Jacques Heyman. Paolo Spinelli e Luca Salvatori Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II. Criteri strutturali e strutture in muratura

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1 Jacques Heyman Direttore del dipartimento di ingegneria a Cambridge fra il 1983 e il 1992 The Stone Skeleton, Cambridge University Press, 1982 Criteri strutturali e strutture in muratura 1Resistenza (sopportazione delle sollecitazioni) Tipicamente le sollecitazioni massime in strutture in muratura sono volte inferiori alla resistenza del materiale (salvo picchi estremamente localizzati) grazie alla notevole dimensione delle sezioni resistenti. 2 Rigidezza (limitazione le deformazioni) Le deformazioni e gli spostamenti (esclusi, in alcuni casi, quelli provocate da cedimenti delle fondazioni) sono in genere estremamente contenuti. 3 Stabilità (mantenimento della configurazione di equilibrio) In molte strutture in muratura è questo il criterio di progettazione più stringente. Non tanto nei confronti di fenomeni di instabilità euleriana (dato che si tratta di elementi in genere piuttosto tozzi) quanto nei confronti di meccanismi simili a quelli di ribaltamento (v. esempio). 4 Duttilità (deformabilità plastica prima della rottura) 1

2 Esempio 2b Il progetto di un blocco di altezza prefissata su di un piano di inclinazione prefissata è esclusivamente geometrico (scelta della larghezza b), ipotizzando di escludere lo scivolamento grazie, per esempio, ad una sede scavata nel piano. b htan P 2h Prima del ribaltamento resistenza e deformabilità nonsonounproblema u 0 id adm Picchi di tensioni locali solo a ribaltamento incipiente causati dalla forza concentrata 2b cr 2h id, loc P 2

3 Dalle proporzioni geometriche alla resistenza Le regole geometriche di proporzioni, fondate soprattutto sull esperienza e su canoni estetici, sono state alla base della progettazione di edifici in muratura sin dall antichità (con esempi prominenti in Antico Egitto, Grecia e Regni Ellenistici), nel mondo romano, nel Medioevo e per tutto il Rinascimento. Fra i primi Galileo propose il concetto di resistenza (nei Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze, 1638, dove discute proprio la resistenza dei materiali e la dinamica). N R Q R Q R h N R L h h QL R NR QR NR 2 2 L Con la formula di Navier abbiamo in realtà: 2 NR bh h R adm R R QL W Q N bh 6 6L Strutture iperstatiche Per risolvere le strutture iperstatiche dobbiamo introdurre i concetti di deformabilità e di legame costitutivo. Se vale l ipotesi di elasticità lineare si applica il teorema di Kirchhoff sull unicità della soluzione. Tuttavia l idea di conoscere lo stato di sollecitazione effettivo di una struttura è illusorio. Infatti la soluzione è fortemente dipendente dalle condizioni al contorno Paolo Spinelli e Luca Salvatori Corso di Progetto e Riabilitazione delle 6 Strutture II 3

4 In strutture iperstatiche piccole variazioni delle condizioni al contorno producono grandi variazioni nelle sollecitazioni q L a a M q = ql 2 /12 M = 6EJ /L 2 L = 100 cm a = 10 cm = kgf/cm 3 E = kgf/cm 2 q = 2.0 kgf/cm = 0.01 cm M q = 1670 kgf cm M = 2000 kgf cm Paolo Spinelli e Luca Salvatori Corso di Progetto e Riabilitazione delle 7 Strutture II Non è possibile conoscere lo stato effettivo di una struttura I cedimenti vincolari sono inevitabili ma non prevedibili in maniera accurata e, d altra parte influenzano grandemente la soluzione. È impossibile conoscere lo stato effettivo di una struttura! Teoria plastica Se due strutture molto simili che differiscono per piccole imperfezioni e sono dunque in stati tensionali molto diversi fra loro, vengono caricate progressivamente fino al collasso, il valore del carico ultimo nelle due strutture sarà lo stesso Per questo nell analisi limite delle strutture ci interessano i carichi ultimi e non lo stato della struttura (tensioni ammissibili). Il progetto elastico funziona nei materiali duttili perché se la struttura è verificata in una certa condizione, una condizione di poco variata darà sollecitazioni diverse ma lo stesso carico ultimo. NB. Materiali Paolo Spinelli fragili necessitano e Luca Salvatori infatti Corso di vincoli di Progetto isostatici. e Riabilitazione delle 8Strutture II 4

5 Muratura Caratteristiche del materiale: Non omogeneo Anisotropo Non isoresistente (resistenza a trazione trascurabile) Non lineare (anche in compressione) Parametri meccanici fortemente dispersi (o incogniti) c.c. di difficile determinazione Materiale complesso: il comportamento su larga scala è fortemente influenzato da quello della microstruttura (geometria dei blocchi, interazioni fra blocchi e letti di malta, ecc.) MOLTI MODELLI DISPONIBILI Modello di Heyman Ipotesi: 1) Assenza di resistenza a trazione La malta, quando presente, si deteriora nel tempo L ipotesi è comunque a favore di sicurezza 2) Resistenza a compressione infinita Ci possono essere schiacciamenti locali ma in genere non causano effetti globali È interessante stimare la resistenza di un materiale come l altezza massima di una colonna: h = f c / = 400 kgf cm 2 / kgf cm 3 = 2 km 3) Assenza di scorrimento La compressione è necessaria per attivare la resistenza per attrito È un ipotesi che talvolta deve essere verificata a posteriori 5

6 Esempio: effetto dei pinnacoli nell aumentare la resistenza per attrito Master safe theorem Per l ipotesi di non resistenza a trazione, la curva delle pressioni deve essere interamente contenuta nella geometria della struttura. Teorema: La struttura è stabile sotto un certo carico se e solo se è possibile trovare una funicolare dei carichi interamente contenuta nella geometria della struttura. 6

7 Corollario 1: Lesioni che non alterano sostanzialmente la geometria non compromettono la stabilità La struttura stava in piedi prima delle lesioni La geometria non è variata in modo sostanziale Esiste una funicolare dei carichi interamente contenuta nella geometria della struttura La struttura è ancora stabile S. Maria del Fiore: quadro fessurativo principale zona di trazione 7

8 Corollario 2: teorema dei 5 minuti Una struttura in muratura che appena tolte le centine sta in piedi per 5 minuti (dopo la rimozione delle centine), resterà in piedi per 500 anni (decadimento dei materiali). In realtà le fondazioni possono avere anche grandi cedimenti che alterano la geometria della struttura tanto da comprometterne la stabilità. Il teorema diventa allora dei 20 anni con riferimento ai tempi dei cedimenti viscosi del terreno. Tuttavia esiste un altra eccezione: le condizioni del terreno possono cambiare (e.g. variazioni del livello dell acqua nelle falde). Corollario 3: I modelli in scala funzionano Poiché la stabilità dipende solo dalla geometria una variazione di scala non altera le proporzioni e di conseguenza la stabilità. Contrariamente, dove la verifica dipende dalla resistenza i modelli in scala non sono significativi. Verifica: d f t > = P / A = a 3 / d 2 = a 3 /d 2 (raddoppiando la scala raddoppiano gli sforzi!) a a 8

9 Catenaria inversa (Hooke, 1675) La forma di una fune che sostiene il proprio peso in trazione è la stessa dell arco ideale che sostiene il proprio peso in compressione. La forma dipende dalla lunghezza della fune e dalla distanza delle imposte. Un arco incastrato (iperstatico) contiene infinite curve delle pressioni corrispondenti al proprio peso Il solo equilibrio non è sufficientee a determinare quale sia quella effettiva. La soluzione elastica (Navier, 1826) è unica (Teorema di Kirchhoff) tuttavia è fortemente dipendente dalle condizioni al contorno. Una possibile curva delle pressioni in un arco semicircolare 9

10 Movimenti fra blocchi I blocchi non possono scorrere l uno sull altro né compenetrarsi, dunque sono possibili solo rotazioni rispetto ai punti di contatto all intradosso o all estradosso che si comportano allora come cerniere. Fessurazione dovuta al cedimento delle imposte Le fessure si formano sempre (anche se nella realtà possono essere richiuse dalla deformazione elastica dei blocchi). Si forma un arco a tre cerniere: esiste soluzione isostatico basata sul solo equilibrio La curva delle pressioni è univocamente determinata e passa per le zone di contatto. Spinta orizzontale minima e indipendente dall entità del cedimento. 10

11 Cerniera all intradosso (fessurazione con schiacciamento) cerniera effettiva cerniera ideale Il punto di rotazione relativa effettivo è in realtà arretrato interno all arco che si comporta come se avesse uno spessore inferiore Arco semicircolare: spinta attiva e passiva Allontanamento delle imposte V Avvicinamento delle imposte (ad esempio a causa della spinta di archi adiacenti) V 11

12 Arco di spessore minimo Esiste un unica curva delle pressioni interamente contenuta nella geometria dell arco. La spinta massima e minima coincidono. t min R/10 È possibile definire un fattore di sicurezza basato su proporzioni geometriche: t/t min > 2 Le regole di progettazione basate sulla geometria ritornano! Rapporto fra spessore minimo e raggio per un arco circolare in funzione dell angolo di apertura 12

13 Collasso di un arco semicircolare sottoposto ad un carico concentrato Modello meccanico Corpi rigidi separati da interfacce deformabili Azioni normali: letti di molle non resistenti a trazione Azioni di taglio: comportamento elastico perfettamente plastico (attrito alla Coulomb) Piccole deformazioni delle interfacce N I M I y x n v n u n s I I r I V I I G n C I v m C I m G m u m 2b I [Salvatori e Spinelli, 2007] 13

14 Esempio 1: Arco con forza concentrata Confronto con modello analitico [Lucchesi, Padovani, Pasquinelli, Zani, 1997] Carico critico Pcr W R 4m Posizione delle cerniere al collasso Modello numerico Discretizzazione in conci di 5 Parametri del modello costitutivo k N/m n t 12 3 k N/m 2 c 0.0 N/m

15 Simulazione P Analisi statica Effetto del peso proprio P.p. + carico concentrato (config. a collasso incipiente) Buona stima del carico critico ( 1.5% rispetto al modello teorico) Corretta stima della posizione delle cerniere (15, 60, 105, 145 ) 15

16 Effetto di un cedimento vincolare P.p. + cedimento P.p. + cedimento + carico concentrato (config. a collasso incipiente) La presenza del cedimento non influenza il carico critico né il meccanismo di collasso Diagramma carico spostamento P [N] 7 x fixed abutments settled abutment [m] Iniziale chiusura delle fessure dovute al cedimenti Stesso andamento e stesso carico critico del caso con vincoli non cedevoli 16

17 Sollecitazioni dovute al peso proprio (analisi elastica lineare) Vincoli perfetti Cedimento vincolare min kn/m 2 min kn/m 2 1 cm Small initial imperfections, while leading to different initial states of the structure, do not affect its ultimate strength Jacques Heyman Il materiale di riempimento collabora al meccanismo resistente esercitando pressioni sull arco vero e proprio, aumentando così la capacità portante 17

18 Volte e cupole ARCHI 1D Inversione dei carichi di una fune infinitamente flessibile Una configurazione della fune è in equilibrio solo con il carico che la ha prodotta VOLTE E CUPOLE 2D Inversione dei carichi di una membrana infinitamente flessibile Una configurazione della membrana (se a doppia curvatura) è in grado di sostenere carichi differenti da quelli che la hanno prodotta purché non producano tensioni principali di compressione Cupola semisferica sotto peso proprio a Il peso proprio è l azione dominante per gusci in muratura La stabilità, anche per gusci resistenti a trazione, non è un problema t cr ke a 18

19 Membrana sferica N q N j N jq N jq N q N j sollecitazioni membranali coordinate sferiche Tensioni lungo i meridiani 19

20 Tensioni lungo i paralleli Risultati analitici 20

21 Fessurazione di una calotta sferica Dopo la fessurazione ciascuno spicchio si comporta come un arco rampante: Nascono spinte orizzontali È necessario uno spessore minimo della muratura Arco piano a spessore variabile 21

22 Studio di Poleni (1743) per la cupola di S. Pietro a Roma Rapporto fra spessore minimo e raggio per una calotta sferica in muratura in funzione dell angolo di apertura 22

23 Calcolo della spinta orizzontale H W St. Paul a Londra (progettato nel 1668) 23

24 Pantheon a Roma Spessore del tamburo di circa 6 m per contrastare le spinte orizzontali Una calotta sferica in muratura non necessita di coronamento 24

25 contrariamente ad un arco Iglù 25

26 Cupola di S. Maria del Fiore a Firenze Una semi calotta è stabile (se ha uno spessore minimo) 26

27 Tensioni scambiate fra le due metà di una semisfera Semi calotta usata come controvento in alternativa o combinazione con volte 27

28 Hagia Sofia a Istanbul Se una semicupola è stabile lo è anche una qualsiasi frazione compresa fra metà e l intero 28

29 Hagia Sofia nel 986 e 1346 In due occasioni è crollata una semicupola, facendo crollare un quarto della cupola principale e lasciando in piedi gli altri tre quarti. 29