Concezione strutturale degli edifici in zona sismica

Laboratorio di progettazione strutturale A.A. 2009/2010 Concezione strutturale degli edifici in zona sismica Prof. Ing. Andrea Dall Asta Università di Camerino Dipartimento di PROgettazione e Costruzione dell Ambiente e-mail:andrea.dallasta@unicam.it

Progettazione sismica degli edifici in c.a. Concezione strutturale - Sistemi resistenti verticali - Regolarità in altezza - Rigidezza/Resistenza di piano - Regolarità in pianta - Giunti - Elementi strutturali secondari (scale) - Elementi non strutturali sicurezza - Elementi non strutturali - interazione

Concezione strutturale Sistemi sismoresistenti I sistemi strutturali più adatti a sopportare l azione sismica sono quei sistemi in grado di conferire alla struttura rigidezza nei confronti degli spostamenti orizzontali e la possibilità di sviluppare meccanismi dissipativi in un gran numero di elementi. a)telai resistenti a momento (str. in c.a.) b)telai con controventi concentrici (str. in acc.) c)telai con controventi eccentrici (str. in acc.) d)telai con controventi eccentrici (str. in acc.) e)sistemi telaio parete (str. in c.a. e acc.) f)sistemi a pareti accoppiate (str. in c.a. e acc.) 3

Comportamento elastico situazioni limite Concezione strutturale Telai resistenti a momento Telaio a mensola Telaio shear-type Spostamenti 4

Concezione strutturale Telai controventati I telai controventati sono comunemente impiegati nelle strutture in acciaio dove i telai resistenti a momento risultano economicamente svantaggiosi. Essenzialmente questo tipo di telaio tende a comportarsi come una struttura reticolare con elementi prevalentemente tesi e compressi. L energia può essere dissipate solo negli elementi di controventamento che però dovranno essere dimensionati per non instabilizzarsi. Le strutture con controventi eccentrici rappresentano un compromesso tra i telai resistenti a momento ed i telai controventati concentricamente. Tali strutture risultano avere una buona rigidezza e consentono la dissipazione di una notevole quantità di energia nei tratti di trave compresi tra i controventi e le colonne (links) per la formazione di meccanismi taglianti e/o per la formazione di cerniere plastiche rotazionali 5

Concezione strutturale Pareti singole o accoppiate Il sistema a pareti singole o accoppiate è caratterizzato da un comportamento a mensola. Le pareti sono soggette a forti momenti di incastro al piede oltre che da forze di compressione dovute ai carichi verticali. Costituiscono elementi molto rigidi ma normalmente non danno la possibilità di dissipare molta energia in quanto è evidente che potrà formarsi una zona di dissipazione solo in corrispondenza dell incastro al piede. Possono essere anche accoppiate con travi di collegamento che devono essere attentamente progettate per evitare fenomeni di rottura fragile di taglio. 6

Concezione strutturale Sistemi telaio parete Traggono vantaggio mutuamente dalle caratteristiche di rigidezza della parete e dalle caratteristiche dissipative del telaio. Il loro accoppiamento tende a regolarizzare la formazione dei meccanismi dissipativi del telaio ma può nascondere insidie nella formazione di una zona di dissipazione con scarsa capacità deformativa al piede della parete. 7

Concezione strutturale Semplicità strutturale I percorsi attraverso cui la struttura scarica le forze alle fondazioni devono essere chiari e diretti. In tal modo, tutte le operazioni finalizzate alla progettazione dell edificio, dalla modellazione alla verifica degli elementi strutturali risulta soggetta a minori incertezze. Edificio dotato di semplicità strutturale travi Edificio con comportamento strutturale poco chiaro travi 8

Concezione strutturale Uniformità, simmetria e ridondanza L iperstaticità è un requisito fondamentale affinché si possa parlare di strutture duttili. Le strutture isostatiche esibiscono comportamenti fragili nel senso che, una volta raggiunti i limiti di resistenza di uno solo degli elementi strutturali, la costruzione si trasforma in un cinematismo. Le strutture in c.a. sono fortemente iperstatiche mentre le strutture in acciaio, progettate secondo logiche di ottimizzazione spinta, possono risultare poco ridondanti e, per questo, meno duttili. 9

Concezione strutturale Regolarità in altezza Gli elementi strutturali devono essere distribuiti uniformemente anche in altezza per evitare la concentrazione di sforzi in zone dove è normalmente richiesta un alta capacità deformativa (duttilità). 11

Concezione strutturale Regolarità in altezza La presenza di pareti che non si estendono a tutt altezza può creare rotture localizzate a livello di piano o nelle colonne in cui tendono a concentrarsi gli sforzi di compressione. Tali sforzi tendono a ridurre la capacità rotazionale delle cerniere che tenderebbero a formarsi agli estremi delle colonne del piano soffice. 12

Concezione strutturale Regolarità in altezza (DM2008) Regolarità in altezza 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, (limiti definiti); g) strutture intelaiate in CD B il rapporto tra resistenza effettiva e resistenza richiesta dal calcolo non è significativamente diverso per orizzontamenti diversi (limiti definiti); h) i restringimenti della sezione orizzontale della costruzione avvengono in modo graduale da un orizzontamento al successivo (limiti definiti) Elementi verticali non continui Bruschi cambiamenti di rigidezza e massa 13

Concezione strutturale Comportamento a diaframma degli impalcati di piano Gli impalcati di piano rigidi consentono una più efficiente distribuzione delle forza sismiche agli elementi resistenti. Gli impalcati devono possedere requisiti di rigidezza, resistenza ed essere efficacemente collegati alla struttura resistente. Nel caso di elementi notevolmente allungati o articolati può essere necessario realizzare giunti sismici in modo da dividere gli edifici in unità in cui l ipotesi di rigidezza a diaframma sia verificata. Particolare attenzione deve essere posta nel caso in cui gli elementi controventanti siano costituiti da elementi di rigidezza molto diversa, come nel caso di telai accoppiati a pareti di taglio e/o nuclei ascensori, o nel caso di cambi di rigidezza di elementi controventanti sopra e sotto all impalcato. Edifici con piante eccessivamente articolata Edifici con pianta regolare 15

Concezione strutturale Regolarità in pianta Gli elementi di controvento dovranno essere armonizzati nella struttura osservando regole di regolarità. Durante il sisma, la struttura risulta soggetta a forze di inerzia che si possono ritenere applicate in corrispondenza del centro delle masse (se il piano è rigido a diaframma). La presenza di elementi di controvento con rigidezze traslazionali molto diverse provoca un accoppiamento torsionale del sistema. Ciò penalizza le colonne più centrifugate che possono cernierizzarsi. A seguito di ciò, l accoppiamento torsionale tende ad accentuarsi ulteriormente. 17

Concezione strutturale Regolarità in pianta La struttura deve essere concepita in modo da avere la coincidenza tra centro delle masse e centro delle rigidezze (disaccoppiamento torsionale). La simmetria strutturale va perseguita nei casi in cui si abbia simmetria formale dell edificio. Gli elementi irrigidenti devono essere disposti in pianta per assicurare circa la stessa rigidezza nelle due direzioni. Occorrerebbe fare attenzione a realizzare anche la coincidenza tra centro delle masse e centro delle resistenze in quanto, una volta che la struttura è entrata in campo anelastico, potrebbe subire fenomeni di accoppiamento torsionale dovuti alla non uniforme distribuzione delle resistenze in pianta. 18

Concezione strutturale Resistenza e rigidezza bidirezionali È importante che la struttura possieda caratteristiche di rigidezza e resistenza simili nelle due direzioni. Il sisma può infatti investire la struttura con scuotimenti aventi direzione qualsiasi. La rigidezza della struttura ne limita gli spostamenti evitando danneggiamenti degli elementi non strutturali per sismi di bassa intensità e limitando gli effetti del secondo ordine. 19

Concezione strutturale Resistenza e rigidezza torsionale La resistenza e la rigidezza nei confronti di moti di piano torsionali, garantiscono il buon comportamento della struttura nei confronti delle eccentricità accidentali delle masse. Gli elementi di controventamento devono essere perciò disposti perimetralmente e con direzione ortogonale alla congiungente con il centro delle rigidezze. 20

Concezione strutturale Uniformità, simmetria e ridondanza in pianta Gli elementi strutturali devono essere distribuiti uniformemente nella costruzione. L uniformità degli elementi strutturali in pianta comporta una più diretta trasmissione delle forze di inerzia che risultano distribuite sugli impalcati. Ciò riduce gli sforzi negli orizzontamenti che altrimenti dovrebbero essere adeguatamente irrobustiti. I meccanismi dissipativi che si formano tendono ad interessare tutta le struttura risultando così più efficienti. In taluni casi si può ricorrere alla creazione di giunti sismici in modo da avere unità dinamiche con struttura uniforme. Si riduce inoltre l eccentricità tra il baricentro ed il centro di rigidezza di piano 21

Progettazione sismica Comportamento dissipativo (7.2) - Regolarità in pianta (DM 2008) a) la configurazione in pianta di masse e rigidezze è compatta e approssimativamente simmetrica rispetto a due direzioni ortogonali,; b) Costruzione inscrivibile in un rettangolo con rapporto tra i lati < 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.

55x24 55x24 55x24 55x24 Edificio con travi emergenti perimetrali e a spessore interne Applicazione Carpenteria piano tipo Sezione trasversale 55x24 55x24 55x24 55x24 55x24 55x24 Pilastri: 30x70 (1 2 3 elevaz.), 30x60 (4 5 elevaz.), 30x50 (6 elevaz.)

altezza edificio (m) altezza edificio (m) 18,6 15,5 12,4 9,3 6,2 3,1 0 SPOSTAMENTI ASSOLUTI DIR. X 10,97 % 6,52 % 4,90 % 4,05 % 4,09 % 2,67 % 0 1,55 3,1 4,65 6,2 7,75 9,3 spostamenti (cm) Elementi strutturali secondari Telai con travi a spessore K 15% travi attive travi pendolari 18,6 15,5 12,4 9,3 6,2 3,1 0 SPOSTAMENTI ASSOLUTI DIR. Y 2,86 % 4,11 % 0 1,55 3,1 4,65 6,2 7,75 9,3 travi attive 4,11 % spostamenti (cm) 6,07 % 4,77 % travi pendolari 9,30 % CD A I telai con travi a spessore possono essere considerati elementi secondari

Progettazione sismica degli edifici in c.a. Concezione strutturale - Sistemi resistenti verticali - Regolarità in altezza - Rigidezza/Resistenza di piano - Regolarità in pianta - Giunti e collegamenti - Elementi strutturali secondari (scale) - Elementi non strutturali sicurezza - Elementi non strutturali - interazione

Strutture c.a. Danni Esecuzione scorretta giunti inadeguati

Strutture c.a. Danni collegamenti inadeguati

Concezione strutturale Uniformità, simmetria e ridondanza Occorre porre attenzione anche alla collocazione dei vani scala all interno dell edificio in quanto costituiscono elementi notevolmente rigidi nei confronti delle traslazioni di piano. La loro posizione fortemente eccentrica può creare accoppiamenti torsionali pericolosi. 31

Elementi strutturali secondari Tipologie di scala Scala con trave interpiano Scala con pilastrini

Elementi strutturali secondari Scala con trave interpiano 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 13,94% 15,56% 18,25% 16,92% 19,82% 22,78% 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 scala no scala K K NS K K S S 100 K S = rigidezza modello con scala K NS = rigidezza modello senza scala La scala non può essere considerata elemento strutturale secondario

Elementi strutturali secondari Scala con pilastrini e travi a spessore 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 12,85% 10,90% 9,93% 9,07% 8,17% 6,41% 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 completo senza scala e travi a spessore disattivate K NS KS K 100 KS K S = rigidezza modello completo K NS = rigidezza modello senza scala e con travi non attive Scala con pilastrini e travi a spessore sono elementi secondari

Progettazione sismica Comportamento dissipativo (7.2) - Elementi non strutturali

Deformabilità eccessiva Danneggiamento degli elementi non strutturali

Danneggiamento degli elementi non strutturali Esecuzione scorretta pannelli non confinati

Esecuzione scorretta pannelli non confinati e non collegati Strutture c.a. Danni

Progettazione sismica Comportamento dissipativo (7.2) - Elementi non strutturali - Azione sismica di progetto F a SaW q a a S a S 3(1 Z / H ) 1 (1 T / T a 2 1 ) 0.5 - Verifica sismica del componente - Verifica dei collegamenti = ag/g S = coefficiente di amplificazione dovuto al terreno Z = quota dell elemento H = altezza della costruzione Ta = periodo proprio dell elemento T1 = periodo proprio della struttura (nella direzione considerata)

Progettazione sismica Comportamento dissipativo (7.2) - Elementi non strutturali - Coefficiente di riduzioni qa = 1.0 Parapetti o decorazioni aggettanti Insegne e pannelli pubblicitari Ciminiere, antenne e serbatoi su supporti funzionanti come mensole senza controventi per più di metà della loro altezza qa = 2.0 Pareti interne ed esterne Tramezzature e facciate Ciminiere, antenne e serbatoi su supporti funzionanti come mensole non controventate per meno di metà della loro altezza o connesse alla struttura in corrispondenza o al di sopra del loro centro di massa Elementi di ancoraggio per armadi e librerie permanenti direttamente poggianti sul pavimento Elementi di ancoraggio per controsoffitti e corpi illuminanti Pareti Circolare C7.3.6.3 Rete da intonaco o armatura dei giunti di malta + collegamento alla struttura

Elementi non strutturali - Elementi non strutturali - Influenza sulla risposta FASE 1 Edificio integro Ripartizione azioni tra struttura ed elementi non strutturali FASE 2 - Danneggiamento elementi non strutturali Danneggiamento progressivo degli elementi strutturali. Pericolo di irregolarità di rigidezza in pianta e in elevazione (piano soffice) FASE 3 Danneggiamento elementi strutturali Duttilità legata alla gerarchia delle resistenze

Danno indotto da irregolarità degli elementi non strutturali Piano soffice

Danno indotto da irregolarità degli elementi non strutturali Rotture per taglio (pilastro tozzo)

Danno indotto da irregolarità degli elementi non strutturali Rotture per taglio indotte dalla muratura

Progettazione sismica Comportamento dissipativo (7.2) - Elementi non strutturali - Irregolarità in pianta da considerare. In alternativa eccentricità accidentale amplificata con fattore 2 - Irregolarità in altezza da considerare. In alternativa azioni amplificate con fattore 1.4

Laboratorio di progettazione strutturale A.A. 2009/2010 Concezione strutturale degli edifici in zona sismica Prof. Ing. Andrea Dall Asta Università di Camerino Dipartimento di PROgettazione e Costruzione dell Ambiente e-mail:andrea.dallasta@unicam.it