Progettazione delle Strutture Sismo-Resistenti di Acciaio
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- Eloisa Casati
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1 Progettazione delle Strutture Sismo-Resistenti di Acciaio Ordinanza n e s.m.i. Castellammare (NA), 22 marzo 2007
2 Esempi progettuali Strutture con controventi concentrici a croce di S.Andrea e a diagonale singola
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
4 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Carpenteria di piano
5 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Carichi verticali Verifiche delle travi: stabilità
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
7 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Carichi verticali Verifiche delle travi: stabilità
8 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Carichi verticali Verifiche delle travi: stabilità Controventi di piano
9 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Carichi verticali Verifiche delle travi: stabilità Connettori trave-solaio
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 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) Giunto flangiato
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
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
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
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 410x410x
17 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Progetto dei controventi Y X Direzione X Direzione Y
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
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 attiva 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 ridotta. 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
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)
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
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
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
24 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Concetti generali Gerarchia delle resistenze Definizioni preliminari (.) 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 NSd, E, i q Coefficiente di sovraresistenza globale (relativo all intera struttura)
25 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Concetti generali Gerarchia delle resistenze - Collegamenti 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
26 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Concetti generali Gerarchia delle resistenze Travi e colonne 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 γ sn ov pl, Rd, i α = min q N 26 Sd, E, i
27 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Concetti generali Gerarchia delle resistenze Prescrizioni OPCM Strutture a duttilità bassa 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
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
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 kd = 1.0 zona dissipativa 'plastica' 1.0 s 1.2 kd = 0.75 zona dissipativa 'snella' s 1.0 k = 0.5 regolare in elevazione kr = 1.0 irregolare in elevazione k = R D q 0 = 4; k D = 1; k R = 1 q = 4 S a,d = 0.13g
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 ) m 10.20m
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 33
34 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Concetti generali Verifica delle diagonali V f A cosα V Sd y d 2χ f A cosα Sd y d 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, per i quali è prescritto λ > 1.3, sono sempre condizionati dalla diagonale compressa, per i controventi a diagonale semplice dipende dalla snellezza adottata)
35 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Controventi a diagonale singola Verifica delle diagonali Controventi a croce di S.Andrea
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
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 Sezione λ λ λ * λ ** χ N b,rd N Sd N 2N Sd b,rd Npl,Rd (kn) (kn) NSd (kn) (kn) 2NSd IPE IPE IPE IPE IPE N Sd N N b,rd N pl,rd (kn) (kn) Sd (kn) (kn) HEB HEB HEB HEB N pl,rd 2N Sd N 2N pl,rd Sd
38 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Determinati sullo schema a diagonale singola Piani Gerarchia delle resistenze Calcolo del coefficiente α per i controventi a diagonale semplice: 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: * pl,rd,i Piani N pl,rd * γ ovsn i pl,rd,i α i = (kn) (kn) NSd,i α= * γ 38 ov = 1.1 (acciaio S355), s i =1.25 (membrature di classe duttile) i sn N ov i Sd,i α = 1.54
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
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
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 Colonna Sezione Acciaio λ λ χ N pl,rd N Sd,G+ αn Sd,E Nb,Rd Sisma (kn) (kn) (kn) NSd Interna X Esterna HEM 300 S Interna Y Esterna N b,rd
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
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 f u y Block tearing FRd = Ant + Anv γ 44 M2 γ M0 3 f
45 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Meccanismo block tearing f f A nt area netta soggetta a trazione u y FRd = Ant + Anv γ M2 γ M0 3 area netta soggetta a taglio 45 A nv
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 =
47 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Esempio 1 Collegamenti Collegamento diagonale - diagonale Saldatura a completa penetrazione di prima classe
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
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
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 2,46 3 Sd = = P γ v = Rd
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
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?
53 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Riflessioni Confronto tra Normative schema di carpenteria del piano tipo
54 Edifici di Acciaio in Zona Sismica: Controventi concentrici Riflessioni Confronto tra Normative D.M. 16/01/ ,4 x 3 152,4 x 3 HEB ,4 x 3 152,4 x 5 152,4 x 5 HEB ,4 x 5 152,4 x 6 152,4 x 6 HEB ,4 x 6 152,4 x 7 152,4 x 7 152,4 x 7 HEB ,4 x 8 152,4 x 8 HEB ,4 x 8 152,4 x 8 152,4 x 8 HEB ,4 x 8 HEB 300 HEB 260 HEB 260 HEB
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 260 HEM 280 HEM 280 CA 490 x 490 HEB 280 HEB 300 HEB 300 HEM
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