Progettazione delle Strutture Sismo-resistenti di Acciaio
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- Antonina Sole
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1 Progettazione delle Strutture Sismo-resistenti di Acciaio Ordinanza n e s.m.i. Frattamaggiore (NA), 8 febbraio 2007
2 Esempi progettuali Strutture con controventi concentrici a croce di S.Andrea e a diagonale singola 08/02/2007 2
3 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Concetti generali Concezione strutturale Diaframma di piano (impalcato rigido) ottenuto con soletta in cls di adeguato spessore e/o con controventi orizzontali di piano Sistema resistente alle azioni orizzontali (controventi, telaio, pareti, ) La ripartizione delle azioni sismiche è in genere molto semplice e rende possibile l analisi di un sistema piano. 3
4 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Carpenteria di piano 4
5 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Carichi verticali Verifiche delle travi: stabilità 5
6 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Carichi verticali Verifiche delle travi: stabilità Effetto stabilizzante del solaio (modesto per flangia stretta (IPE), più marcato per flangia larga (HE)) in ogni caso difficile da quantificare I connettori trave-solaio (soluzione composta) eliminano il problema nel caso di profili laminati tipo IPE o HE, perché forniscono un vincolo efficace alla traslazione orizzontale Necessari in caso di profili più sottili 6
7 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Carichi verticali Verifiche delle travi: stabilità 7
8 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Carichi verticali Verifiche delle travi: stabilità Controventi di piano 8
9 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Carichi verticali Verifiche delle travi: stabilità Connettori trave-solaio 9
10 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Carichi verticali Verifiche delle colonne: stabilità N = χ A f γ brd, y m fy A λ = Ncr
11 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Carichi verticali Verifiche delle colonne: stabilità Giunto con squadrette Vincolo dato dai controventi Giunto flangiato 11 Modello generale (completo) In casi comuni (edifici) le eccentricità dei collegamenti sono piccole e vengono trascurate Si può accettare uno schema semplificato, a vantaggio di sicurezza Lunghezza di libera inflessione assunta in fase di progetto (L0 = L)
12 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Carichi verticali Verifiche delle colonne m 10.00m HEB 160 HEB 200 SEZIONE L 0 (m) ρ min (mm) λ 1 λ λ φ χ N pl,rd (kn) N b,rd (kn) N Sd (kn) HEB HEB N N b,rd Sd 12
13 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Carichi verticali Tipologie di collegamenti Collegamento trave secondaria trave principale SEZIONE A-A SEZIONE B-B C IPE 330 B B A IPE 240 IPE 220 A C 13
14 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Carichi verticali Collegamento trave colonna Tipologie di collegamenti SEZIONE A-A SEZIONE B-B IPE 330 A IPE 240 IPE 220 B B 14
15 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Carichi verticali Tipologie di collegamenti Collegamento colonna colonna Sezione B-B Sezione C-C B B piani lavorati C C HEB 160 HEB
16 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Carichi verticali Tipologie di collegamenti Collegamento colonna fondazione HEB 200 A A malta a ritiro compensato Sezione A-A dadi di registro piastra 410x410x20 16
17 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Progetto dei controventi Y X Direzione X Direzione Y 17
18 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Concetti generali Risposta sismica dei controventi N y Axial force (kn) N y Axial deformation (m) N b 18
19 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Concetti generali Modellazione strutturale Fase elastica (A) Fase inelastica (B) Entrambe le diagonali resistono alle forze laterali Diagonale tesa = componente dissipativa In fase elastica, reagiscono sia la diagonale tesa che quella compressa. Conseguentemente, le proprietà di vibrazione elastica e le forze massime agenti sono condizionate da entrambe le diagonali. In fase inelastica, la resistenza post-buckling della diagonale compressa è molto ridotto. Tale contributo dipende da diversi fattori, principalmente dalla snellezza globale della diagonale. Al crescere della snellezza si riduce il contributo resistente della diagonale compressa. In favore di sicurezza, l Ordinanza suggerisce di trascurare completamente il contributo delle diagonali compresse. 19
20 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Concetti generali Modellazione strutturale F Sd,3 F Sd,3 F Sd,2 F Sd,2 F Sd,1 F Sd,1 Fase A: - Determinazione delle proprietà di vibrazione elastica e delle forze di progetto - Verifica di stabilità delle diagonali Fase B: - Verifica di resistenza della diagonale tesa - Verifica di travi, colonne, collegamenti, fondazioni (gerarchia delle resistenze) 20
21 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Concetti generali Modellazione strutturale Schema delle sollecitazioni: N Sd,G,c3 F Sd,E,3 N Sd,dg3 N Sd,E,c3 G + ψ Q k i 2i ki F Sd,E,2 β 3 N Sd,G,c2 N Sd,dg2 N Sd,E,c2 F Sd,E,1 β 2 N Sd,G,c1 N Sd,dg1 N Sd,E,c1 β 1 21
22 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Concetti generali Sforzo normale nelle travi: Modellazione strutturale F Sd,E,2 q 1 =F Sd,E,1 /L N Sd,E,2 F Sd,E,1 β 2 β 1 N Sd,E,1 N Sd,E,2 cosβ 2 N Sd,E,1 cosβ 1 L Diagramma dello sforzo normale nella trave 22
23 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Concetti generali Sforzo normale nelle travi: Modellazione strutturale F Sd,E,2 q i =F Sd,1 /L F Sd,E,1 N Sd,E,2 β 2 β 1 N Sd,E,1 q 1 a + N Sd,2 cosβ 2 N Sd,E,1 cosβ 1 a Diagramma dello sforzo normale 23
24 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Concetti generali Gerarchia delle resistenze (.) Sd Valore di progetto della generica sollecitazione, determinato con un modello elastico, sottoposto alla combinazione sismica delle azioni di progetto (.) Sd, G Valore di (.) Sd dovuto ai carichi gravitazionali (.) Sd, E Valore di (.) Sd dovuto alle forze sismiche α = i γ ov sn N pl, Rd, i Sd, E, i Coefficiente di sovraresistenza locale (relativo all i-esima diagonale tesa) α γ sn ov pl, Rd, i = min N Sd, E, i q Coefficiente di sovraresistenza globale (relativo all intera struttura) 24
25 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Concetti generali Gerarchia delle resistenze Sollecitazioni di verifica dei collegamenti N Sd,G,c3 F Sd,E,3 N Sd,dg3 G + ψ Q k i 2i ki F Sd,E,2 N Sd,G,c2 + α i=1,2,3 x N Sd,dg2 F Sd,E,1 N Sd,dg1 N Sd,G,c1 α = i γ ov sn N pl, Rd, i Sd, E, i 25
26 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Concetti generali Gerarchia delle resistenze Sollecitazioni di verifica di travi e colonne F Sd,E,3 N Sd,G,c3 N Sd,dg3 N Sd,E,c3 G + ψ Q k i 2i ki F Sd,E,2 β 3 N Sd,G,c2 + α x N Sd,dg2 N Sd,E,c2 F Sd,E,1 β 2 N Sd,G,c1 N Sd,dg1 N Sd,E,c1 β 1 α γ sn ov pl, Rd, i = min N Sd, E, i q 26
27 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Concetti generali Strutture a duttilità bassa Gerarchia delle resistenze Verifiche basate su (.) Sd (.) + α (.) Sd, G i Sd, E Gerarchia solo per i collegamenti delle zone dissipative Strutture a duttilità alta (.) Sd (.) + α (.) Verifiche basate su Sd, G i Sd, E (.) + α(.) Sd, G Sd, E Gerarchia per tutti i collegamenti e le membrature non dissipative 27
28 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Azione sismica: spettri di progetto Spettro delle accelerazioni di progetto: Accelerazione spettrale (g) Spettro di progetto elastico Spettro di progetto per lo SLU Spettro di progetto per lo SLD Periodo (s) Categoria suolo S T B T C T D A 1,0 0,15 0,40 2,0 B, C, E 1,25 0,15 0,50 2,0 D 1,35 0,20 0,80 2,0 T < T < TB... Sd ( T) = ags 1+ 1 TB q 2.5 TB < T < TC... Sd ( T) = ag S q 2.5 TC TB < T < TC... Sd ( T) = ag S q T 2.5 TC TD TD < T... Sd ( T) = ag S 2 q T Zona Valore di a g 1 0,35g 2 0,25g g 4 0,05g Zona 1 Suolo tipo A T = 0.67 s a g = 0.35g; S = 1.0; S a,e = 0.53g 28
29 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Azione sismica: fattore di struttura q= q0kdkr q0 tipologia strutturale e criteri di gerarchia kd k risorse di duttilità locale regolarità strutturale R TIPOLOGIA STRUTTURALE CLASSE DI DUTTILITÀ BASSA ALTA Strutture intelaiate 4 5α u /α 1 Controventi reticolari concentrici 2 4 Controventi eccentrici 4 5α u /α 1 Strutture a mensola o a pendolo invertito 2 Strutture intelaiate controventate 4 4α u /α 1 zona dissipativa 'duttile' s 1.2 k = 1.0 zona dissipativa 'plastica' 1.0 s 1.2 k = 0.75 zona dissipativa 'snella' s 1.0 k = 0.5 regolare in elevazione k = 1.0 irregolare in elevazione k = 0.8 R R D D D q 0 = 4; k D = 1; k R = 1 q = 4 S a,d = 0.13g 29
30 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Forze sismiche di piano z i (m) Impalcato Masse (m i ) m i z i Fi-X (T 1X =0.67s) (kn) Fi-Y (T 1Y =0.67s) (kn) SLU SLD SLU SLD Totale F i = F h mz i j i mz j F = λms ( T ) = λw S ( T ) g h d 1 d 1 λ =
31 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Forze sismiche di piano 7.35m V y = kn ( 11% W ) 14.30m V x = kn ( 11% W ) 10.20m 20.40m 31
32 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Forze sismiche sui controventi più sollecitati regolare in pianta, eccentricità accidentali δ = x L e 7.35 δ x = = δ y = = Piano F x,i (kn) F y,i (kn) SLU SLD SLU SLD Taglio alla base
33 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Concetti generali Verifica delle diagonali direzione (+) direzione (-) α1 α2 α1 α2 A1 A2 + A = A1 cos α1 A = A2 cos α2 α1 α2 A A A + v v A + v v
34 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Concetti generali Verifica delle diagonali V f A cosα V Sd y d i 2χ f A cosα Sd y d i Verifica della diagonale tesa Verifica della diagonale compressa λ > 1.3 χ < 0.5 (per profili europei) è condizionante la verifica della diagonale compressa (i controventi a X sono sempre condizionati dalla diagonale compressa, per i controventi a diagonale semplice dipende dalla snellezza adottata) 34
35 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Controventi a diagonale singola Verifica delle diagonali Controventi a croce di S.Andrea 35
36 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Verifica delle diagonali Direzione X Direzione Y 3.50m HEB m IPE m HEA m IPE m HEB m IPE m HEB m IPE m HEB m IPE m 3.80m 5.50m 36
37 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Verifica delle diagonali Direzione X Sezione λ λ λ * λ ** χ N b,rd Direzione Y N Sd N N b,rd N pl,rd (kn) (kn) Sd (kn) (kn) HEB HEB HEB HEB N Sd N 2N pl,rd Sd Sezione λ λ λ * λ ** χ N b,rd N Sd N N b,rd N pl,rd 2N Sd (kn) (kn) Sd (kn) (kn) IPE IPE IPE IPE IPE N 2N pl,rd Sd 37
38 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Gerarchia delle resistenze Calcolo del coefficiente α per i controventi a diagonale semplice: Determinati sullo schema a diagonale singola Piani N pl,rd (kn) N Sd (kn) N Sd γ α = * γ ov = 1.2 (acciaio S235), s i =1.25 (membrature di classe duttile) Calcolo del coefficiente α per i controventi a croce di S. Andrea: Piani N pl,rd γ α i = (kn) (kn) * γ ov = 1.1 (acciaio S355), s i =1.25 (membrature di classe duttile) i sn N ov i sn N ov i * pl,rd,i Sd,i * pl,rd,i Sd,i α = 1.54 α=
39 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Verifica delle travi Calcolo dello sforzo normale Direzione X 4.79kN/m kN kN kN 39
40 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Verifica delle travi Calcolo dello sforzo normale 10.91kN/m Direzione Y kN kN kN 40
41 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Verifica delle travi Dominio N-M semplificato (per profili a doppio T laminati a caldo M M N M Sd N,Rd = 1.11 pl,rd 1 pl,rd N pl,rd L interazione con il taglio è trascurabile se quest ultimo è inferiore alla metà del taglio plastico Direzione Trave Forza di piano Carico distribuito N Sd V Sd M Sd in del sisma amplificata con α equivalente in mezzeria mezzeria (kn) (kn/m) (kn) (kn) (knm) X Y Direzione Trave Sezione Acciaio V pl,rd M pl,rd N pl,rd Verifica in del sisma (kn) (knm) (kn) mezzeria X IPE 330 S Y
42 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Verifica delle colonne HEB 300 HEB 300 HEB 300 (.) + α(.) Sd, G Sd, E HEB 300 HEB 300 HEM 300 α γ sn min N ov pl, Rd, i = Sd, E, i q HEB 300 HEM 300 HEM 300 HEM 300 Direzione Sisma X Y N b,rd Colonna Sezione Acciaio λ λ χ N pl,rd N Sd,G+ αn Sd,E N (kn) (kn) (kn) N Interna Esterna HEM 300 S Interna Esterna b,rd Sd 42
43 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Collegamenti Collegamento diagonale trave colonna Sezione A-A Sezione B-B A B A B 43
44 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Collegamenti Collegamento diagonale trave colonna γov s Npl,Rd γov s Npl,Rd γov s Npl,Rd Lv a1 a2 a) b) a3 Resistenza a taglio F V, Rd = 0.5 f ub A b γ mb Resistenza a rifollamento F brd, = 2.5α fudt γ mb e1 p1 1 f ub α = min ; ; ;1 3do 3do 4 fu Block tearing f f F A A u y Rd = nt + nv γ M2 γ M0 3 44
45 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Meccanismo block tearing f f F A A u y Rd = nt + nv γ M2 γ M0 3 A nt A nv area netta soggetta a trazione area netta soggetta a taglio 45
46 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Collegamento flangia colonna Collegamenti γ ov s Npl,Rd γ ov s Npl,Rd senθ θ γ ov s Npl,Rd cosθ e γ ov s Npl,Rd cosθ e N = 0 46
47 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Collegamenti Collegamento diagonale - diagonale Saldatura a completa penetrazione di prima classe 47
48 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Collegamento colonna - colonna Collegamenti HEB 300 spessore di riempimento piatto coprigiunto HEM 300 piatti coprigiunto 48
49 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Collegamenti Collegamento colonna - fondazione HEM 300 a Fazzoletti per le diagonali Dima per il posizionamento a Tirafondi M24 Classe 10.9 Piastra di ancoraggio 49
50 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Connettori (per forze sismiche) Collegamento trave - solaio Sollecitazione di progetto dei connettori F sd = 1,3F n c max Resistenza a taglio dei connettori (tipo pioli Nelson) Connettori M16/50 P Rd, V = 2 0,8 f ( π d / 4) u γ v Resistenza locale del contatto con il cls P Rd, cls = 2 0,29d fck Ecm γ v n F Sd = = P Rd 2,46 3 γ v =
51 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Stato limite di danno controllato Tamponature rigidamente collegate alla struttura principale dr 0.005h 4.1cm 4.4cm dr,max = h< 0.005h d,max = h< 0.005h r 51
52 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Riflessioni Principali novità della nuova Normativa: Prescindendo da considerazioni di carattere generale (migliore zonazione sismica, considerazione esplicita delle tipologie strutturali in acciaio, impostazione moderna e razionale della Norma, ) nel caso specifico in pratica Gerarchia delle resistenze: Per qualunque tipo di struttura I collegamenti (elementi non dissipativi) devono essere dimensionati con sollecitazioni maggiorate rispetto a quelle che derivano da un analisi elastica con forze di progetto Per strutture dissipative La prescrizione precedente si applica anche a colonne e travi Conseguenze progettuali molto importanti dimensioni degli elementi non dissipativi in genere più grandi di quelle che si ottenevano con la pre-esistente Normativa. Conviene progettare a bassa duttilità? 52
53 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Riflessioni Confronto tra Normative schema di carpenteria del piano tipo 53
54 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Riflessioni Confronto tra Normative D.M. 16/01/1996 HEB 260 HEB 260 HEB 260 HEB 260 HEB 260 HEB 260 HEB 300 HEB 260 HEB 260 HEB ,4 x 3 152,4 x 3 152,4 x 3 152,4 x 5 152,4 x 5 152,4 x 5 152,4 x 6 152,4 x 6 152,4 x 6 152,4 x 7 152,4 x 7 152,4 x 7 152,4 x 8 152,4 x 8 152,4 x 8 152,4 x 8 152,4 x 8 152,4 x 8
55 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Riflessioni HEB 340 OPCM 3274 Confronto tra Normative HEB 280 OPCM ,4 x 5 152,4 x x x x 5 152,4 x 5 HEB 340 HEB ,4 x 7 152,4 x x x x 9 152,4 x 7 HEB 340 HEB ,7 x 7 139,7 x 7 139,7 x x x x 9 139,7 x 8 139,7 x x 8 139,7 x 8 193,7 x 7 168,3 x ,3 x ,7 x 7 193,7 x 7 168,3 x 10 HEB 340 HEB 340 HEB 280 HEB x x 8 HEB 340 HEB x x x 8 193,7 x 7 193,7 x 7 193,7 x 7 HEM 280 HEM 260 HEM 280 HEM 280 CA 490 x 490 HEB 280 HEB 300 HEB 300
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