Costruzioni in acciaio in zona sismica - I

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1 Laboratorio di progettazione strutturale A.A. 2009/2010 Costruzioni in acciaio in zona sismica - I Prof. Ing. Andrea Dall Asta Università di Camerino Dipartimento di PROgettazione e Costruzione dell Ambiente andrea.dallasta@unicam.it

2 Edifici in acciaio - criteri di verifica Aspetti generali Edifici con controventi concentrici Edifici con controventi eccentrici Edifici a telaio

3 Edifici multipiano Azioni orizzontali Controventi di piano Controventi verticali

4 Progettazione sismica Comportamento dissipativo (7.2) base shear (kn) - Strutture dissipative (N-Dof) - Duttilità materiale - Acciaio: elasto-plastico / simmetrico - Duttilità zone critiche (zone dissipative) - elementi tesi - sezioni inflesse o sottoposte a taglio -> instabilità locale - elementi compressi -> instabilità membratura - Duttilità globale - gerarchia resistenze - regolarità di piano V u 1600 V y Pushover controventi eccentrici - direzione X -forze proporzionali al 1 modo di vibrare- uscita dell'ultimo link (5 piano) dal campo elastico zona di transizione uscita del primo link (3 piano) dal campo elastico funzionamento di tutti i link in campo elastico funzionamento di tutti i link in campo plastico a u /a y =V u /V y =1,54 rottura del primo link (3 piano) Duttilità complessiva ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 D/H (%)

5 Aspetti generali Progetto duttilità Comportamento non dissipativo Comportamento dissipativo a bassa duttilità Comportamento dissipativo ad alta duttilità Spettri di progetto allo SLU (azione sismica orizzontale) S d (m/s 2 ) q=1 q=2 q=4 q=6 0,2ag Sd(T)>0.2ag ( ) T (sec)

6 Aspetti generali Controllo spostamenti Confronto spostamento limite spostamento misurato su struttura progettata per azioni sismiche nelle 3 condizioni di duttilità vento ND BD AD vento ND BD AD vento AD limite=h/500 limite=h/500 limite=h/500 edificio a 4 piani edificio a 8 piani edificio a 16 piani

7 Materiale Materiale Sovraresistenza materiale fy,m = tensione media di snervamento fyk = valore nominale della tensione di snervamento grd (gov in EC8) = fattore di sovraresistenza del materiale fy,max = 1.1 gov fyk (EC8) ft/fy>1.2 As>20% (NTC08)

8 Coefficiente di struttura Fattori di struttura di riferimento q 0 (Tipologia) (q=k R q 0 ) Tipologia BD (DCM) AD (DCH) α u /α 1 Strutture intelaiate / Controventi eccentrici Controventi reticolari a V Strutture a mensola o pendolo invertito Strutture intelaiate con contr. concentrici ,0 α u /α ,0 α u /α 1 4,0 α u /α 1 1,1-1, AD/BD sempre gerarchia delle resistenze (Sovrares. = 1.3/1.1/classe sezione) - α u /α 1 = rapporto tra moltiplicatore ultimo e di primo snervamento (push-over) Tipologia Controventi reticolari concentrici (diag. Tesa) Strutture con tamponature in muratura Tipologie miste -> si può prendere q differente nelle due direzioni (maglia ortogonale) (7.3.1) - Tipologie diverse -> an. Dinamica non lineare o q=1

9 Coefficiente di struttura Regolarità in altezza (Kr) (7-2-2) e) tutti i sistemi resistenti verticali (quali telai e pareti) si estendono per tutta l altezza della costruzione; f) massa e rigidezza rimangono costanti o variano gradualmente, senza bruschi cambiamenti, dalla base alla sommità della costruzione (le variazioni di massa da un orizzontamento all altro non superano il 25 %, la rigidezza non si riduce da un orizzontamento a quello sovrastante più del 30% e non aumenta più del 10%); ai fini della rigidezza si possono considerare regolari in altezza strutture dotate di pareti o nuclei in c.a. o pareti e nuclei in muratura di sezione costante sull altezza o di telai controventati in acciaio, ai quali sia affidato almeno il 50% dell azione sismica alla base; g) nelle strutture intelaiate progettate in CD B il rapporto tra resistenza effettiva e resistenza richiesta dal calcolo non è significativamente diverso per orizzontamenti diversi (il rapporto fra la resistenza effettiva e quella richiesta, calcolata ad un generico orizzontamento, non deve differire più del 20% dall analogo rapporto determinato per un altro orizzontamento); può fare eccezione l ultimo orizzontamento di strutture intelaiate di almeno tre orizzontamenti; h) eventuali restringimenti della sezione orizzontale della costruzione avvengono in modo graduale da un orizzontamento al successivo, rispettando i seguenti limiti: ad ogni orizzontamento il rientro non supera il 30% della dimensione corrispondente al primo orizzontamento, né il 20% della dimensione corrispondente all orizzontamento immediatamente sottostante. Fa eccezione l ultimo orizzontamento di costruzioni di almeno quattro piani per il quale non sono previste limitazioni di restringimento.

10 Coefficiente di struttura Rapporto au/a1 Strutture regolari in pianta edifici a un piano au/a1 = 1,1 edifici a telaio a più piani, con una sola campata au/a1 = 1,2 edifici a telaio con più piani e più campate au/a1 = 1,3 edifici con controventi eccentrici a più piani au/a1 = 1,2 edifici con strutture a mensola o a pendolo inverso au/a1 = 1,0 Strutture non regolari in pianta Valore medio tra 1.0 ed il valore precedente Determinazione mediante analisi statica non lineare αu/α1 max = 1.6 (EC8)

11 Coefficiente di struttura Regolarità in pianta (a r /a u ) (7-2-2) a) la configurazione in pianta è compatta e approssimativamente simmetrica rispetto a due direzioni ortogonali, in relazione alla distribuzione di masse e rigidezze; b) il rapporto tra i lati di un rettangolo in cui la costruzione risulta inscritta è inferiore a 4; c) nessuna dimensione di eventuali rientri o sporgenze supera il 25 % della dimensione totale della costruzione nella corrispondente direzione; d) gli orizzontamenti possono essere considerati infinitamente rigidi nel loro piano rispetto agli elementi verticali e sufficientemente resistenti. Criteri di modellazione (7-2-6) Gli orizzontamenti possono essere considerati infinitamente rigidi nel loro piano, a condizione che siano realizzati in cemento armato, oppure in latero-cemento con soletta in c.a. di almeno 40 mm di spessore, o in struttura mista con soletta in cemento armato di almeno 50 mm di spessore collegata da connettori a taglio opportunamente dimensionati agli elementi strutturali in acciaio o in legno e purché le aperture presenti non ne riducano significativamente la rigidezza.

12 Diaframmi di piano F Sd = 1.3 F sd,e Modello con piano deformabile

13 Duttilità di sezione Alta/Bassa duttilità - Classificazione delle sezioni Classe 1 Classificazione in base a resistenza (momento ultimo) e duttilità (rapporto curvatura ultima/curvatura snervamento) Momento ultimo = Momento resistente plastico e rotazione ultima elevata (qu/qy>3) Classe 2 Momento ultimo = Momento resistente plastico e rotazione ultima limitata (qu/qy>1.5) Classe 3 Momento ultimo = Momento resistente elastico e rotazione ultima poco superiore alla rotazione limite elastica (l instabilità locale interviene dopo che si è raggiunta la tensione di snervamento nelle fibre più sollecitate) Classe 4 Momento ultimo < Momento resistente elastico e rotazione ultima inferiore alla rotazione limite elastica (l instabilità locale interviene prima che si raggiunga la tensione di snervamento nelle fibre più sollecitate) 13

14 Classificazione delle sezioni Metodo di classificazione Metodo geometrico (rapporti spessore/lunghezza dei componenti) In funzione dello stato di tensione 14

15 Duttilità di sezione Duttilità degli elementi dissipativi compressi e inflessi Fattore di struttura q0 2<q0<=4 q0>4 Classe delle sezioni (elementi dissipativi) Classe 1 o 2 Classe 1

16 Aspetti generali Duttilità degli elementi dissipativi tesi N u Ares ft / g M 2 1.1Af y / g M N pl, Rd g 1.05 M 0 g 1.25 M 2 Sovraresistenza collegamenti zone dissipative I collegamenti con saldature a completa penetrazione sono sovraresistenti I collegamenti bullonati o con cordoni d angolo devono soddisfare la relazione: coll R Sd 1.1g Rd Rpl, Rd Ru, Rd

17 Edifici in acciaio - criteri di verifica Aspetti generali Edifici con controventi concentrici Edifici con controventi eccentrici Edifici a telaio

18 Controventi concentrici - Tipologie Controventi con diagonale tesa attiva Classe unica (q=4) Controventi con diagonale compressa e tesa attiva CD A (q=2.5) CD B (q=2) Controventi a K Non duttili (q=1)

19 Controventi concentrici Elevata rigidezza (SLD vento) Specializzazione strutturale Compatibilità architettonica Comportamento statico semplice Deformazione controllabile (taglio/diagonali flessione/b/h) Vincoli introdotti dalle condizioni sulla snellezza = progettazione complessa (Condizione geometrica - rapporto b/h)

20 Controventi concentrici - duttilità Snellezza elemento compresso Influenza sulla duttilità e deformabilità Troppo deformabile duttile fragile

21 Controventi concentrici - snellezza Limiti snellezza (oltre 2 piani) 1- Snellezza adimensionale (contr. V) (contr. diagonale tesa attiva) / 2 y y E f 0. 5 / y Z X Z Y X

22 Controventi concentrici - simmetria Controventi con diagonale tesa attiva - Risposta sostanzialmente indipendente dal verso dell azione - Indicazioni EC e OPC: variazioni di rigidezza laterale, sotto inversione delle azioni sismiche, inferiori al 5% -> Controllo componente verticale dell area A A A A 0.05

23 Controventi concentrici - GR Gerarchia resistenze (controventi concentrici) Travi e pilastri devono possedere un adeguata sovraresistenza nei confronti dei diagonali Coefficiente sovraresistenza del diagonale i-esimo i N pl, Rd, i N Ed, i f yd Ed, i Condizione di regolarità (interazione con cond. snellezza) i,max i,min 1.25 Coefficiente sovraresistenza globale min i ;q

24 Controventi concentrici - GR Gerarchia resistenze (controventi concentrici) Sovraresistenza travi e pilastri dei controventi (e relativi collegamenti) N Rd (M Ed ) > N Ed = N Ed,G + 1.1g Rd N Ed,E M Ed = M Ed,G + 1.1g Rd M Ed,E N Ed,G, M Ed,G = Sollecitazioni non sismiche N Ed,E, M Ed,E = Sollecitazioni sismiche

25 Controventi concentrici - collegamenti coll N u Ares ft / g M 2 1.1Af y / g M N pl, Rd R Sd 1.1g Rd Rpl, Rd Ru, Rd

26 Controventi concentrici Controvento largo (diagonale lunga) Molta rigidezza Diagonale sovradimesionato (snellezza) Pilastri ancora più sovradimensionati (GR) disuniformi => poca duttiltà Controvento stretto (diagonale corta) Rigidezza ridotta No sovradimensionamento uniformi => duttilità Problemi con spostamenti

27 Controventi concentrici - GR Gerarchia resistenze semplificata Dimensionamento dei diagonali con sollecitazioni di calcolo - Rispetto condizione sulla massima snellezza dei diagonali / y y E / f y - Dimensionamento di travi, pilastri e collegamenti dei controventi con sollecitazioni amplificate con coefficienti di sovraresistenza ( =1) S Rd > S Ed = S Ed,G + 1.1g Rd N Ed,E S Ed,G = Sollecitazioni non sismiche S Ed,E = Sollecitazioni sismiche

28 Laboratorio di progettazione strutturale A.A. 2009/2010 Costruzioni in acciaio in zona sismica - I Prof. Ing. Andrea Dall Asta Università di Camerino Dipartimento di PROgettazione e Costruzione dell Ambiente andrea.dallasta@unicam.it