Strutture in acciaio A seguito degli eventi sismici più disastrosi verificatisi in passato le strutture in acciaio hanno resistito meglio di quelle in c.a. Ancora adesso usualmente le strutture in acciaio risentono meno delle azioni sismiche rispetto alle strutture in c.a. e questo perché: Sono leggere Sono state progettate tenendo conto della azioni laterali del vento Per tali ragioni il D.M. 08 consente di progettare strutture in acciaio senza tenere conto degli effetti benefici legati al comportamento non lineare (duttilità)
Strutture in acciaio Nel D.M. 08 sono previste due categorie di strutture acciaio, aventi differenti comportamenti sotto l evento sismico Strutture dissipative Strutture non dissipative
Strutture non dissipative Le strutture non dissipative devono essere progettate per rimanere in campo elastico anche sotto sismi severi (Spettri di progetto per gli S.L.U.) Tale criterio di progettazione non sarebbe pensabile per le strutture in c.a., perché a seguito delle masse elevate si otterrebbero forze sismiche non equilibrabili dalla struttura
Strutture non dissipative Vantaggi È ammesso un calcolo in campo elastico lineare (non si considera in alcun modo il campo plastico del materiale) La progettazione procede secondo le solite consuetudini degli edifici in acciaio e senza particolari prescrizioni nella verifica delle aste o dei collegamenti (con la sola differenza di adottare verifiche agli S.L.U.) I vantaggi della scelta di realizzare strutture non dissipative risiedono tutti nella semplicità della progettazione e della realizzazione della struttura
Strutture non dissipative Svantaggi L unico svantaggio è che deve essere adottato un fattore di struttura q = 1 (Eurocodici q = 1.5), con conseguente elevato valore dell accelerazione sismica di progetto Tale disposizione imposta dal D.M. 08 è una diretta conseguenza dell avere scelto la categoria delle strutture non dissipative, progettate per rimanere sempre in campo elastico, senza alcuna capacità di dissipare energia
Strutture dissipative Queste strutture sono in grado di dissipare energia a seguito della loro duttilità evolvendo in campo plastico È possibile ottenere valori anche elevati del fattore di struttura (1<q<6.5) con conseguente riduzione delle accelerazioni sismiche di progetto
Strutture dissipative Svantaggi Devono essere seguite una serie di prescrizioni progettuali e costruttive e devono essere eseguite verifiche aggiuntive allo scopo di garantire un adeguata duttilità strutturale Tali prescrizioni si differenziano a seconda che sia scelta la classe di duttilità alta (C.D. A ) o bassa (C.D. B ) In ogni caso non tutte le strutture in acciaio possono essere progettate come dissipative, ma solo quelle aventi determinate tipologie strutturali
Tipologie strutturali Strutture dissipative Tipologie strutturali di strutture in acciaio che possono essere progettate come dissipative
Tipologie strutturali Strutture dissipative a) Strutture intelaiate: composte da telai che resistono alle forze orizzontali con un comportamento prevalentemente flessionale. In queste strutture le zone dissipative sono principalmente collocate alle estremità delle travi in prossimità dei collegamenti trave-colonna, dove si possono formare le cerniere plastiche e l energia viene dissipata per mezzo della flessione ciclica plastica. Strutture intelaiate
Tipologie strutturali Strutture dissipative b) Strutture con controventi concentrici: nei quali le forze orizzontali sono assorbite principalmente da membrature soggette a forze assiali. In queste strutture le zone dissipative sono principalmente collocate nelle diagonali tese. Pertanto possono essere considerati in questa tipologia solo quei controventi per cui lo snervamento delle diagonali tese precede il raggiungimento della resistenza delle aste strettamente necessarie ad equilibrare i carichi esterni. I controventi reticolari concentrici possono essere distinti nelle seguenti tre categorie: b1) controventi con diagonale tesa attiva, in cui la resistenza alle forze orizzontali e le capacità dissipative sono affidate alle aste diagonali soggette a trazione. Strutture con controventi concentrici a diagonale tesa attiva
Tipologie strutturali Strutture dissipative b) Strutture con controventi concentrici: nei quali le forze orizzontali sono assorbite principalmente da membrature soggette a forze assiali. In queste strutture le zone dissipative sono principalmente collocate nelle diagonali tese. Pertanto possono essere considerati in questa tipologia solo quei controventi per cui lo snervamento delle diagonali tese precede il raggiungimento della resistenza delle aste strettamente necessarie ad equilibrare i carichi esterni. I controventi reticolari concentrici possono essere distinti nelle seguenti tre categorie: b2) controventi a V, in cui le forze orizzontali devono essere assorbite considerando sia le diagonali tese che quelle compresse. Il punto d intersezione di queste diagonali giace su di una membratura orizzontale che deve essere continua. Strutture con controventi concentrici a V
Tipologie strutturali Strutture dissipative b) Strutture con controventi concentrici: nei quali le forze orizzontali sono assorbite principalmente da membrature soggette a forze assiali. In queste strutture le zone dissipative sono principalmente collocate nelle diagonali tese. Pertanto possono essere considerati in questa tipologia solo quei controventi per cui lo snervamento delle diagonali tese precede il raggiungimento della resistenza delle aste strettamente necessarie ad equilibrare i carichi esterni. I controventi reticolari concentrici possono essere distinti nelle seguenti tre categorie: b3) controventi a K, in cui il punto d intersezione delle diagonali giace su una colonna. Questa categoria non deve essere considerata dissipativa in quanto il meccanismo di collasso coinvolge la colonna. Strutture con controventi concentrici a K
Tipologie strutturali Strutture dissipative c) Strutture con controventi eccentrici: nei quali le forze orizzontali sono principalmente assorbite da membrature caricate assialmente, ma la presenza di eccentricità di schema permette la dissipazione di energia nei traversi per mezzo del comportamento ciclico a flessione e/o taglio. I controventi eccentrici possono essere classificati come dissipativi quando la plasticizzazione dei traversi dovuta alla flessione e/o al taglio precede il raggiungimento della resistenza ultima delle altre parti strutturali. Strutture con controventi eccentrici
Tipologie strutturali Strutture dissipative d) strutture a mensola o a pendolo inverso: costituite da membrature pressoinflesse in cui le zone dissipative sono collocate alla base. e) Strutture intelaiate con controventi concentrici: nelle quali le azioni orizzontali sono assorbite sia da telai che da controventi agenti nel medesimo piano. f) Strutture intelaiate con tamponature: costituite da tamponature in muratura o calcestruzzo non collegate ma in contatto con le strutture intelaiate. Strutture a pendolo inverso Strutture intelaiate con controventi concentrici
Tipologie strutturali Strutture dissipative Tipologie strutturali differenti da quelle previste risultano in generale scarsamente duttili, e devono essere progettate come non dissipative.
Strutture dissipative Le ordinate spettrali sono ridotte sempre tramite il fattore di struttura q B O B O g e T T F q T T F q S a T S 1 1 O g e F q S a T S 1 T T F q S a T S C O g e 1 2 1 T T T F q S a T S D C O g e T D T C T D T T Tc T T B 0 T T B q = Fattore di struttura
Fattore di struttura Strutture dissipative q q 0 K R q 0 = esprime la duttilità della soluzione strutturale (Tipologia + Classe)
Fattore di struttura Strutture dissipative q q 0 K R K R = parametro funzione della regolarità dell edificio K R Tipologia Strutturale 1.0 Edifici Regolari in Altezza 0.8 Edifici Non Regolari in Altezza
Fattore di struttura Strutture dissipative q q 0 K R I valori del fattore di struttura possono essere assunti come validi se si rispettano tutte le regole di dettaglio previste. Tali regole hanno lo scopo di scongiurare le modalità di collasso fragili e di conseguenza di conferire duttilità alla struttura. Fra le modalità di collasso fragile nelle strutture in acciaio riveste particolare importanza quella dovuta ad instabilità.
Regole di dettaglio Si distinguono nei seguenti ambiti: Strutture dissipative Regole di dettaglio per tutte le tipologie strutturali Regole di dettaglio per le strutture intelaiate Regole di dettaglio per le strutture a controventi concentrici Regole di dettaglio per le strutture a controventi eccentrici
Regole di dettaglio per tutte le tipologie strutturali Parti compresse delle membrature le membrature sono classificate in funzione della duttilità nei confronti dei fenomeni di instabilità locale
Regole di dettaglio per tutte le tipologie strutturali CLASSIFICAZIONE DELLE SEZIONI IN ACCIAIO Le sezioni trasversali degli elementi strutturali si classificano in funzione della loro capacità rotazionale C θ definita come: Essendo: C θ = q r / q y -1 q r = curvatura corrispondenti al raggiungimento della deformazione ultima q y = curvatura corrispondenti al raggiungimento dello snervamento.
Regole di dettaglio per tutte le tipologie strutturali CLASSIFICAZIONE DELLE SEZIONI IN ACCIAIO Classe 1 - Quando la sezione è in grado di sviluppare una cerniera plastica avente la capacità rotazionale richiesta per l analisi strutturale condotta con il metodo plastico senza subire riduzioni della resistenza. Possono generalmente classificarsi come tali le sezioni con capacità rotazionale C θ 3. Classe 2 - Quando la sezione è in grado di sviluppare il proprio momento resistente plastico, ma con capacità rotazionale limitata. Possono generalmente classificarsi come tali le sezioni con capacità rotazionale C θ 1,5. Classe 3 - Quando nella sezione le tensioni calcolate nelle fibre estreme compresse possono raggiungere la tensione di snervamento, ma l instabilità locale impedisce lo sviluppo del momento resistente plastico; Classe 4 - Quando, per determinarne la resistenza flettente, tagliante o normale, è necessario tener conto degli effetti dell instabilità locale in fase elastica nelle parti compresse che compongono la sezione. In tal caso nel calcolo della resistenza la sezione geometrica effettiva può sostituirsi con una sezione efficace.
Regole di dettaglio per tutte le tipologie strutturali CLASSIFICAZIONE DELLE SEZIONI IN ACCIAIO Le sezioni di classe 1 e 2 si definiscono compatte, quelle di classe 3 moderatamente snelle e quelle di classe 4 snelle. Per i casi più comuni delle forme delle sezioni e delle modalità di sollecitazione, le Tabelle 4.2.I, 4.2.II e 4.2.III delle N.T.C. 2008 forniscono indicazioni per la classificazione delle sezioni. La classe di una sezione composta corrisponde al valore di classe più alto tra quelli dei suoi elementi componenti.
Regole di dettaglio per tutte le tipologie strutturali Parti compresse delle membrature La vecchia Ordinanza 3274 utilizzava il parametro S per la classificazione delle sezioni. S rappresenta il rapporto tra la tensione che determina la instabilità locale dell' asta f i e la tensione di snervamento f y Il concetto del D.M. 08 e' fondamentalmente lo stesso, ma si utilizzano più semplici valutazioni basate su rapporti geometrici della sezione codificati in apposite tabelle
Regole di dettaglio per tutte le tipologie strutturali Parti compresse delle membrature Rapporti geometrici della sezione tubolare C.D.S. Win provvede automaticamente alla valutazione della classe della sezione
Regole di dettaglio per tutte le tipologie strutturali Parti compresse delle membrature In funzione della classe di duttilità adottata (alta o bassa) è possibile o meno utilizzare alcune sezioni
Regole di dettaglio per le strutture intelaiate Riguardano il dimensionamento di travi colonne collegamenti trave-colonna collegamenti colonna-fondazione
Regole di dettaglio per le strutture intelaiate Verifica di resistenza delle travi La resistenza flessionale plastica e la capacità di rotazione non devono essere inficiate dalla contemporanea presenza di taglio e sforzo normale. Ciò si ritiene soddisfatto se risulta:
Regole di dettaglio per le strutture intelaiate Verifica di resistenza delle colonne Le colonne devono essere progettate con le azioni W è il minimo valore tra M pl,rd,i / M Ed,i di tutte le travi in cui si attende la formazione di cerniere plastiche. Tali relazioni derivano direttamente dal criterio della Gerarchia delle resistenze
Regole di dettaglio per le strutture intelaiate Verifica a taglio delle colonne Anche questa limitazione deriva direttamente dal criterio della Gerarchia delle resistenze (il taglio di progetto deve essere inferiore al 50% del taglio plastico)
Regole di dettaglio per le strutture intelaiate Gerarchia delle resistenze Per i telai ad alta e bassa duttilità il meccanismo di collasso deve essere controllato a mezzo del metodo della gerarchia delle resistenze Collasso globale Collasso di piano
Regole di dettaglio per le strutture intelaiate Gerarchia delle resistenze Per telai ad alta duttilità i momenti plastici di travi e pilastri convergenti ad uno stesso nodo devono rispettare la condizione g RD = 1,3 per strutture in classe CD A e 1,1 per CD B M C,pl,Rd = Momento resistente della colonna calcolato per i livelli di sollecitazione assiale presenti nella colonna nelle combinazioni sismiche delle azioni M b,pl,rd = Momento resistente delle travi che convergono nel nodo trave-colonna. Questa condizione garantisce la formazione della cerniera plastica nella trave (più duttile del pilastro)
Regole di dettaglio per le strutture intelaiate Gerarchia delle resistenze Per entrambe le classi duttilità nei collegamenti trave-colonna deve essere garantita la sovraresistenza del collegamento per consentire la formazione di cerniere plastiche alle estremità delle travi M j, Rd 1, 1g R, d Mb, pl, Rd g RD = Fattore di sovraresistenza M b,pl,rd = Momento resistente della trave collegata M j,rd = Momento flettente resistente del collegamento travecolonna il collegamento deve essere sovraresistente (circa il 140% rispetto al momento plastico della trave)
Regole di dettaglio per le strutture intelaiate Gerarchia delle resistenze Per entrambe le classi duttilità nei collegamenti colonna-fondazione deve essere garantita la sovraresistenza del collegamento M C, Rd 1, 1g R, d Mc, pl, Rd N Ed g RD = Fattore di sovraresistenza M c,pl,rd = Momento resistente plastico di progetto della colonna, calcolato per lo sforzo normale di progetto N Ed M C,Rd = Momento resistente plastico del collegamento colonna-fondazione Garantisce la formazione di cerniere plastiche nella colonna e non nel collegamento
Regole di dettaglio per le strutture intelaiate Gerarchia delle resistenze Per entrambe le classi duttilità nei pannelli nodali il taglio di progetto deve rispettare la condizione: Si evitano fenomeni di plasticizzazione od instabilità a taglio (scarsamente duttili)
Regole di dettaglio per le strutture intelaiate Gerarchia delle resistenze Per entrambe le classi duttilità nei pannelli nodali è necessario escludere la plasticizzazione a taglio La prestazione richiesta ai pannelli nodali è almeno il doppio di quella richiesta dai consueti metodi
Regole di dettaglio per le strutture intelaiate Gerarchia delle resistenze Per i pannelli nodali risulta praticamente obbligata la scelta di soluzioni con irrigidimenti
Regole di dettaglio per le strutture a controventi concentrici Riguardano il dimensionamento di travi colonne controventi collegamenti distribuzione in altezza delle rigidezze laterali di piano
Regole di dettaglio per le strutture a controventi concentrici Rigidezza laterale di piano Ad ogni piano ed in ogni direzione al variare del verso del sisma la struttura deve esibire rigidezza tale che
Regole di dettaglio per le strutture a controventi concentrici Diagonali di controvento Le diagonali devono essere ad instabilità controllata Tale prescrizione si prefigge i seguenti scopi: prevenire danneggiamenti dei fazzoletti di collegamento a causa di azioni fuori del loro piano prevenire rotture del controvento per fenomeni di snervamento ciclico a trazione non compensati (a causa della instabilità) dai successivi cicli di compressione
Regole di dettaglio per le strutture a controventi concentrici Diagonali di controvento Le sezioni dei controventi devono appartenere alle Classi 1 o 2 Risultano esclusi gli angolari
Regole di dettaglio per le strutture a controventi concentrici Diagonali di controvento Le sezioni dei controventi devono appartenere alle Classi 1 o 2 Risultano esclusi gli angolari