«PROGETTARE EDIFICI IN ZONA SISMICA» PROGETTARE LE STRUTTURE CORSO DI AGGIORNAMENTO PROFESSIONALE

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1 Ordine degli Architetti della Provincia di Varese 30 SETTEMBRE 2016 MODULO M3 CORSO DI AGGIORNAMENTO PROFESSIONALE «PROGETTARE EDIFICI IN ZONA SISMICA» PROGETTARE LE STRUTTURE Ipogea Associati Torino LE AZIONI SULLE COSTRUZIONI 2/86 1

2 Ordine degli Architetti della Provincia di Varese Modulo M3 LE AZIONI Carichi permanenti, carichi variabili, valori «caratteristici» Neve e fotovoltaico su coperture 3/86 LE AZIONI Vento Autorimessa Folla su ponte AZIONE causa o insieme di cause capace di indurre effetti (stati limite) in una struttura 4/86 2

3 LE AZIONI Classificazione in base al modo di esplicarsi DIRETTE Carichi concentrati o distribuiti Azioni sismiche CARICHI INDIRETTE Distorsioni Variazioni termiche Cedimenti Fessurazioni DEFORMAZIONI IMPRESSE 5/86 LE AZIONI Classificazione in base alla variazione dell intensità e della durata nel tempo con riferimento alla vita nominale dell opera PERMANENTI G VARIABILI Q Strutturali G 1 Non strutturali G 2 Antropici Naturali Esplosioni ECCEZIONALI A Incendi Urti SISMICHE E Terremoti 6/86 3

4 LE AZIONI PERMANENTI G Pressochè costanti nel tempo VARIABILI Q Intensità variabile nel tempo ECCEZIONALI A Effetti «puntuali» nel tempo 7/86 NTC2008 Cap Servono per il calcolo dei pesi propri strutturali e non strutturali I CARICHI PERMANENTI G 8/86 4

5 I CARICHI PERMANENTI G Peso totale distribuito sulla lunghezza dell elemento g 1 0,50m Peso unitario trave in calcestruzzo armato (0,2x0,5) m 0,20m 9/86 ANALISI DEI CARICHI - ESEMPIO Calcolare i carichi relativi ad un solaio interpiano con balcone Parte esterna DEST. D USO: Balcone Parte interna DEST. D USO: Civile abitazione 10/86 5

6 ESEMPIO PESO PROPRIO STRUTTURALE G 1 SOLAIO INTERNO Valori relativi ad una fascia di solaio larga 1m Strato h [m] CARICHI PERMANENTI STRUTTURALI b [m] Peso unitario [kn/m 3 ] Peso [kn/m] Travetti 0,16 2 x 0, ,16 x 0,2 x 25 = 0,8 Cappa 0, ,04 x 1 x 25 = 1,0 Pignatte 0,16 2 x 0,4 5,5 0,16 x 0,8 x 5,5 = 0,7 Con cappa da 5 cm: 0,05x25 = 1,25 TOTALE g 1 (kn/m) 2,5 g 1 = 2,75 kn/m Stima approssimata: 0,13 kn/m per cm di altezza di solaio 11/86 CARICHI PERMANENTI G Carichi permanenti NON STRUTTURALI G 2 G 2 G 1 Sottofondi Massetti Finiture Tramezzi divisori NTC2008 Cap peso proprio a m di elementi divisori interni trasformato in un carico permanente portato g 2 uniformemente distribuito su tutto il solaio 12/86 6

7 ESEMPIO - CARICHI PERMANENTI PORTATI g 2 TRAMEZZO INTERNO spessore 10 cm Strato CARICHI PERMANENTI NON STRUTTURALI s [m] H [m] P. specifico [kn/m 3 ] Peso [kn/m] Intonaco civile 0,02x2 2, x 0,02 x 2,7 x 20 = 2,16 Muratura in mattoni forati 0,06 2,7 11 0,06 x 2,7 x 11 = 1,78 TOTALE g 2 (kn/m) 3,94 Per elementi divisori con 3 < G 2 4 kn/m g 2 = 1,60 kn/m 2 uniformemente ripartito sulla superficie del solaio Laterizio da 8 cm (tramezzo da 12 cm) G 2 = 4,54 kn/m di conseguenza g 2 = 2,0 kn/m 2 Per le murature perimetrali considerare G 2 = 8,0 kn/m 13/86 ESEMPIO: PESO PROPRIO NON STRUTTURALE G 2 SOLAIO INTERNO Valori relativi ad una fascia di solaio larga e lunga 1m Strato CARICHI PERMANENTI NON STRUTTURALI h [m] b [m] Peso unitario [kn/m 3 ] Peso [kn/m] Massetto 0,04 1,0 19 0,04 x 1 x 19 = 0,76 Pavimento 0,02 1,0 20 0,02 x 1 x 20 = 0,40 Intonaco 0,015 1,0 20 0,015 x 1 x 20 = 0,30 Murature ripartite 1,60 TOTALE g 2 (kn/m) 3,06 g 1 + g 2 = 2,75 + 3,06 = 5,81 kn/m 2 6,0 kn/m 2 14/86 7

8 ESEMPIO: PESO PROPRIO E PERMANENTE PORTATO SOLAIO BALCONE Valori relativi ad una fascia di solaio larga 1m Strato CARICHI PERMANENTI STRUTTURALI G 1 h med [m] L [m] Peso unitario [kn/m 3 ] Peso [kn/m] Soletta 0, ,16 x 1 x 25 = 4,0 TOTALE g 1 4,0 Strato CARICHI PERMANENTI NON STRUTTURALI G 2 h [m] L [m] Peso unitario [kn/m 3 ] Peso unitario [kn/m 2 ] Peso [kn/m] Massetto 0, ,04 x 1 x 19 = 0,76 Pavimento 0, ,02 x 1 x 20 = 0,40 Impermeab. 1 0,3 1 x 0,3 = 0,30 Intonaco 0, ,015 x 1 x 20 = 0,30 TOTALE g 2 1,76 15/86 I CARICHI VARIABILI Q Carichi «antropici» Ufficio In base alla destinazione d uso dell opera Edificio residenziale Ospedale Parcheggio Sottotetto 16/86 8

9 I CARICHI VARIABILI Q Carichi verticali uniformemente distribuiti q k Carichi verticali concentrati Q k Carichi orizzontali lineari H k NTC2008 Cap /86 I CARICHI VARIABILI Q Carichi verticali uniformemente distribuiti q k Carichi verticali concentrati Q k Carichi orizzontali lineari H k NTC2008 Cap /86 9

10 NEVE LE «AZIONI» VARIABILI Q Azioni non controllate dall uomo VENTO Verticale Uniformemente ripartito Variabile nel tempo e nello spazio Sostanzialmente orizzontale, genera pressioni e depressioni Variabile nel tempo e nello spazio 19/86 IL CARICO NEVE z [KN/m 2 ] y NTC2008 Cap 3.4 x 20/86 10

11 IL CARICO NEVE q sk CARICO NEVE AL SUOLO VARESE LOCALITA ALTITUDINE ZONE DI CARICO DA NEVE Per a s 200m Zona I Alpina Zona I Mediterranea Zona II Zona III VARESE ZONA I - MEDITERRANEA a s = 382 m s.l.m. q sk = 1,89 kn/m 2 21/86 IL CARICO NEVE C E COEFFICIENTE DI ESPOSIZIONE (RIMOZIONE DOVUTA AL VENTO) CLASSI DI TOPOGRAFIA specifiche della zona dove sorge l opera VARESE TOPOGRAFIA «NORMALE» C E = 1 [-] C t COEFFICIENTE TERMICO SCIOGLIMENTO NEVE ISOLAMENTO TERMICO C t = 1 [-] 22/86 11

12 IL CARICO NEVE μ i COEFFICIENTE DI FORMA q s α Per coperture a 1 o 2 falde GEOMETRIA DELLA COPERTURA DISPOSIZIONE DEL CARICO NEVE Se α = 20, Se α = 45, Se α = 60, μ = 0,8 [-] μ = 0,4 [-] μ = 0 [-] q s CARICO NEVE (Varese copertura a due falde α = 20 ) 23/86 CALCOLO DEL CARICO NEVE VARESE 24/86 12

13 LA PRESSIONE DEL VENTO Il vento investe la facciata dell edificio DEPRESSIONE PRESSIONE Il corpo arresta il moto delle particelle d aria EFFETTO DEL VENTO dipende da LOCALITA POSIZIONE FORMA STRUTTURA 25/86 IL VENTO NTC2008 Cap /86 13

14 LA PRESSIONE DEL VENTO q b PRESSIONE CINETICA DI RIFERIMENTO DENSITA DELL ARIA ρ = 1,25 kg/m 3 VELOCITA DI RIFERIMENTO [m/s] VARESE v b = v b,0 se a s a 0 v b = v b,0 + k a (a s a 0 ) se a 0 < a s 1500m VARESE ZONA 1 a s = 382m s.l.m v b = v b,0 = 25 m/s a 0 = 1000 m k a = 0,010 1/s 27/86 LA PRESSIONE DEL VENTO c e COEFFICIENTE DI ESPOSIZIONE ALTEZZA DELL EDIFICIO [m] TOPOGRAFIA DEL TERRENO C t = 1 [-] CATEGORIA DI ESPOSIZIONE DEL SITO (I.V) VARESE ZONA 1, a s = 382m s.l.m A..D Classe di rugosità del terreno Classe V (K r = 0,23, z 0 = 0,70 m, z min = 12 m) 28/86 14

15 Ordine degli Architetti della Provincia di Varese Modulo M3 LA PRESSIONE DEL VENTO LE CLASSI DI RUGOSITA VARESE A Aree urbane (edifici con hmedia > 15m B Aree urbane, suburbane, industriali D C Aree con ostacoli diffusi (alberi, case, muri ) Aree prive di ostacoli diffusi (campagna, aeroporti ) 29/86 LA PRESSIONE DEL VENTO ce COEFFICIENTE DI ESPOSIZIONE Andamento di ce in funzione della quota z del colmo del fabbricato e delle Categorie di esposizione 30/86 15

16 LA PRESSIONE DEL VENTO c p COEFFICIENTE DI FORMA Orientamento Geometria c p Tipologia + PRESSIONE - DEPRESSIONE - - VENTO + - c p = 0,8 + 0,4 = 1,2 c d COEFFICIENTE DINAMICO EDIFICI DI FORMA REGOLARE (h max =80m) CAPANNONI INDUSTRIALI c d = 1 31/86 CALCOLO DELLA PRESSIONE DEL VENTO 32/86 16

17 LA «COMBINAZIONE» DELLE AZIONI ANALISI DEI CARICHI Combinazione fondamentale (SLU) Individuare le condizioni di carico più gravose per gli elementi strutturali F d = γ G1 G 1 + γ G2 G 2 + γ P P + γ Q1 Q k1 + γ Q2 Ψ 02 Q k2 + γ Q3 Ψ 03 Q k3 + Precompressione Azione variabile «dominante» Azioni variabili che possono agire contemporaneamente a quella dominante γ g, q Ψ 0j Coefficienti parziali di sicurezza (NTC ): tengono conto della probabilità di avere intensità maggiori dei valori «caratteristici» e delle incertezze del modello per il calcolo delle sollecitazioni Coefficienti di combinazione (NTC ): tengono conto della ridotta probabilità che più azioni variabili agiscano contemporaneamente con i loro valori «caratteristici» 33/86 LA COMBINAZIONE DELLE AZIONI Coefficienti parziali di sicurezza Coefficienti di combinazione 34/86 17

18 LA COMBINAZIONE DELLE AZIONI Combinazione rara (SLE irreversibili) F d = G 1 + G 2 + P + Q k1 + Ψ 02 Q k2 + Ψ 03 Q k3 + Combinazione frequente (SLE reversibili) F d = G 1 + G 2 + P + Ψ 11 Q k1 + Ψ 22 Q k2 + Ψ 23 Q k3 + Combinazione quasi permanente (SLE effetti a lungo termine) F d = G 1 + G 2 + P + Ψ 21 Q k1 + Ψ 22 Q k2 + Ψ 23 Q k3 + Combinazione sismica (SLU e SLE) F d = E + G 1 + G 2 + P + Ψ 21 Q k1 + Ψ 22 Q k2 + Combinazione eccezionale (SLU) F d = G 1 + G 2 + P + A d + Ψ 21 Q k1 + Ψ 22 Q k2 + 35/86 CARICHI VARIABILI «CARATTERISTICI» q K SOLAIO INTERPIANO CARICHI DI ESERCIZIO SOLAIO INTERNO CAT. A q k = 2 kn/m 2 SOLAIO BALCONE CAT. C2 q k = 4 kn/m 2 36/86 18

19 ANALISI DEI CARICHI - ESEMPIO RICAPITOLANDO SOLAIO INTERMEDIO INTERNO ALL EDIFICIO Carichi permanenti Nome Valore [kn/m] Permanenti strutturali e non strutturali g 2,50 Permanente non G 2 1,46 Tramezzi g 2 1,60 TOTALE G sol 5,56 Carichi variabili Nome Valore [kn/m] Cat. A Ambienti ad uso residenziale q k,sol 2,0 SOLAIO INTERMEDIO BALCONE Carichi permanenti Nome Valore [kn/m] Permanente G 1 4,0 Permanente non G 2 1,76 TOTALE G balc 5,76 Carichi variabili Nome Valore [kn/m] Cat. C2 Balconi q k,balc 4,0 37/86 LA DISPOSIZIONE DEI CARICHI VARIABILI G balc q k,sol G sol A B C Fd = γg1 G1 + γg2 G2 + γq1 Qk1 CAMPATA 1 F d1 = 1,0 x 4 = 4 kn/m CAMPATA 2 F d1 = 1,3 x 2,5 + 1,3x3,06 + 1,5x2 = 10,2 kn/m CAMPATA 3 F d1 = 1,3x2,5 + 1,3x3,06 = 7,2 kn/m 38/86 19

20 I DIAGRAMMI DI «INVILUPPO» DELLE SOLLECITAZIONI A B C M max - M max + «INVILUPPO» DEI DIAGRAMMI DI MOMENTO T max + T max - «INVILUPPO» DEI DIAGRAMMI DI TAGLIO 39/86 IL «CONCEPTUAL DESIGN» DEGLI EDIFICI 40/86 20

21 IL «CONCEPTUAL DESIGN» CONCEPTUAL DESIGN Fase che «precede» il progetto Scelte preliminari architettoniche strutturali economiche sociali Valutazione delle alternative PREDIMENSIONAMENTO DELLA GEOMETRIA DEGLI ELEMENTI PRINCIPALI IN BASE AGLI «STATI LIMITE» DI RIFERIMENTO 41/86 «CONCEPTUAL DESIGN»? 42/86 21

22 I PRINCIPI GUIDA DEL PROGETTO - semplicità (percorsi delle forze chiari e individuabili); - uniformità, simmetria (di massa e rigidezza) - iperstaticità; - azioni membranali a livello dei piani (piano rigido); - resistenza e rigidezza bidirezionali e torsionali; - strutture di fondazione adeguate. 43/86 PIANTA FILI FISSI Tracciamento del contorno esterno degli elementi resistenti 44/86 22

23 REGOLARITA IN PIANTA (EC8) Tracciamento poligono convesso: rientranze < 5% 16,3/469x100 = 3,5% 45/86 REGOLARITA IN PIANTA (EC8) Poligono convesso con rientranze > 5% 241/750 x 100 = 32% 46/86 23

24 REGOLARITA IN PIANTA (EC8) 208 m m m 2 Poligono convesso con rientranze > 5% 192/2079 x 100 = 9,2% 208/2079 x 100 = 10% 47/86 REGOLARITA IN PIANTA (EC8) 1976m 2 39 m m 2 Giunto Poligono convesso con rientranze < 5% 39/1103 x 100 = 3,5% 48/86 24

25 IL «PERCORSO» DEI CARICHI VERTICALI CARICHI LEGATI ALLA GRAVITA CHE «FLUISCONO» NELLA STRUTTURA FINO AD ARRIVARE ALLE FONDAZIONI OVE TROVANO L EQUILIBRIO 49/86 IL «PERCORSO» DEI CARICHI VERTICALI CARICHI LEGATI ALLA GRAVITA CHE «FLUISCONO» NELLA STRUTTURA FINO AD ARRIVARE ALLE FONDAZIONI OVE TROVANO L EQUILIBRIO. La struttura fa da «intermediario» tra carichi e vincoli 50/86 25

26 PREDIMENSIONAMENTO DI FONDAZIONI, SOLAI, TRAVI E PILASTRI 51/86 TIPOLOGIE DI FONDAZIONE F σ tamm F [kn] = V [m 3 ] A F A [m 2 ] σ t,amm = «Tensione «ammissibile» sul terreno A F = area complessiva di base delle fondazioni PLINTO A F < 1 3 A TRAVE ROVESCIA 1 3 A < A F < 2 3 A PLATEA A F > 2 3 A PALI Per portare i carichi o per limitare i cedimenti 52/86 26

27 I SOLAI LA «SNELLEZZA» L/h 53/86 SOLAI: LIMITARE LE INFLESSIONI FORMA DELLA SEZIONE INFLESSA SCHEMA STATICO EFFETTO DELLA «VISCOSITA» (CLS, LEGNO) EC2 Cap DEFORMAZIONE LIMITE L/500 ovvero L/250 ASPETTO ESTETICO FUNZIONALITA 54/86 27

28 SOLAI: LIMITARE LE INFLESSIONI 1. FORMA DELLA SEZIONE 2. USO DI ALLEGGERIMENTI 3. GRADO DI VINCOLO («SCHEMA STATICO») 55/86 DIMENSIONAMENTO ALTEZZA SOLAI FRECCIA LIMITE Condizione PIU SEVERA di quanto previsto dalla norma, a favore di sicurezza l eff = lunghezza «efficace» (asse asse travi) di una nervatura SCHEMA STATICO EC2 Cap l n = lunghezza «normalizzata» di ogni campo di solaio k «normalizza» i diversi schemi statici a un unico schema di riferimento «trave» semplicemente appoggiata 56/86 28

29 COS E IL COEFFICIENTE k? L M L A M A Per geometria e carico q assegnati, una mensola di l = 2 m si assume abbia la stessa massima inflessione di una trave appoggiata di l/k = (2/0,57) = 3,52 m 57/86 DIMENSIONAMENTO ALTEZZA SOLAI EC2 Cap /86 29

30 DIMENSIONAMENTO ALTEZZA SOLAI IPOTESI Tipologia univoca (a T, a piastra ecc.) Carichi identici G 1, G 2 e Q k Unico spessore (altezza h) l ALTEZZA (lo spessore ) dipende dalla geometria di quella campata per la quale risulta massima la lunghezza normalizzata 59/86 EFFETTO DELLA CONTINUITA STRUTTURALE l 1 l 2 l 3 l 4 K = 1,5 K = 1,5 K = 1,3 l 1 = l 2 = l 3 NO! l n1 = l n2 = l n3 SI 60/86 30

31 DIMENSIONAMENTO ALTEZZA SOLAI DM 16/1/96 Tipologia (sezione dunque J) Carichi G 1, G 2 e Q k VARIANO DA ZONA A ZONA DI SOLAIO COSA FARE?? 61/86 SOLUZIONE PER l eff 7 m k = 1,0 k = 0,4 SOLAI MONODIREZIONALI CONTINUI 1) Rendere simili le lunghezze l n 2) Usare il «numere indice» specifico k = 1,3 k = 1,5 l max PIASTRE NON NERVATE (l max / l min 2) k = 1,2 62/86 31

32 DIMENSIONAMENTO SPESSORE SOLAI 6,7 m 6,7 m 4,8 m 63/86 I SOLAI DA ROSSI DIVENTANO N101 CTE K = 1,3 h = 18 cm N102 N103 CTE CTE K = 1,3 K = 1,3 N104 CTE K = 1,3 N105 CTE K = 1,3 N107 CTE N106 K = 1,3 APP K = 1,0 N108 CTE K = 1,3 N110 CTE N109 K = 1,3 APP K = 1,0 CAMPATA l eff [m] SCHEMA STATICO k l n [m] h [m] N CTE N CTE N CTE N CTE N CTE N APP N CTE N CTE N APP N CTE /86 32

33 VERDI, AUMENTANDO LO SPESSORE h h = 22 cm 65/86 LIMTIAZIONI GEOMETRICHE NTC 2008 PILASTRI TRAVI TRAVI IN SPESSORE h C h 0,5h b c 0,5h h b C b C,h C 25 cm b b b = min (2b c ; b c +h) h = 80 b = 20 cm h = 60 b = 20 cm b c = 30 > 25 cm h = 32 cm b = min(60, 62) = 60 cm 66/86 33

34 LIMTIAZIONI GEOMETRICHE NTC 2008 h C b C e 67/86 LA RIPARTIZIONE DEI CARICHI IL CASO DEL SOLAIO 1m Carico distribuito su area di larghezza pari a 1m Carico distribuito a metro lineare sulla trave 1m Carico concentrato sul pilastro 68/86 34

35 EFFETTO DELLA CONTINUITA STRUTTURALE l 1 l 2 TRAVE CONTINUA 2 CAMPATE T TRAVE CONTINUA l 1 l 2 l 3 l 4 l 5 5 CAMPATE T 69/86 EFFETTO DELLA CONTINUITA STRUTTURALE q l l T T T 0,375l 0,625l 0,375ql 0,625l 0,375l 1,25ql 0,375ql Prima e ultima campata: 0,4l a sinistra e 0,6l a destra Campate interne: 0,5l a sinistra e a destra 70/86 35

36 EFFETTO DELLA CONTINUITA STRUTTURALE Punti di taglio nulli 71/86 EFFETTO DELLA CONTINUITA STRUTTURALE Prima e ultima campata: 40% della lunghezza teorica della campata Campate interne: 50% della somma delle lunghezze teoriche delle due campate adiacenti 72/86 36

37 EFFETTO DELLA CONTINUITA STRUTTURALE CD «B» column, pilastro R = resistance, resistenza d = design, progetto NTC2008 c = concrete, calcestruzzo d = design, progetto Individuata «l area di influenza» A in di un pilastro a un singolo piano, se n è il numero di piani: 1,3+1,5x0,33 N Rd = N Sd 73/86 EFFETTO DELLA CONTINUITA STRUTTURALE NTC2008 ESEMPIO n = 5 piani R (0,3x0,4), R (0,25x0,5), 74/86 37

38 EFFETTO DELLA CONTINUITA STRUTTURALE NTC /86 SETTI E PARETI NTC 2008 h h 4b b b H 76/86 38

39 Ordine degli Architetti della Provincia di Varese Modulo M3 LA REGOLARITA STRUTTURALE 77/86 ANALISI CRITICA DELLA GEOMETRIA LA MANCATA REGOLARITA Meccanismo di collasso: Piano debole 2003 BOUMERDES 78/86 39

40 Ordine degli Architetti della Provincia di Varese Modulo M3 ANALISI CRITICA DELLA GEOMETRIA LA MANCATA REGOLARITA Meccanismo di collasso: Piano debole Terremoto del L Aquila 6 aprile /86 ANALISI CRITICA DELLA GEOMETRIA NTC2008 Cap REGOLARITA IN PIANTA IN ALTEZZA Forma regolare e compatta (L/B < 4) Sistemi resistenti verticali per tutta l altezza dell edificio Simmetria di masse e rigidezze Eccentricità CR e CM limitate Massa e rigidezza costanti o variabili gradualmente in altezza Sporti limitati (dimensione < 25% della dimensione totale nella stessa direzione) Rapporti tra resistenza effettiva e resistenza richiesta vicini all unità Piano «infinitamente» rigido Restringimenti graduali della sezione verticale 80/86 40

41 ANALISI CRITICA DELLA GEOMETRIA REGOLARITA IN ALTEZZA Meccanismo di collasso: Piano debole 81/86 ANALISI CRITICA DELLA GEOMETRIA Il «piano debole» Olive View Hospital, San Fernando (1971) 82/86 41

42 ANALISI CRITICA DELLA GEOMETRIA REGOLARITA IN ALTEZZA 83/86 ANALISI CRITICA DELLA GEOMETRIA REGOLARITA IN ALTEZZA 84/86 42

43 ANALISI CRITICA DELLA GEOMETRIA REGOLARITA CHE MANCA 85/86 Ordine degli Architetti della Provincia di Varese 30 SETTEMBRE 2016 MODULO M3 CORSO DI AGGIORNAMENTO PROFESSIONALE «PROGETTARE EDIFICI IN ZONA SISMICA» PROGETTARE LE STRUTTURE Ipogea Associati Torino 43