Università degli Studi di Cassino. Laurea Specialistica in Ingegneria g Civile A.A.2011/12 Dott.Ing. E. Grande

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1 Università degli Studi di Cassino Facoltà di Ingegneria CorsodiLaureainIngegneria in Civile Progetto di Strutture Laurea Specialistica in Ingegneria g Civile A.A.2011/12 Dott.Ing. E. Grande

2 PROGETTO IN ZONA SISMICA DI EDIFICI IN C.A. CON STRUTTURA INTELAIATA E CON STRUTTURA MISTA TELAI-PARETI tipologie strutturali per edifici in acciaio ed in c.a criteri di impostazione della carpenteria analisi dei carichi unitari valutazione delle azioni sismiche e da vento dimensionamento delle parti strutturali (travi, pilastri, solai, scale, fondazioni,ecc.) metodi di analisi strutturale (SAP2000) strutture in acciaio

3 Corso di Progetto di Strutture A.A Dott.Ing. E. GRANDE TESTI DI RIFERIMENTO [1] M. Pagano Teoria degli Edifici - Edifici in c.a., Liguori Editore, [2] A. Ghersi Edifici Antisismici con Struttura Intelaiata in Cemento Armato, CUEN, [3] L. Petrini, R. Pinho, G.M. Calvi Criteri di progettazione antisismica degli edifici, IUSS Press, 2004 [4] E. Cosenza, G. Maiulo, M. Pecce, R. Ramasco Progetto antisismico di edifici in cemento armato IUSS Press, 2004 [5] AICAP - Progettazione Sismica di Edifici in Calcestruzzo Armato vol.2 [6] V. Nunziata Teoria e pratica delle strutture in c.a. vol. 2 APPUNTI E DISPENSE SARANNO FORNITI DURANTE IL CORSO

4 SISTEMI STRUTTURALI PER EDIFICI

5 1. Il sistema edificio: aspetti generali con il termine edificio si indica una costruzione edilizia realizzata dall'uomo destinata ad accogliere al suo interno persone o attività a queste connesse. Assemblaggio di differenti materiali che danno luogo alle parti non strutturali e alle parti strutturali dell edificio (struttura tt portante). t 5

6 1. Il sistema edificio: aspetti generali Sistema strutturale tt di un edificio: i assemblaggio di parti strutturali che hanno il compito di resistere ai carichi verticali e alle forze orizzontali nelle condizioni ultime e di esercizio della struttura. 6

7 1. Il sistema edificio: aspetti generali Funzioni i del sistema strutturale tt di un edificio: i Portare i carichi verticali statici e dinamici; Portare i carichi orizzontali dovuti al vento e alle azioni sismiche; Resistere i t alle tensioni i che nascono per le variazioni i i di temperatura; Resistere alle esplosioni interne o esterne all edificio e ai carichi dovuti ad eventuali impatti.

8 1. Il sistema edificio: aspetti generali Funzioni i del sistema strutturale tt di un edificio: i Inoltre devono rispondere ad altri requisiti indipendenti dalle problematiche di carattere strutturale: vincoli architettonici; costi di realizzazione e gestione; processo di costruzione. 8

9 2. Tipologie strutturali per edifici Classificazione dei sistemi strutturali: È difficile fornire una classificazione basata su un unico parametro ma è necessario tenere conto di differenti parametri: Numero di piani o altezza dell edificio; Destinazione i d uso dell edificio; difi i Materiali costituenti; Dettagli costruttivi. 9

10 Corso di Progetto di Strutture A.A. 2008/09 Dott.Ing. E. GRANDE In ogni caso, al fine di definire le caratteristiche e la necessità di utilizzare una tipologia strutturale piuttosto che un altra, è necessario esaminare i meccanismi resistenti di un edificio nei confronti delle azioni orizzontali. Analogia con la mensola incastrata al suolo: meccanismi resistenti ribaltamento della struttura meccanismo resistente di tipo flessionale tranciamento della struttura meccanismo resistente di tipo tagliante

11 Corso di Progetto di Strutture A.A. 2008/09 Dott.Ing. E. GRANDE Meccanismo resistente a flessione (Bending) resistere al ribaltamento; resistere alle tensioni di trazione e compressione che si sviluppano negli elementi; non avere eccessive deformazioni laterali. Meccanismo resistente a taglio (racking) resistere nei confronti del tranciamento; evitare il superamento del limite elastico nelle colonne.

12 2. Tipologie strutturali per edifici Classificazione dei sistemi strutturali: EDIFICI CON STRUTTURA IN Cemento Armato. Classificazione fornita in ambito normativo (DM ) Strutture a telaio Strutture a pareti Strutture miste telaio-pareti Strutture deformabili torsionalmente Strutture a pendolo inverso 12

13 2. Tipologie strutturali per edifici Edifici con Struttura in c.a.: : Tipologia a TELAI nelle quali la resistenza alle azioni sia verticali che orizzontali è affidata principalmente a telai spaziali, aventi resistenza a taglio alla base 65% della resistenza a taglio totale; 13

14 2. Tipologie strutturali per edifici Edifici con Struttura in c.a.: : Tipologia a TELAI TELAIO Costituito dall assemblaggio assemblaggio di TRAVI e PILASTRI. 14

15 2. Tipologie strutturali per edifici Edifici con Struttura in c.a.: : Tipologia a TELAI I telai sono responsabili della resistenza e della rigidezza laterale della struttura. 15

16 2. Tipologie strutturali per edifici Edifici con Struttura in c.a.: : Tipologia a PARETI strutture a pareti, nelle quali la resistenza alle azioni sia verticali che orizzontali è affidata principalmente a pareti, singole o accoppiate, aventi resistenza a taglio alla base 65% della resistenza a taglio totale Parete singola L t L/t>4 parete accoppiata consiste di due o più pareti singole collegate tra loro da travi duttili ( travi di accoppiamento ) distribuite in modo regolare lungo l altezza. parete di forma composta l insieme i di pareti semplici collegate in modo da formare sezioni 16 a L, T, U, I ecc.

17 2. Tipologie strutturali per edifici Edifici con Struttura in c.a.: : Tipologia a PARETI e mista TELAI-PARETI strutture miste telaio-pareti, nelle quali la resistenza alle azioni verticali è affidata prevalentemente ai telai, la resistenza alle azioni orizzontali è affidata in parte ai telai ed in parte alle pareti, singole o accoppiate; se più del 50% dell azione orizzontale è assorbita dai telai si parla di strutture miste equivalenti a telai, altrimenti si parla di strutture miste equivalenti a pareti; 17

18 2. Tipologie strutturali per edifici Edifici con Struttura in c.a.: : Tipologia a PARETI e mista TELAI-PARETI Elemento resistente predominante: parete Le pareti sono responsabili della resistenza e della rigidezza laterale della struttura. 18

19 2. Tipologie strutturali per edifici Edifici con Struttura in c.a.: : Tipologia a PARETI e mista TELAI-PARETI Elemento resistente predominante: parete Le pareti forniscono altresì la rigidezza torsionale della struttura (disposizione in pianta). 19

20 2. Tipologie strutturali per edifici Edifici con Struttura in c.a.: : Tipologia deformabili torsionalmente nucleo costituito dall assemblaggio assemblaggio di pareti Sono deformabili torsionalmente ovvero la rigidezza torsionale non soddisfa limitazioni fissate dalla norma 20

21 2. Tipologie strutturali per edifici Classificazione dei sistemi strutturali: EDIFICI CON STRUTTURA IN ACCIAIO. classificazione 21

22 Corso di Progetto di Strutture A.A. 2008/09 Dott.Ing. E. GRANDE TIPOLOGIE STRUTTURALI PER EDIFICI IN ACCIAIO Importanza del ruolo dei collegamenti tra le parti strutturali Nodi rigidi assenza di rotazioni relative trave colonna nodi semirigidi realtà nodi flessibili rotazioni relative trave colonna senza trasferimento di momento Nodo rigido Nodo flessibile

23 2. Tipologie strutturali per edifici Classificazione dei sistemi strutturali: EDIFICI CON STRUTTURA IN ACCIAIO. Principalmente si hanno le seguenti tipologie strutturali: Strutture a telaio (a nodi rigidi o mista) Strutture tt a controventi ti (a nodi pendolari) Controventi concentrici Controventi eccentrici 23

24 Corso di Progetto di Strutture A.A. 2008/09 Dott.Ing. E. GRANDE Nodo rigido trave incastrata alla colonna Nodo flessibile trave incernierata alla colonna La presenza dell uno o dell altro tipo di nodo condiziona dunque il meccanismo resistente della struttura nei confronti delle azioni di progetto e definisce le caratteristiche del sistema strutturale. Separazione dei ruoli resistenti nei confronti dei carichi verticali e delle azioni orizzontali

25 Corso di Progetto di Strutture A.A. 2008/09 Dott.Ing. E. GRANDE Classificazione delle tipologie strutturali per edifici in acciaio Comportamento 3D Comportamento 2D

26 Corso di Progetto di Strutture A.A. 2008/09 Dott.Ing. E. GRANDE TIPOLOGIA A TELAI: TELAI CON NODI RIGIDI La componente della deformata dovuta ad allungamento ed accorciamento delle colonne (cantilever bending o chord drift component) è invece dovuta al fatto che le azioni orizzontali applicate ad una faccia della struttura comportano una inflessione (bending) di tutto il telaio e quindi un conseguente allungamento e accorciamento delle colonne. A seguito della componente di raking, il taglio accumulato in ogni piano viene resistito dal taglio nelle colonne che si deformano con una doppia curvatura con punto d inversione localizzato a circa metà dell altezza di piano. Il momento alle estremità delle colonne viene invece trasmesso dalle travi le quali si inflettono anch esse con doppia curvatura e punto di inversione al centro della campata.

27 TIPOLOGIA A CONTROVENTI: Corso di Progetto di Strutture A.A. 2008/09 Dott.Ing. E. GRANDE TELAI CONTROVENTATI con controventi concentrici TELAI CONTROVENTATI con controventi eccentrici L utilizzo di sistemi controventati nasce proprio con lo scopo di limitare gli spostamenti laterali della struttura. L introduzione di elementi di controventamento (diagonali) comporta che il taglio indotto dalle forze laterali venga assorbito prevalentemente dagli elementi di controvento attraverso uno stato di sollecitazioni assiali. Tipo di sollecitazione prevalente: Sforzi assiali negli elementi strutturali

28 Corso di Progetto di Strutture A.A. 2008/09 Dott.Ing. E. GRANDE TIPOLOGIA A TUBO: il tubo viene realizzato disponendo una fitta maglia di colonne e travi lungo il perimetro dell edificio (a volte si ha la presenza anche di un nucleo centrale, sempre costituito da una fitta maglia di colonne e travi, ma in questo caso si parla di tubo in tubo). In questo modo, poiché l azione dei carichi orizzontali è sopportata dai soli elementi esterni, la parte interna della pianta risulta libera da colonne di grande sezione ovvero da nuclei. Solo gli elementi appartenenti al tubo esterno (colonne e travi) forniscono un contributo in termini di rigidezza laterale e di assorbimento del taglio. Il sistema globale soggetto a forze laterali si comporta come costituito da quattro pannelli (i telai perimetrali) rigidamente collegati tra loro. In pratica i pannelli laterali (paralleli alla direzione della forza) si comportano come l anima di una sezione scatolare in acciaio, mentre i pannelli ortogonali alla direzione della forza si comportano come le flange.

29 Corso di Progetto di Strutture A.A. 2008/09 Dott.Ing. E. GRANDE TIPOLOGIA A TUBO: Un esempio: Twin Towers 110 piani 415 m 1966/1973 Tubo esterno: interasse colonne 1 metro Peso acciaio strutturale: t

30 Corso di Progetto di Strutture A.A. 2008/09 Dott.Ing. E. GRANDE TIPOLOGIA A TUBO: Esempio: Twin Towers

31 Corso di Progetto di Strutture A.A. 2008/09 Dott.Ing. E. GRANDE TIPOLOGIA A TUBO controventato Esso è costituito da un sistema perimetrale di telai a nodi rigidi (rigidamente connessi tra loro), con l aggiunta di diagonali di controventamento (sempre disposte sul perimetro) che si estendono e o per più pùpa piani della struttura. u John Hancock Center (Chicago) John Hancock Center (Chicago) 100 piani 344 m 1965/1970 Peso acciaio strutturale: t

32 TIPOLOGIA A BUNDLED TUBE Corso di Progetto di Strutture A.A. 2008/09 Dott.Ing. E. GRANDE costituita da varie celle, ognuna delle quali è un sistema a tubo. In questo modo si possono avere anche delle interruzioni lungo l altezza della struttura senza avere perdite in termini di efficienza del sistema. Il bundled tube può essere visto come un insieme di sistemi a tubo tra loro interconnessi che si comportano come un unico sistema strutturale tridimensionale. Sears Tower (Chicago) 110 piani 442 m 1969/1974 Peso acciaio strutturale: t

33 EDIFICI IN C.A. IMPOSTAZIONE DELLA CARPENTERIA

34 Corso di Progetto di Strutture A.A. 2008/09 Dott.Ing. E. GRANDE Il criterio BASE per l impostazione della struttura di un edificio in zona sismica è la REGOLARITA che va intesa come REGOLARITA IN PIANTA E IN ELEVAZIONE Regolarità implica COMPATTEZZA, SIMMETRIA, UNIFORMITA, tutti requisiti che rendono prevedibile il comportamento sismico e rendono gli effetti dinamici indotti i dall azione sismica i simulabili tramite azioni i statiche su modelli piani. i COMPORTAMENTO PREVEDIBILE: strutture tt dotate t di regolarità in pianta ed in elevazione, le strutture con simmetria biassiale hanno una risposta sismica anch essa piuttosto regolare, il cui comportamento può essere esaminato scindendo l analisi nelle due direzioni, trascurando le interazioni tra i due ordini di telai, mutuamente ortogonali. COMPORTAMENTO SIMULABILE CON AZIONI STATICHE: la distribuzione delle forze sismiche orizzontali sulla struttura è molto prossima a quella corrispondente al primo modo di vibrare (deformata lineare): la distribuzione di azioni sismiche convenzionali (azioni statiche equivalenti) proposta p dalla normativa si riferisce proprio a questo comportamento modale, intermedio tra una deformata flessionale ed una tagliante.

35 Corso di Progetto di Strutture A.A. 2008/09 Dott.Ing. E. GRANDE REGOLARITA IN PIANTA comporta: modi di pura traslazione ben disaccoppiati nelle due direzioni principali ortogonali. E possibile quindi effettuare analisi separate nelle due direzioni principali (ip. Azioni non contemporanee in due direzioni ortogonali dell edificio) compattezza & simmetria evitare rientranze evitare grossi fori (determinano sezioni deboli nell impalcato) evitare rapporti elevati fra i lati della pianta (D/B) evitare presenza di elementi molto più rigidi idi degli altri (per es. travi a ginocchio) evitare elementi non strutturali molto più rigidi distribuzione simmetrica dei tompagni posizione baricentrica delle scale

36 Corso di Progetto di Strutture A.A. 2008/09 Dott.Ing. E. GRANDE REGOLARITA IN ELEVAZIONE comporta: il primo modo di vibrare della struttura è prevalente, e la forma del primo modo in ciascuna direzione può essere assunta con buona approssimazione di tipo lineare (intermedia tra deformata tipo mensola e deformata shear-type). Irregolarità in elevazione possono determinare variazioni consistenti da tale forma. evitare rientranze e/o sporgenze improvvise evitare brusche variazioni di sezione degli elementi strutturali evitare interruzioni i i di elementi non strutturali molto rigidi EVITARE BRUSCHE VARIAZIONI DI MASSA E/O RIGIDEZZA

37 Corso di Progetto di Strutture A.A. 2008/09 Dott.Ing. E. GRANDE CRITERI PER L INSERIMENTO DEI TELAI PIANI Gli insiemi dei telai piani disposti lungo ciascuna delle direzioni principali, dovranno quindi: dar luogo a rigidezze laterali confrontabili per l edificio dar luogo ad una distribuzione di elementi resistenti alle forze orizzontali che siano sollecitati in maniera quanto più uniforme possibile dar luogo in ciascuna direzione ad una distribuzione simmetrica di elementi resistenti alle azioni orizzontali; in generale occorre rendere coincidenti le posizioni del baricentro delle rigidezze (determinato dalla distribuzione in pianta dei telai) e del baricentro delle masse (dipendente dalla forma geometrica dell impalcato): in tal modo l edificio sotto le azioni orizzontali trasla senza significative rotazioni (*)T.Paulay & M.J.N. Priestley: Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings John Wiley & Sons.

38 Corso di Progetto di Strutture A.A. 2008/09 Dott.Ing. E. GRANDE Soluzione ottimale La soluzione strutturale ottimale per soddisfare tali requisiti consisterebbe in una disposizione di pilastri ad interasse costante, tutti di sezione uguale e preferibilmente quadrata (che dà luogo ad inerzia uguale nelle due direzioni principali) collegati in entrambe le direzioni da travi tutte uguali (tutte emergenti o tutte a spessore, di sezione uguale) Nel caso reale si hanno pilastri rettangolari e travi emergenti e a spessore 1. pilastri asse forte-travi emergenti; 2. pilastri asse forte-travi a spessore; 3. pilastri asse debole-travi emergente; rigidezza 4. pilastri asse debole-travi a spessore.

39 Corso di Progetto di Strutture A.A. 2008/09 Dott.Ing. E. GRANDE Alcuni criteri da tener presente nell impostazione della carpenteria: Contenere le luci massime delle travi, dei solai e degli sbalzi: limitando l effetto dei carichi verticali, si compensa l incremento delle sollecitazioni sulle travi dovuto al sisma. Evitare disuniformità di sollecitazioni per carico verticale sui pilastri (essenzialmente sforzo assiale), cercando di avere aree di influenza simili: in tal modo si evita la necessità di avere sezioni molto differenti, con conseguenti concentrazioni di sollecitazioni sismiche sui pilastri di sezione (e quindi rigidezza) maggiore. Avere, nei limiti dei vincoli architettonici presenti, rigidezze uniformi in entrambe le direzioni e distribuite con sufficiente regolarità in pianta: a tal fine, per un più razionale sfruttamento t delle capacità resistenti, ti è conveniente avere pilastri i organizzati per il 50% con asse forte in una direzione e per il restante 50% nella direzione ortogonale. Nell organizzare la disposizione delle travi in pianta occorre, possibilmente, disporre sul bordo travi emergenti che producono un benefico effetto cerchiante. Inserire pilastri di dimensioni confrontabili (30x60, 40x80): hanno rigidezze confrontabili: la ripartizione delle forze orizzontali deve essere quanto più uniforme possibile. Avere il blocco scala in posizione centrale. Evitare elementi molto più rigidi degli altri: per esempio, campate molto corte(*) ), pilastri di sezione molto allungata(**), scala con trave a ginocchio(***).

40 Corso di Progetto di Strutture A.A. 2008/09 Dott.Ing. E. GRANDE Alcuni criteri da tener presente nell impostazione della carpenteria: Evitare per la struttura della scala l impiego di travi a ginocchio: la presenza di travi a ginocchio determina un notevole irrigidimento localizzato nella struttura, inducendo, in zona sismica, una serie di effetti sfavorevoli sulla struttura intelaiata Definizione dell orditura dei solai: va definita in maniera da non sovraccaricare elementi poco resistenti (travi a spessore). Ridurre al necessario i cambi di orditura, che comportano un onere economico (non si possono sfruttare le armature provenienti dalle campate adiacenti) e statico (campate isolate: travi semplicemente appoggiate: Mmax=qL 2 /8, fmax= 5/384 ql 4 /EI). Evitare campate corte nei solai: si possono avere momenti negativi in campata, determinando un comportamento statico sfavorevole. La soletta dei solai, che ha la funzione di ripartire le azioni orizzontali tra i vari telai (nell ipotesi, da verificare successivamente, di rigidezza molto elevata nel proprio piano) deve avere spessore non minore di 4.00 cm; se nell impalcato esistono fori di dimensioni notevoli, che determinano zone di debolezza nell impalcato, lo spessore dovrà essere incrementato di conseguenza, e si dovrà prestare particolare cura ai particolari costruttivi nelle zone circostanti i fori.