Costruire in acciaio. Soluzioni antisismiche in acciaio per edifici industriali e civili. la risposta antisismica sicura. Modena, luglio 2012

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1 Costruire in acciaio la risposta antisismica sicura Modena, luglio 2012 Soluzioni antisismiche in acciaio per edifici industriali e civili Prof. Ing. Andrea Dall Asta Università di Camerino Scuola di Architettura e Design andrea.dallasta@unicam.it

2 Edifici multipiano Organizzazione strutturale Calcestruzzo armato Collegamenti onerosi Schemi isostatici Acciaio Specializzazione strutturale

3 Schema pendolare telaio nodi semirigidi Edifici multipiano

4 Edifici multipiano Azioni orizzontali Controventi di piano Controventi verticali

5 10 10 Strato di polistirolo s=10mm 60 Strato di polistirolo s=10mm 10

6 Edifici industriali e commerciali Edifici industriali e commerciali Luci grandi pochi elementi verticali Masse strutturali irrilevanti Masse permanenti possono essere ridotte Schemi statici differenziati Ridondanza ridotta

7 Edifici industriali e commerciali Copertura Elementi attivi per il trasferimento delle azioni (tesi/compressi) Elementi attivi per il controllo della stabilità Rigidezza longitudinale/trasversale e ripartizione azioni

8 Edifici industriali e commerciali Sistema di trasferimento copertura controvento - fondazione

9 Edifici industriali e commerciali Edifici commerciali Edifici industriali PRECASTEEL EU-RFCS Research Final report Ilva(Ita), RWTH (Ger), SHE (Gre), UniCam (Ita), UniPi (Ita), UniNa (Spa), ISQ (Por), VTT (Fin), Feno (Ita), UniTh (Gre)

10 Edifici industriali e commerciali Soluzioni ottimali (Progetto-Sperimentazione-Costi)

11 Edifici industriali e commerciali Elementi sismo-resistenti Software Dissemination e linee guida

12 Via di corsa Edifici industriali e commerciali

13 Progettazione sismica Comportamento dissipativo (7.2) - 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 Duttilità complessiva base shear (kn) 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) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 D/H (% )

14 Duttilità globale Progettazione sismica Comportamento dissipativo (7.2) - Gerarchia delle resistenze Sistemi in serie (gerarchia) Sistemi in parallelo (compatibilità) - Regolarità di piano

15 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)

16 Aspetti generali Controllo spostamenti Confronto spostamento limite spostamento misurato vento ND BD AD su struttura progettata per azioni sismiche nelle 3 condizioni di duttilità 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

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

18 Fattori di struttura di riferimento q 0 (Tipologia) (q=k R q 0 ) Coefficiente di struttura 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 4 2 Tipologie diverse -> an. Dinamica non lineare o q=1

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

20 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 (u/y>3) Classe 2 Momento ultimo = Momento resistente plastico e rotazione ultima limitata (u/y>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) 20

21 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

22 Aspetti generali Duttilità degli elementi dissipativi tesi N u Ares ft / M 2 1.1Af y / M N pl, Rd M M 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 1.1 Rd Rpl, Rd Ru, Rd

23 Aspetti generali - Analisi lineare - Effetti del II ordine - Analisi lineare applicabile sulla base del coefficiente P = carico verticale totale di piano dr = spostamento medio di interpiano V = taglio di piano H = altezza di piano Pd r VH - effetti trascurabili se <0.1, coefficiente amplificativo per 0.1<<0.2 (oltre è richiesta un analisi non lineare), <0.3 sempre 1 1 Dipende dal rapporto Sdispl(T)/Sacc(T) - migliora al crescere della rigidezza - non cambia molto con l intensità sismica - peggiora al crescere di q

24 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)

25 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)

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

27 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

28 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

29 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 Rd N Ed,E M Ed = M Ed,G Rd M Ed,E N Ed,G, M Ed,G = Sollecitazioni non sismiche N Ed,E, M Ed,E = Sollecitazioni sismiche

30 Controventi concentrici controventi a V Controventi a V Le travi del controvento devono sostenere i carichi verticali anche nel caso di diagonali inefficaci (post-sisma) -Le travi del controvento devono sopportare la flessione indotta dalla differenza di sollecitazione del diagonale teso (Npl,Rd) e di quello compresso (0.30Npl,Rd).

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

32 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

33 Dimensioni in pianta: 33,8 m x 20,2 m Esempio

34 Esempio n. 6 piani H interpiano = 3,60 m H tot = 21,60 m

35 Esempio - Materiali Acciaio S275 (ex Fe 430) modulo di elasticità normale E = N/mm 2 modulo di elasticità tangenziale G = N/mm 2 coefficiente di dilatazione termica = C -1 densità =7850 kg/m 3 tensione di snervamento f yk = 275 N/mm 2 tensione di rottura a trazione f tk = 430 N/mm 2 fattore di sovraresistenza Rd =1,15 Viti ad alta resistenza di classe 10.9 resistenza a rottura per trazione f tb = 1000 N/mm 2 resistenza allo snervamento f yb = 900 N/mm 2

36 Esempio Azione sismica Spettri di progetto (azione sismica orizzontale) 0,300 0,250 Se (g) 0,200 0,150 SLD SLV concentrici - q=3,2 SLV eccentrici - q=4,8 0,100 0,050 0, ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 T (sec)

37 Esempio Masse efficaci Masse efficaci G 1 +G 2 +S 2i Q ki massa IMPALCATI 1-5 X G Y G I G (kns 2 /m) (m) (m) (knms 2 ) 427,83 16,900 10, ,09 2i Uffici (1-5) 0.3 Copertura (neve a q.< 1000 m s.l.m.) 0.0 Scale 0.6 massa (kns 2 /m) 263,12 16,900 controvento più sollecitato per sismax COPERTURA X G (m) Y G (m) 10,146 I G (knms 2 ) 35034,34 ECCENTRICITA ACCIDENTALI (5%) e x (m) = e y (m) = + 1,69 + 1,01 sismay G XG+ex; YG+ey CT (16,9; 10,1) sismax controvento più sollecitato per sismay

38 Rigidezza scala<15% Concentrici Modellazione

39 Concentrici Analisi modale Direzione X Direzione Y MODO 2 T=1.51 sec MODO 1 T=1.52 sec

40 Concentrici Analisi dinamica SLV concentrici q=3,2 direzione X 0,300 Se (g) 0,250 0,200 0,150 0,100 0,050 modo 8 T=0,3 m=5% modo 5 T=0,51 m=17% modo 2 T=1,51 m=75% In direzione Y la risposta sismica è molto simile (stessa rigidezza) 0, T (secondi) TAGLI di PIANO (sismax) Tagli alla base - sisma X SLV impalcato combinazione solo 1 modo Vb (kn) kn modo

41 Concentrici Diagonali Snellezza massima 2.0 l 1 = = 173,6 Snellezza minima = = 112,9 Z Z Y l 1 =p(e/f y ) 1/2 X X L=( ) 1/2 =616 cm SEZIONE lunghezza asta (cm) Atot (cm 2 ) i 33 (cm) i 22 (cm) nel piano fuori piano 2L90x100x15/ ,5 2,66 5, L90x110x10/ ,72 5, L90x90x9/ ,04 2,73 4, L70x70x7/ ,79 2,12 3,

42 Concentrici Gerarchia resistenza Coefficiente di sovraresistenza i N pl, Rd, i N Ed, i Af M 0 N yk Ed, i 6 =2,22 N pl,rd = A. f yk / M0 5 =2,31 IMPALCATO sezione A (cm 2 ) DIAGONALI N Ed (kn) (trazione) N pl,rd (kn) (trazione) 1 2L90x100x15/30 52, ,00 2,03 2 2L90x100x15/30 52, ,00 2,31 3 2L90x110x10/ ,24 1,93 4 2L90x110x10/ ,24 2,29 5 2L90x9/20 31, ,95 2,31 6 2L70x7/20 18, ,12 2,22 Gerarchia resistenze travi e pilastri N Rd (M sd ) > N Ed =N Ed,g Rd. N Ed,E PILASTRI W i W min W max min 1,93 1,20 4 =2,29 3 =1,93 2 =2,31 IMPALCATO sezione A (cm 2 ) C classe EC3 (compress.) N Ed,g (kn) N Ed,E (kn) N Ed,G +N Ed,E (kn) N Ed (kn) N Rd (kn) 1 HEB ,8 0, HEB ,8 0, HEA ,4 0, HEA ,4 0, HEA , HEA , =2,03

43 Concentrici Effetti II ordine Verifica effetti II ordine P = carico verticale totale di piano dr = spostamento medio di interpiano allo SLV V = taglio di piano Pd r VH H = altezza di piano effetti trascurabili se <0.10 Elevazione h P V dr - m kn kn m

44 Concentrici SLD - SLE SLD d r < 0.005h = 18mm 6 Spostamenti di interpiano allo SLD 5 impalcato 4 3 limite (0,005h) comb. D2 (pilastrata 6) comb. D1 (pilastrata 1) 2 1 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 dr (mm) SLE (vento) D max =21,6/500=43,2 mm Vento spirante lungo X : DX (mm) = 17,2 <Dmax OK Vento spirante lungo Y : DY (mm) = 28,8 <Dmax OK

45 Concentrici - Diaframmi di piano F Sd = 1,3 F sd,e =1, = 450 kn (sarebbe meglio 1.1 Rd F sd,e ) 6 5 X 6 piani, q= im p alcato F sd,e (kn) sismay -modello con piano deformabile

46 Concentrici - Diaframmi di piano F Sd = 1,3 F sd,e =1, = 450 kn Fsd/2 Fsd Fsd/2 -modello con piano rigido (lamiera grecata + soletta c.a.) connettori a taglio

47 Concentrici Diaframmi di piano Verifiche dei connettori a taglio Ad ogni controvento i connettori devono trasmettere una forza pari a: F sd /2 = 225 kn Calcolo resistenza a taglio di un piolo 16 in soletta piena: P Rd = min( P Rd,a ;P Rd,c ) = 51 kn in cui: P Rd,a =0,8f t (d 2 /4)/ V = 55 kn P Rd,c =0,29d 2 (f ck E c ) 0,5 / V = 51 kn f t = 430 MPa acciaio per pioli S275 = 1,0 per h sc /d > 4 f ck = 25 MPa cls C25/30 E c = MPa V = 1,25 Coefficienti riduttivi per posa in soletta con lamiera grecata: in cui: 2 k 1 = 0,6b 0 (h sc -h p )/h p k t = 0,7b 0 (h sc -h p )/(n 1/2 r h 2 p ) = 0,28 greche parallele all asse della trave greche ortogonali all asse della trave b 0 = 50 mm h p =50 mm h sc = 70 mm n r = 1 (n di pioli per greca) Numero connettori necessari per ogni controvento: (F sd /2)/(k t P Rd ) = 16 si dispongono connettori 116/80cm (20 connettori) sulle travi dell allineamento del controvento in direzione Y (116/120cm in direzione X)

48 Concentrici Materiale impiegato Carpenteria metallica Elementi per azioni verticali 178 t 43,5 kg/mq Controventi 30 t 7,5 kg/mq Totale 208 t 51 kg/mq (esclusi collegamenti) ACCIAIO STRUTTURALE IMPIEGATO materiale resto struttura materiale controventi

49 Buckling Restrained Braces Diagonali ad instabilità impedita (BRB) Malta di riempimento Nucleo di acciaio Materiale che permette lo scorrimento tra malta e acciaio Tubo di acciaio Comportamento simmetrico in trazione e compressione Elimina problemi connessi alla snellezza Facilita gerarchia resistenze e regolarità in altezza Utilizzabile per adeguamento Sensibile alla fatica oligociclica

50 Sistema diffuso in Giappone e Stati Uniti Criteri di progettazione -> norma USA Buckling Restrained Braces

51 Fonte: Buckling Restrained Braces

52 Buckling Restrained Braces Criteri di Progetto FBD FEMA 450 Proportioning Criteria Design Coefficients ELF Procedure (Statica) 1. Periodo approssimato (richiesta di rigidezza): BRBFs + R o MRF NMRF T Cu Cr hn x Cd S Aa S R Ae 2. Verifica Applicabilità T 3.5 Tc FEMA 450 S 3. Taglio alla Base: D V C sw W R / I 4. Forze di Piano: 5. Sollecitazioni BRBs e Colonne (Sovraresistenza ) F o x k wh x x wh i i k i V 6. Verifica a Posteriori Spostamenti RS Procedure (Dinamica) 1.Analisi Dinamica Lineare con Spettro di Risposta in Accelerazione S ( T, ) 2. Controllo Taglio alla Base V 0.85 V ( T C T ) 3. Sollecitazioni BRBs e Colonne ADL ELF u a A di, o Ac,i Aa

53 Buckling Restrained Braces

54 Controventi eccentrici Classe duttilità ALTA q=u/y 5.0 u/y = 1.2 Classe duttilità BASSA q = 4.0

55 Controventi eccentrici No condizioni geometriche sul dimensionamento Rigidezza controllabile (SLD vento) Specializzazione strutturale B/H meno influente sul progetto (no vincoli sul progetto della trave dissipativa) Compatibilità architettonica migliore Comportamento statico semplice

56 Controventi eccentrici Eccentricità limite e lim = 2.0 M l,rd /V l,rd (link simmetrico) e lim = (1+ ) M l,rd /V l,rd (link non simmetrico, =M l,min / M l,rd ) Classificazione link corto e<1,6m l,rd /V l,rd <0.8(1+ ) M l,rd /V l,rd link intermedio 1,6 M l,rd /V l,rd < e <3M l,rd /V l,rd link lungo e >3M l,rd /V l,rd >1.5(1+ )M l,rd /V l,rd M l,rd resistenza flessionale di progetto M l, Rd f y bt f h t f V l,rd resistenza a taglio di progetto V f h t / 3 l, Rd y w f t N Sd trascurabile se <0.15 N pl,rd

57 Controventi eccentrici Dimensione link per profili usuali SEZIONE W (cm 3 ) A w (cm 2 ) M Rd V Rd M Rd /V Rd link corto se e(m) <: link lungo se e(m) >: IPE , ,49 0,78 1,46 HEA , ,47 0,76 1,42 HEA , ,68 1,08 2,03 HEA , ,76 1,21 2,27 HEA , ,02 1,63 3,06 HEB , ,50 0,80 1,51 HEB , ,65 1,03 1,94 HEB , ,75 1,21 2,26 HEB , ,79 1,26 2,37 HEB , ,89 1,42 2,66 HEB , ,93 1,49 2,80 HEB , ,01 1,62 3,03 HEB , ,04 1,67 3,13 HEB , ,06 1,69 3,17 HEB , ,05 1,68 3,15

58 Controventi eccentrici Gerarchia delle resistenze Controllo della duttilità locale L angolo di rotazione rigida p tra l elemento di connessione e l elemento contiguo non deve eccedere i seguenti valori: «corti»: p = 0,08rad «lunghi»: p = 0,02rad Per gli elementi di connessione «intermedi» si interpola linearmente tra questi valori. p e, M ev, pl Es. link simmetrico sulla trave p B B qde e e H

59 Controventi eccentrici Gerarchia delle resistenze Gerarchia delle resistenze Resistenza del Link (contributo soletta e meccanismi locali) Link corto Link lungo V u =1,5*V l,rd (M l,sd ) M u =1,5*M l,rd (V l,sd ) M max =V u e/2 V max =2M u /e Coefficienti di sovraresistenza dei link Link corto Link lungo i 1.5V V l, Rd, i Ed, i Condizione di regolarità i,max i,min 1.25 Coefficiente sovraresistenza globale min i ;q i 1.5M M l, Rd, i Ed, i

60 Controventi eccentrici Gerarchia delle resistenze Gerarchia delle resistenze Resistenza altri elementi (trave-colonna-diagonali) N Rd (M Ed ) > N Ed = N Ed,G Rd N Ed,E M Ed = M Ed,G Rd M Ed,E N Ed,G, M Ed,G = Sollecitazioni non sismiche N Ed,G, M Ed,G = Sollecitazioni sismiche

61 Controventi eccentrici Dettagli Regole di dettaglio Instabilità ali e flessotorsionale (link lunghi e intermedi) Irrigidimenti a distanza 1.5 b f dal nodo (a tutta altezza) Instabilità anima (link corti) Irrigidimenti d anima alle estremità ed intermedi, spessore t>tw, t>10mm Larghezza bf/2-tw Nei link corti con travi piccole (h<600mm) si possono disporre su un solo lato con altezza >3/4hw

62 Controventi eccentrici Dettagli Link corti irrigidimenti (C2009) Capacità di deformazione richiesta (link simmetrico) p B B qde e e H p,max de = spostamento massimo di interpiano sul piano del controvento

63 Link intermedi irrigidimenti (C2009) Controventi eccentrici Dettagli

64 Link lunghi irrigidimenti (C2009) Controventi eccentrici Dettagli

65 Dimensioni in pianta: 33,8 m x 20,2 m Esempio

66 Esempio Azione sismica Spettri di progetto (azione sismica orizzontale) 0,300 0,250 Se (g) 0,200 0,150 SLD SLV concentrici - q=3,2 SLV eccentrici - q=4,8 0,100 0,050 0, ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 T (sec)

67 Nota: rigidezza scala con travi appoggiate sagomate <15% ->struttura secondaria (si può trascurare) Eccentrici Modello

68 Eccentrici Analisi dinamica 0,300 SLV eccentrici q=4,8 direzione Y 0,250 Se (g) 0,200 0,150 0,100 0,050 modo 8 T=0,35 m=5% modo 5 T=0,57 m=19,5% modo 2 T=1,49 m=71,5% 0, T (secondi) In direzione X la risposta sismica è molto simile (stessa rigidezza) TAGLI di PIANO (sismay) Tagli alla base - sisma Y SLV impalcato combinazione solo 1 modo Vb (kn) kn modo

69 Eccentrici Sollecitazioni Azioni assiali Momenti Tagli

70 Eccentrici Gerarchia resistenze Link corti: e=800mm corto per HE>160 Coefficiente di sovraresistenza (>1.5) V u =1,5. V l,rd =1,5. A w. f y /3 1/2 W i =V u,i /V Ed,i IMPALCATO sezione A w (cm 2 ) W (cm 3 ) e (cm) tipo LINK Gerarchia resistenze pilastri, diagonali e travi N Rd (M sd ) > N Ed,g Rd. N Ed,E classe V u (kn) V Ed (kn) V Ed,g (kn) V Ed,E (kn) 1 HEB , corto , ,687 2 HEB , corto , ,827 3 HEB , corto , ,716 4 HEB , corto , ,873 5 HEB , corto , ,822 6 HEA 180 9, corto , ,941 IMPALCATO sezione A (cm 2 ) c classe PILASTRI N Ed,g + N Ed,E (kn) N Ed,g (kn) N Ed,E (kn) 1 HEB , HEA ,5 0, HEA ,5 0, HEA ,3 0, HEA ,3 0, HEA ,3 0, IMPALCATO sezione A (cm 2 ) c classe DIAGONALI N Ed,g + N Ed,E (kn) N Ed,g (kn) N Ed,E (kn) i N Ed (kn) N Ed (kn) 1,69 max / min 1,15 N Rd (kn) N Rd (kn) 1 2UPN260 96,6 0, , UPN260 96,6 0, , UPN260 96,6 0, , UPN220 74,91 0, , UPN220 74,91 0, UPN220 74,91 0, , = = = = = =1.69

71 Eccentrici Gerarchia resistenze SISMA Y Pilastri Diagonali CAPACITY DESIGN PILASTRI (controventi lungo Y larghi 5,00 m) CAPACITY DESIGN DIAGONALI (controventi lungo Y larghi 5,00 m) N (kn) Nsd Nrd richiesto Nrd N (kn) Nsd Nrd richiesto Nrd impalcato sorretto impalcato soprastante stessa situazione per SISMA X SLU Sisma verificato SLU vento da verificare

72 Eccentrici SLD - SLE SLD d r < 0.005h = 18 mm Spostamenti di interpiano allo SLD 6 impalcato limite (0,005h) comb. D1 (pilastrata 1) comb. D2 (pilastrata 6) dr (mm) SLE (vento) D max =21,6/500=43,2 mm Vento spirante lungo X : DX (mm) = 16,89 <Dmax OK Vento spirante lungo Y : DY (mm) = 28,26 <Dmax OK

73 Eccentrici Limitazione effetti II ordine EFFETTI DEL 2 ORDINE Pd r VH elevazione h (m) massa efficace di piano (kns 2 /m) peso totale sopra P (kn) taglio di piano V (kn) spost. relativo dr (m) 1 3,6 427, ,27 937,20 0,013 0, ,6 427, ,26 861,42 0,014 0, ,6 427, ,24 763,87 0,017 0, ,6 427, ,23 641,53 0,019 0, ,6 427, ,22 487,75 0,023 0, ,6 263, ,21 270,07 0,024 0,063429

74 Eccentrici Materiale Carpenteria metallica Elementi per azioni verticali 178 t 43,5 kg/mq Controventi 36 t 8,8 kg/mq Totale 214 t 52,3 Kg/mq (esclusi collegamenti) Concentrici ACCIAIO STRUTTURALE IMPIEGATO Eccentrici ACCIAIO STRUTTURALE IMPIEGATO materiale resto struttura materiale controventi materiale resto struttura materiale controventi

75 Telai Rigidezza bassa (SLD vento - instablità) Specializzazione strutturale (telai diversificati-luci ridotte) Compatibilità architettonica massima Comportamento statico complesso Collegamenti onerosi Telaio spaziale Telaio perimetrale Telaio perimetrale parziale

76 Collegamenti saldati (3D) Telai - collegamenti

77 Telai - collegamenti Collegamenti bullonati (2D) Collegamenti bullonati (3D)

78 Telai zone dissipative Zone dissipative telai Classe duttilità ALTA q=u/y 5.0 u/y = Classe duttilità BASSA q = 4.0

79 Nodo Zona dissipativa = zona in prossimità dei nodi Componenti (diversa duttilità) Nodo : pannello a taglio (duttile) Nodo : piatti di continuità Collegamento : trave-pilastro (duttile) Collegamento : pilastro-pilastro Membratura : trave (duttile) Membratura : pilastro

80 Pannelli nodali Pannelli nodali Piatti di continuità Evitare concentrazioni vicino anima pilastro Ripartizione uniforme taglio sul pannello Pannello a taglio Elemento dissipativo (in serie con trave) Incrudimento sensibile Cicli plastici stabili

81 Pannelli nodali Pannelli nodali Sollecitazioni di progetto NTC 2009 considera zona non dissipativa gerarchia resistenze Mpl, Rd hb tf V wprd, Rd 1 hb tf Hh V V V wp,rd = resistenza di progetto anima Aw fy /3 0.5 M pl,rd h b t f H M pl Rd pl travi,, hb t f Sd, pilastri M pl, H h Rd b b = resistenza plastica di progetto delle travi = altezza trave = spessore flange = altezza interpiano Nota: nella circolare 2009 non c è il fattore 1.1

82 Pannelli nodali Pannelli nodali Resistenza di progetto V min ( VvbRd,, Vvp, v, Rd Rd ) V vp,rd V vb,rd = resistenza plastica = resistenza instabilità V f 3 fy y vp, Rd AVC 1 V vb, Rd VvpRd, 2 h t f w se altrimenti EC3-1-5 yk Nota: piatti di continuità obbligatori per collegamenti saldati

83 Collegamento Trave-pilastro Collegamento trave-colonna (Northridge earthquake 1994) Connessione mista (bullonatura+ saldatura) Strappi lamellari (forza ort. direzione di laminazione) Personale non qualificato / sald. In opera Saldatura inferiore interrotta Frattura indotta dal piatto di appoggio Impalcato a struttura mista

84 Collegamento Trave-pilastro Collegamento trave-colonna Collegamento sovra-resistente I collegamenti con saldature a completa penetrazione sono sovraresistenti I collegamenti bullonati o con cordoni d angolo devono soddisfare la relazione: coll R Sd 1.1 Rd Rpl, Rd Ru, Rd

85 Elemento dissipativo Zona di cerniera plastica Fattore di struttura q0 2<q0<=4 q0>4 Classe delle sezioni (elementi dissipativi) Classe 1 o 2 Classe 1

86 Stabilità laterale cerniera plastica Limitazioni Sezione a I con h/tf<40 Diagramma momenti (circa) lineare M Rd, pl Lunghezza stabile tra 2 vincoli torsionali (C ) Parametro per descrizione del diagramma dei momenti M M Rd, pl Ed,min M Ed,min Lunghezza stabile L L s s 35i z i z iz = raggio d inerzia dell ala MRd,pl = Momento plastico della cerniera MEd,min = momento sismico minimo all estremo opposto de tratto vincolato M M Rd, pl Ed,min

87 Trave indebolita (dog-bone) Trave indebolita

88 Trave indebolita Collegamento con trave indebolita M Sd W RBS M f Sd yd c W WRBS 2( h e) e a deve essere tale che la cerniera plastica non si allontani molto dal pilastro b tale da garantire una sufficiente capacità rotazionale alla cerniera plastica per assicurare la formazione del meccanismo globale. EC8 0,75 h b b f a 6 b 1 0,5 b f h

89 Collegamenti pilastri Collegamento trave-colonna (non dissipativo) M j,rd > 1.1 Rd M b,pl,rd (o saldature di I classe) M j,rd M b,pl,rd Rd = resistenza di progetto del collegamento = resistenza plastica di progetto flessionale della trave = sovraresistenza materiale Collegamento colonna fondazione (non dissipativo) M C,Rd > 1.1 Rd M c,pl,rd (N Ed ) M C,Rd M c,pl,rd N Ed Rd = resistenza di progetto del collegamento = resistenza plastica di progetto della base della colonna = sollecitazione assiale di progetto = sovraresistenza materiale

90 Cerniere plastiche alle estremità delle travi N Sd e V Sd non devono ridurre la duttilità delle travi Travi e pilastri prescrizioni generali M Ed < M pl,rd N Ed < 0.15 N pl,rd V Ed,G + V Ed,M < 0,5 V pl,rd (travi collegate ai controventi di piano) (taglio azioni verticali+taglio momenti resistenti) (travi corte e HE) q max M pl, Rd, A M pl, Rd, B A B Taglio sui pilastri V V Sd, A Sd, B L V Ed < 0,5 V pl,rd M pl, Rd, A M '' q max M pl, Rd, B

91 Sovraresitenza delle cerniere plastiche M pl,rd,i = resistenza plastica di progetto della cerniera M Ed,i = sollecitazione di progetto della cerniera (*) Edifici in acciaio - criteri di verifica i M M pl, Rd, i Ed, i Coefficiente di sovraresistenza globale (*) min i ;q Sollecitazioni di progetto elementi non dissipativi (colonne) N Ed = N Ed,G Rd N Ed,E M Ed = M Ed,G Rd M Ed,E V Ed = V Ed,G Rd V Ed,E S Ed,G = sollecitazione dovuta ai carichi verticali S Ed,E = sollecitazione dovuta al sisma = sovraresitenza materiale Rd Gerarchia resistenza locale trave-pilastro M c,pl,rd (N c,e d ) > RD M b,pl,rd RD = 1.3 / 1.1 AD / BD

92 Dimensioni in pianta: 33,8 m x 19,4 m Esempio - Telaio

93 Esempio - Telaio n. 6 piani H interpiano = 3,60 m H tot = 21,60 m

94 Esempio - Telaio Spettri di progetto (azione sismica orizzontale) Se (g) SLD SLV concentrici - q=3,2 SLV eccentrici - q=4,8 SLV telaio - q=5, T (sec)

95 Esempio Progetto Obiettivi e Problemi di Progetto: - Periodo / rigidezza paragonabile a quello degli altri esempi (~1,5 sec); - Controllo del rapporto modulo res. trave/mod. res. pilastro (GdR) - Spostamenti relativi uniformi - Limitazione della deformata shear type per ridurre effetti II ordine (ulteriore incremento pilastri) Telaio a mensola Telaio shear-type Spostamenti

96 Telaio Analisi Strutturale Sollecitazioni Carichi Gravitazionali Azioni assiali Tagli Momenti

97 Telaio Analisi Strutturale Sollecitazioni Azioni Orizzontali Azioni assiali Tagli Momenti

98 Telaio Analisi Strutturale Sollecitazioni Combinazione sismica Azioni assiali Tagli Momenti

99 Telaio Analisi Strutturale Dimensionamento HE200B HE200B HE200B HE200B HE200B 6 HE340B HE340B HE340B HE340B HE340B HE340B HE200B HE200B HE200B HE200B HE200B 5 HE340B HE340B HE340B HE340B HE340B HE340B HE280B HE280B HE280B HE280B HE280B 4 HE340M HE340M HE300B HE340M HE300B HE300B HE340M HE340M HE300B HE340M HE300B 3 Tutte le sezioni sono di classe 1 HE340M HE340M HE340M HE340M HE340M HE340M HE320B HE320B HE320B HE320B HE320B 2 HE360M HE360M HE360M HE360M HE360M HE360M HE320B HE320B HE320B HE320B HE320B 1 HE360M HE360M HE360M HE360M HE360M HE360M A B C D E F

100 Telaio Analisi Dinamica 0.3 SLV telaio q=5,2 direzione Y Modo Se (g) modo 8 T=0,29 m=6% modo 5 T=0,57 m=14,5% modo 2 T=1,51 m=74,5% Modo T (secondi) Modo 8 Modo 7 Modo 5 Modo 4 Rigidezza simile in direzione X e Y

101 Telaio Effetti II ordine EFFETTI DEL 2 ORDINE elevazione h (m) massa efficace di piano (kns 2 /m) peso totale sopra P (kn) (Nel campo a=0.2a0 bisogna prendere lo spettro reale) taglio di piano V (kn) spost. relativo dr (m) Pd r Vh 1 3,6 375, ,45 858,00 0,0142 0, ,6 375, ,80 726,00 0,0210 0, ,6 375, ,14 676,20 0,0215 0, ,6 375, ,49 572,00 0,0212 0, ,6 375, ,83 390,00 0,0242 0, ,6 242, ,18 242,80 0,0270 0, P i i 6 i V i 6 5 d i Non è possibile trascurare gli effetti del 2 ordine

102 Collegamento Trave - Colonna Es. Trave 2 C-D HE320B Telaio Verifiche HE200B HE200B HE200B HE200B HE200B 6 HE340B HE340B HE200B HE340B HE200B HE340B HE200B HE340B HE200B HE340B HE200B 5 0,8 m HE320B HE340B HE340B HE340B HE340B HE340B HE340B HE340M HE280B HE340M HE300B HE280B HE340M HE300B HE280B HE340M HE300B HE280B HE340M HE300B HE280B HE340M HE300B 4 3 x 0,8m M Sd 5 m 466,5kNm VSd 302,6kN HE340M HE340M HE340M HE340M HE340M HE340M HE360M HE320B HE360M HE320B HE360M HE320B HE360M HE320B HE360M HE320B HE360M HE320B HE320B HE320B HE320B HE320B HE360M HE360M HE360M HE360M HE360M HE360M A B C D E F 1, Resistenza unione Bulloni 24, classe 10.9 Lamiera s=15 mm Verifica unione Unione Ala (6 bulloni) Unione Anima (2 bulloni) F F Sd Sd F 0,5 f A / 141,15kN V, Rd tb Res Mb FbRd, k ftkd t / Mb 207,36kN F min( F ; F ) Rd V, Rd b, Rd M sd 1 129,8kN 0,92 h t 12 f Vsd 75,6kN 0,54 4 Tensione sulla piastra in trazione Sd 206 N / mm 2 0,58

103 Telaio Verifiche Coefficenti - Sovraresistenza Travi Travi e relativi Momenti sollecitanti Combi. U6(P-) HE200B HE200B HE200B HE200B HE200B 6 i M M pl, Rd, i Ed, i M pl,rd (knm) HE200B 66 knm HE200B 60 knm HE200B HE200B HE200B 65 knm 66 knm 67 knm HE200B HE280B HE300B 168,27 401,76 489,50 HE280B HE280B HE280B HE280B HE280B 143 knm 129 knm 126 knm 142 knm 139 knm HE320B HE320B 562,83 562,83 i HE300B 171 knm HE300B 157 knm HE300B HE300B HE300B 150 knm 171 knm 167 knm 3 5 A-B 2,55 B-C 2,80 C-D 2,59 D-E 2,55 E-F 2,51 2,51 4 2,81 3,11 3,19 2,83 2,89 2,81 HE320B HE320B HE320B HE320B HE320B 191 knm 173 knm 163 knm 185 knm 186 knm ,86 2,95 3,12 3,25 3,26 3,45 2,86 3,04 2,93 3,03 2,86 2,95 1 3,29 3,65 3,94 3,50 3,35 3,29 HE320B 171 knm HE320B 154 knm HE320B HE320B HE320B 143 knm 161 knm 168 knm 1 1 / = 1,31 A B C D E F = min { 2,51 ; 5,2 } = 2,51

104 Telaio Verifiche Verifica Nodi Dimensionamento irrigidimenti Taglio HE200B HE200B HE200B HE200B HE200B HE340B HE340B HE340B HE340B HE340B HE340B HE200B HE200B HE200B HE200B HE200B HE340B HE340B HE340B HE340B HE340B HE340B 6 5 Es. Nodo 2 E Mb,pl,Rd = 562,8 knm HE320B Nc = 263 kn Mb,pl,Rd = 562,8 knm HE320B HE340M HE340M HE360M HE360M HE280B HE340M HE280B HE340M HE280B HE340M HE280B HE340M HE280B HE340M HE300B HE340M HE300B HE340M HE300B HE340M HE300B HE340M HE300B HE340M HE320B HE360M HE320B HE360M HE320B HE360M HE320B HE360M HE320B HE360M HE320B HE320B HE320B HE320B HE320B HE360M HE360M HE360M HE360M HE360M A B C D E F Dimensioni Irrigidimento V Mpl, Rd hb tf, Rd kN hb tf H hb wp Sd A A2bt t 2r t VC f v f f y Vvp, Rd AVC kN 3 f y 2 HE320B Nc = 263 kn V V wp, Sd wp, Rd necessità di rinforzo t V vp 2380kN 6 5 A Forze assiali sui nodi B C D E F Spessore Irrigidimento Pannelli nodali A B C D E F t birr bc tf, c 28,7 cm irr V wp 1 f cos b y irr 4,78cm

105 Telaio Verifiche Se (g) Verifica SLD Spettri di progetto - SLD T (sec) Spostamenti da Combinazione D2(P-) 6 d d [cm] d 0,005h 1,8 cm r 6 d r d r [cm] Piano d [cm] 0 0,629 1,550 2,491 3,422 4,543 5,617 dr [cm] 0,629 0,921 0,941 0,931 1,121 1,073 *** Verifica SLE - Vento Spostamenti da Combinazione R4 dmax H 4,32cm d d [cm] d r h 1, 2cm 300 d r d r [cm] Piano z [m] h [m] *** d [cm] dr [cm]

106 Telaio (Dog bones) Verifiche Travi indebolite Dog bones In accordo con le indicazioni dell EC8 si assume: Posizione b 0,75 h a b f 6 Riduzione ala b1 0,5b f Piano Pilastro h p [cm] Trave b f [cm] h t [cm] t f [cm] W y,pl [cm 3 ] M y,pl [knm] b 1 [cm] z [m] M y,pl,db [knm] 6 HE340B 34.0 HE200B HE340B 34.0 HE200B HE340M 37.7 HE280B HE340M 37.7 HE300B HE360M 39.5 HE320B HE360M 39.5 HE320B Attraverso l introduzione del Dog bone si può ottenere una riduzione del momento resistente plastico di circa il 40 % di quello della sezione integra. (sezioni HE)

107 Telaio (Dog bones) Verifiche Coefficenti - Sovraresistenza Travi indebolite Travi e relativi Momenti sollecitanti Combi. U6(P-) HE200B HE200B HE200B HE200B HE200B 6 i M M pl, Rd, i Ed, i M y,pl,db [knm] HE200B 53 knm HE200B 50 knm HE200B HE200B HE200B 56 knm 56 knm 54 knm HE200B HE280B HE300B HE280B HE280B HE280B HE280B HE280B 113 knm 104 knm 104 knm 112 knm 109 knm HE320B HE320B i HE300B 133 knm HE300B 125 knm HE300B HE300B HE300B 124 knm 132 knm 130 knm 3 5 A-B 1.81 B-C 1.93 C-D 1.71 D-E 1.72 E-F HE320B HE320B HE320B HE320B HE320B 149 knm 136 knm 133 knm 143 knm 145 knm HE320B 134 knm HE320B 121 knm HE320B HE320B HE320B 117 knm 124 knm 131 knm / = 1, A B C D E F = min { 1,71 ; 5,2 } = 1,71

108 Telai Materiale Telai Carpenteria metallica ACCIAIO STRUTTURALE IMPIEGATO El. non Sismoresistenti 125 t 31,8 kg/m 2 Telai Sismoresistenti 155 t 39,4 kg/m 2 materiale elementi non Sismoresistenti materiale elementi Sismoresistenti Tot (esclusi collegamenti) 280 t 71,2 kg/m 2 Concentrici ACCIAIO STRUTTURALE IMPIEGATO Eccentrici ACCIAIO STRUTTURALE IMPIEGATO materiale resto struttura materiale controventi materiale resto struttura materiale controventi

109 Costruire in acciaio la risposta antisismica sicura Modena, luglio 2012 Soluzioni antisismiche in acciaio per edifici industriali e civili Prof. Ing. Andrea Dall Asta Università di Camerino Scuola di Architettura e Design andrea.dallasta@unicam.it