= / = 408 kn F2= / = 272 kn F1= / = 136 kn soluzione in bassa duttilità (CD B ) F4= /79272 = 636 kn F3= /79272 = 613kN F2= /79272 = 409 kn F1= /79272 = 204 kn 25 Controllo del modello - carici statici Ad esempio controllando le reazioni vincolari e la massa totale Carichi permanenti non fattorizzati (load case dead ) Travi: ( ) 4 g= 2006kN Pilastri g= 1085kN Muri: 8 ( ) 3.5= 2296kN Altri ( ) (19 11) = 5037kN Incidenza scala ( ) (7 3) 3= 36kN TOTALE: 10460kN Carichi accidentali non fattorizzati (load case accidentale ) (2.0 4) 19 11= 1380kN Incidenza scala ( ) 3 (7 3)= 126kN TOTALE: 1416kN Massa: ( )/g=1110t circa 26

14 Controllo del modello forze sismiche Ad esempio controllando le reazioni vincolari Analisi statica equivalente Fh=1239kN somma delle forze sismiche d piano applicate Base reaction modello SAP- analisi statica semplificata: 1239kN Base reaction modello SAP- analisi spettrale: 1140kN 27 METODI DI ANALISI effetti torsionali - 1: in aggiunta all eccentricità effettiva dovrà essere considerata un eccentricità accidentale spostando il centro di massa di ogni piano, in ogni direzione considerata, di una distanza pari al 5% della dimensione massima del piano in direzione perpendicolare all azione sismica E x = 0.05 L x L x CM CR e x 28

15 Combinazione delle componenti dell azione sismica 1 I valori massimi della risposta ottenuti da ciascuna delle due azioni orizzontali applicate separatamente potranno essere combinati per la singola componente della grandezza da verificare ±F x 0.05B B ±F y L ±0.05L Se la risposta viene valutata mediante analisi statica in campo non lineare, ciascuna delle due componenti orizzontali (insieme a quella verticale, ove necessario, e agli spostamenti relativi prodotti dalla variabilità spaziale del moto, ove necessario) è applicata separatamente. Come effetti massimi si assumono i valori più sfavorevoli così ottenuti. 29 Combinazione delle componenti dell azione sismica 2 I valori massimi della risposta ottenuti da ciascuna delle due azioni orizzontali applicate separatamente potranno essere combinati sommando ai massimi ottenuti per l azione applicata in una direzione il 30 % dei massimi ottenuti per l azione applicata nell altra direzione. ±α x F x ±0.05B α y =100% e α y =30% ±α y F y ±0.05L oppure α x =30% e α y =100% 32 condizioni di carico 30

16 effetti torsionali - 2: semplificazione ammessa δ=1+0.6 x/l e x = distanza dell elemento considerato dal baricentro L e = distanza tra i due elementi resistenti più lontani C G x L e 31 soluzione in alta duttilità (CD A ) F4= 423 kn F3= 408 kn F2= 272 kn F1= 136 kn si procede con l analisi statica equivalente 32

17 ±δ TAGLI E MOMENTI (SISMA Y) ± δ soluzione in alta duttilità (CD A ) F4= 423 kn F3= 408 kn F2= 272 kn F1= 136 kn 33 MOMENTI PER CARICHI VERTICALI IN PRESENZA DI SISMA (Y) γ E + G + ψ Q I K i ji ki G k Q k

18 MOMENTI PER SISMA (Y) G + ψ Q + E K i ji ki δ (1) ± (1) Si includono eventuali eccitricità accidentali 35 moltiplicando gli effetti sismici per un fattore δ=1.3 Verticali Momenti per la condizione sismica G + ψ Q + E K i ji ki + sisma y (1) = 36

19 Verticali Momenti per la condizione sismica G + ψ Q + E K i ji ki - sisma y (1) = 37 Momenti per la condizione sismica (y): inviluppo G + ψ Q + E K i ji ki 38

20 TAGLIO G + ψ Q + E K i ji ki ±δ 39 TAGLIO G + ψ Q + E K i ji ki Verticali + sisma y (1) 40

21 TAGLIO G + ψ Q + E K i ji ki Verticali - sisma y (1) 41 Taglio per la condizione sismica (y): inviluppo G + ψ Q + E K i ji ki 42

22 Carichi in assenza di sisma n Fd g Gk q Qlk q 0i Qik i=2 = γ +γ + γ (ψ ) 43 Inviluppo sisma e assenza di sisma Momento 1 Ex (1) +0.3 Ey (1) +verticali con sisma 0.3 Ex (1) +1 Ey (1) +verticali con sisma Carichi in assenza di sisma (1) effetti incrementati di un coefficiente δ=1.3 per tenere in conto degli effetti di torsione accidentale 44

23 Inviluppo sisma e assenza di sisma Taglio 1 Ex (1) +0.3 Ey (1) +verticali con sisma 0.3 Ex (1) +1 Ey (1) +verticali con sisma Carichi in assenza di sisma (1) effetti incrementati di un coefficiente δ=1.3 per tenere in conto degli effetti di torsione accidentale 45 METODI DI ANALISI ANALISI DINAMICA MODALE p 1 (t) p 2 (t) p 2 (t)+. {q(t)} = {ψ 1 } {ψ 2 } {ψ 3 } Effetto massimo sul modo = p k max g k S a (T k )/ω 2 k {ψ k } {ψ k } Valutare l effetto sollecitazioni e spostamenti complessivi mediante un opportuna regola di combinazione modale 46

24 È possibile procedere al calcolo delle forze modali dopo avere effettuato l analisi dinamica del sistema f = Kq = Mψ eq g S T ξ k k k k a k k f 1eq max, q1max q2max f2 eq q3max f3 eq m 4 m * k,dir g k,dir m 3 m 2 m 1 47 f eq = Mψ g S ( T, ξ ) k k k a k k g 1x =0; g 2x =959; g 3x =. g 1y =-961 g 2y =0;. m * 1,x=0 m * 2,x=86% M = [ ] ton m * k,y=86% m * k,y=0%. T 1 =0.54 T 2 =0.52;... S d (T 1 )=0.133 S d (T 2 )= ψ 1 x = ; ψ 1 y = ; ψ 2 x = ; ψ 2 y = ; ψ 3 x = { } { } { } { } { } f = kn; f kn =; f = { } { } { } in direzione x in y 48

25 Si procede di seguito mediante l analisi spettrale implementata dal codice SAP ±δ TAGLI E MOMENTI (SISMA Y) ± δ Valori assoluti derivanti dalla CQC Valori assoluti derivanti dalla CQC 49 MOMENTI PER CARICHI VERTICALI IN PRESENZA DI SISMA (Y) E + G + ψ Q K i ji ki G k Q k

26 MOMENTI PER SISMA (Y) G + ψ Q + E K i ji ki δ ± Valori assoluti derivanti dalla CQC 51 Verticali Momenti per la condizione sismica G + ψ Q + E K i ji ki ± sisma y = inviluppo 52

27 TAGLIO E + G + ψ Q K i ji ki G k Q k TAGLIO G + ψ Q + E K i ji ki ±δ 54 Valori assoluti derivanti dalla CQC

28 TAGLIO G + ψ Q + E K i ji ki Verticali ± sisma y inviluppo 55 Carichi in assenza di sisma n Fd g Gk q Qlk q 0i Qik i=2 = γ +γ + γ (ψ ) 56

29 Inviluppo sisma e assenza di sisma Momento 1 Ex (1) +0.3 Ey (1) +verticali con sisma 0.3 Ex (1) +1 Ey (1) +verticali con sisma Carichi in assenza di sisma (1) effetti incrementati di un coefficiente δ=1.3 per tenere in conto degli effetti di torsione accidentale 57 Inviluppo sisma e assenza di sisma taglio 1 Ex (1) +0.3 Ey (1) +verticali con sisma 0.3 Ex (1) +1 Ey (1) +verticali con sisma Carichi in assenza di sisma (1) effetti incrementati di un coefficiente δ=1.3 per tenere in conto degli effetti di torsione accidentale 58

30 AZIONE SISMICA VERTICALE L azione sismica verticale dovrà essere obbligatoriamente considerata nei casi seguenti: presenza di elementi pressoché orizzontali con luce superiore a 20 m, di elementi principali precompressi, di elementi a mensola, di strutture di tipo spingente, di pilastri in falso, edifici con piani sospesi. L analisi sotto azione sismica verticale potrà essere limitata a modelli parziali comprendenti gli elementi indicati 59