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Analisi e Progetto di StruttureParte 1: Progettazione di Edifici con Struttura a Telaio in c.a.

Dott.Ing. E. Grande

Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale

Dipartimento di Ingegneria Civile e Meccanica

Corso di Laurea in Ingegneria Civile

PROGETTO IN ZONA SISMICA DI EDIFICI IN C.A. CON STRUTTURA INTELAIATA E CON STRUTTURA MISTA

TELAI-PARETI• tipologie strutturali per edifici in acciaio ed in c.a

• criteri di impostazione della carpenteria

• analisi dei carichi unitari

• valutazione delle azioni sismiche e da vento

• dimensionamento delle parti strutturali (travi, pilastri, solai, scale, fondazioni,ecc.)

• metodi di analisi strutturale (SAP2000)

• strutture in acciaio

TESTI DI RIFERIMENTO[1] M. Pagano Teoria degli Edifici - Edifici in c.a., Liguori Editore, 1977.[2] A. Ghersi Edifici Antisismici con Struttura Intelaiata in Cemento Armato, CUEN, 1988.[3] L. Petrini, R. Pinho, G.M. Calvi Criteri di progettazione antisismica degli edifici, IUSS Press, 2004[4] E. Cosenza, G. Maiulo, M. Pecce, R. Ramasco Progetto antisismico di edifici in cemento armato IUSS Press, 2004[5] AICAP - Progettazione Sismica di Edifici in Calcestruzzo Armato vol.2[6] V. Nunziata Teoria e pratica delle strutture in c.a. – vol. 2

APPUNTI E DISPENSE SARANNO FORNITI DURANTE IL CORSO

Corso di Progetto di Strutture – A.A. 2011-12 – Dott.Ing. E. GRANDE

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SISTEMI STRUTTURALI PER EDIFICI

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1. Il sistema edificio: aspetti generalicon il termine edificio si indica una costruzione edilizia realizzata dall'uomo destinata ad accogliere al suo interno persone o attività a queste connesse.

Assemblaggio di differenti materiali che danno luogo alle parti non strutturali e alle parti strutturali dell’edificio (struttura portante).

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Sistema strutturale di un edificio:assemblaggio di parti strutturali che hanno il compito diresistere ai carichi verticali e alle forze orizzontali nellecondizioni ultime e di esercizio della struttura.

1. Il sistema edificio: aspetti generali

Funzioni del sistema strutturale di un edificio:

Portare i carichi verticali statici e dinamici;Portare i carichi orizzontali dovuti al vento e alle azioni

sismiche;Resistere alle tensioni che nascono per le variazioni di

temperatura;Resistere alle esplosioni interne o esterne all’edificio e

ai carichi dovuti ad eventuali impatti.


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Funzioni del sistema strutturale di un edificio:

Inoltre devono rispondere ad altri requisiti indipendentidalle problematiche di carattere strutturale:

vincoli architettonici; costi di realizzazione e gestione; processo di costruzione.


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2. Tipologie strutturali per edificiClassificazione dei sistemi strutturali:È difficile fornire una classificazione basata su un unico parametro ma è necessario tenere conto di differenti parametri:

Numero di piani o altezza dell’edificio;Destinazione d’uso dell’edificio;Materiali costituenti;Dettagli costruttivi.

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Classificazione fornita in ambito normativo (DM08 – 7.4.3.1)

EDIFICI CON STRUTTURA IN Cemento Armato.

•Strutture a telaio

•Strutture a pareti

•Strutture miste telaio-pareti

•Strutture deformabili torsionalmente

•Strutture a pendolo inverso

2. Tipologie strutturali per edificiClassificazione dei sistemi strutturali:

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Tipologia a TELAI

2. Tipologie strutturali per edificiEdifici con Struttura in c.a.:

nelle quali la resistenza alle azioni sia verticali che orizzontali è affidata principalmente a telai spaziali

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Tipologia a TELAI


TELAIO

Costituito dall’assemblaggio di TRAVI e PILASTRI.

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Tipologia a TELAI


I telai sono responsabili della resistenza e della rigidezza laterale della struttura.

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Tipologia a PARETI


strutture a pareti, nelle quali la resistenza alle azioni sia verticali che orizzontali è affidata principalmente a pareti, singole o accoppiate, aventi resistenza a taglio alla base ≥ 65% della resistenza a taglio totale

Parete singola tL

L/t>4

parete accoppiata consiste di due o piùpareti singole collegate tra loro da travi duttili (“travi di accoppiamento”) distribuite in modo regolare lungo l’altezza.

parete di forma composta l’insieme dipareti semplici collegate in modo da formare sezioni a L, T, U, I ecc.

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Tipologia a PARETI e mista TELAI-PARETI


strutture miste telaio-pareti, nelle quali la resistenza alle azioni verticali è affidata prevalentemente ai telai, la resistenza alle azioni orizzontali è affidata in parte ai telai ed in parte alle pareti, singole o accoppiate; se più del 50% dell’azione orizzontale è assorbita dai telai si parla di strutture miste equivalenti a telai, altrimenti si parla di strutture miste equivalenti a pareti;

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Elemento resistente predominante: parete

Le pareti sono responsabili della resistenza e della rigidezza laterale della struttura.

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Elemento resistente predominante: parete

Le pareti forniscono altresì la rigidezza torsionale della struttura (disposizione in pianta).

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Tipologia deformabili torsionalmente


‘nucleo’ costituito dall’assemblaggio di pareti

Sono deformabili torsionalmente ovvero la rigidezza torsionale non soddisfa limitazioni fissate dalla norma

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EDIFICI CON STRUTTURA IN ACCIAIO.


classificazione

TIPOLOGIE STRUTTURALI PER EDIFICI IN ACCIAIO

Importanza del ruolo dei collegamenti tra le parti strutturali

Nodi rigidi assenza di rotazioni relative trave colonna

nodi semirigidi realtà

nodi flessibili rotazioni relative trave colonna senza trasferimento di momento

Nodo rigido Nodo flessibile

Corso di Analisi e Progetto di Strutture – 2013 – Dott.Ing. E. GRANDE

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EDIFICI CON STRUTTURA IN ACCIAIO.


Principalmente si hanno le seguenti tipologie strutturali:

•Strutture a telaio (a nodi rigidi o mista)

•Strutture a controventi (a nodi pendolari)

• Controventi concentrici

• Controventi eccentrici

Nodo rigido trave incastrata alla colonna

Nodo flessibile trave incernierata alla colonna

La presenza dell’uno o dell’altro tipo di nodo condiziona dunque il meccanismo resistente della struttura nei confronti delle azioni di progetto e definisce le caratteristiche del sistema strutturale.

Separazione dei ruoli resistenti nei confronti dei carichi verticali e delle azioni orizzontali


Classificazione delle tipologie strutturali per edifici in acciaio

Comportamento 2D

Comportamento 3D


TIPOLOGIA A TELAI:

TELAI CON NODI RIGIDI

A seguito della componente di raking, iltaglio accumulato in ogni piano vieneresistito dal taglio nelle colonne che sideformano con una doppia curvatura conpunto d’inversione localizzato a circa metàdell’altezza di piano. Il momento alleestremità delle colonne viene invecetrasmesso dalle travi le quali si inflettonoanch’esse con doppia curvatura e punto diinversione al centro della campata.

La componente della deformata dovuta adallungamento ed accorciamento dellecolonne (cantilever bending o chord driftcomponent) è invece dovuta al fatto che leazioni orizzontali applicate ad una facciadella struttura comportano unainflessione (bending) di tutto il telaio equindi un conseguente allungamento eaccorciamento delle colonne.


TIPOLOGIA A CONTROVENTI:

TELAI CONTROVENTATI con controventi concentrici

TELAI CONTROVENTATI con controventi eccentrici

L’utilizzo di sistemi controventati nasce proprio con lo scopo di limitare glispostamenti laterali della struttura. L’introduzione di elementi di controventamento(diagonali) comporta che il taglio indotto dalle forze laterali venga assorbitoprevalentemente dagli elementi di controvento attraverso uno stato di sollecitazioniassiali.

Tipo di sollecitazione prevalente:

Sforzi assiali negli elementi strutturali


TIPOLOGIA A TUBO:

il tubo viene realizzato disponendo una fitta maglia di colonne e travi lungo il perimetrodell’edificio (a volte si ha la presenza anche di un nucleo centrale, sempre costituito da unafitta maglia di colonne e travi, ma in questo caso si parla di tubo in tubo). In questo modo,poiché l’azione dei carichi orizzontali è sopportata dai soli elementi esterni, la parte interna dellapianta risulta libera da colonne di grande sezione ovvero da nuclei.

Solo gli elementi appartenenti al tuboesterno (colonne e travi) forniscono uncontributo in termini di rigidezza lateralee di assorbimento del taglio. Il sistemaglobale soggetto a forze laterali si comportacome costituito da quattro pannelli (i telaiperimetrali) rigidamente collegati tra loro. Inpratica i pannelli laterali (paralleli alladirezione della forza) si comportanocome l’anima di una sezione scatolare inacciaio, mentre i pannelli ortogonali alladirezione della forza si comportanocome le flange.


TIPOLOGIA A TUBO:

Un esempio: Twin Towers

Tubo esterno: interasse colonne 1 metro• 110 piani – 415 m• 1966/1973• Peso acciaio strutturale: 77522 t


TIPOLOGIA A TUBO:

Esempio: Twin Towers


TIPOLOGIA A TUBO controventato

Esso è costituito da un sistema perimetrale di telai a nodi rigidi (rigidamente connessi tra loro),con l’aggiunta di diagonali di controventamento (sempre disposte sul perimetro) che siestendono per più piani della struttura.

• John Hancock Center (Chicago)•100 piani – 344 m• 1965/1970• Peso acciaio strutturale: 56800 t


TIPOLOGIA A BUNDLED TUBEcostituita da varie “celle”, ognuna delle quali è un sistema a tubo. In questo modo si possono avere anche delle interruzioni lungo l’altezza della struttura senza avere perdite in termini di efficienza del sistema.Il bundled tube può essere visto come un insieme di sistemi a tubo tra loro interconnessi che si comportano come un unico sistema strutturale tridimensionale.

• Sears Tower (Chicago)•110 piani – 442 m• 1969/1974• Peso acciaio strutturale: 69000 t


EDIFICI IN C.A.

IMPOSTAZIONE DELLA CARPENTERIA

Il criterio BASE per l’impostazione della struttura di un edificio in zona sismica è la REGOLARITA’ che va intesa come REGOLARITA’ IN PIANTA E IN ELEVAZIONE

Regolarità implica COMPATTEZZA, SIMMETRIA, UNIFORMITA’, tutti requisiti che rendono prevedibile il comportamento sismico e rendono gli effetti dinamici indotti dall’azione sismica simulabili tramite azioni statiche su modelli piani.

COMPORTAMENTO PREVEDIBILE: strutture dotate di regolarità in pianta ed in elevazione, le strutture con simmetria biassiale hanno una risposta sismica anch’essa piuttosto regolare, il cui comportamento può essere esaminato scindendo l’analisi nelle due direzioni, trascurando le interazioni tra i due ordini di telai, mutuamente ortogonali.

COMPORTAMENTO SIMULABILE CON AZIONI STATICHE: la distribuzione delle forze sismiche orizzontali sulla struttura è molto prossima a quella corrispondente al primo modo di vibrare (deformata lineare): la distribuzione di azioni sismiche convenzionali (azioni statiche equivalenti) proposta dalla normativa si riferisce proprio a questo comportamento modale, intermedio tra una deformata flessionale ed una tagliante.


7.2.2 CARATTERISTICHE GENERALI DELLE COSTRUZIONI

REGOLARITÀ

Le costruzioni devono avere, quanto più possibile, strutturaiperstatica caratterizzata da regolarità in pianta e in altezza.

Se necessario ciò può essere conseguito suddividendo lastruttura, mediante giunti, in unità tra loro dinamicamenteindipendenti.


7. PROGETTAZIONE PER AZIONI SISMICHE

NTC2008 - Norme tecniche per le costruzioni -D.M. 14 Gennaio 2008


PER QUANTO RIGUARDA GLI EDIFICI, UNA COSTRUZIONE ÈREGOLARE IN PIANTA SE TUTTE LE SEGUENTI CONDIZIONI SONORISPETTATE:

a) la configurazione in pianta è compatta e approssimativamente simmetrica rispetto a due direzioni ortogonali, in relazione alla distribuzione di masse e rigidezze;

b) il rapporto tra i lati di un rettangolo in cui la costruzione risulta inscritta è inferiore a 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.



SEMPRE RIFERENDOSI AGLI EDIFICI, UNA COSTRUZIONE ÈREGOLARE IN ALTEZZA SE TUTTE LE SEGUENTI CONDIZIONI SONORISPETTATE:

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, senza bruschi cambiamenti, dalla base alla sommità della costruzione …;

g) nelle strutture intelaiate progettate in CD “B” il rapporto tra resistenza effettiva* e resistenza richiesta dal calcolo non è significativamente diverso per orizzontamenti diversi …;

h) eventuali restringimenti della sezione orizzontale della costruzione avvengono in modo graduale da un orizzontamento al successivo,…


REGOLARITA’ IN PIANTA comporta:modi di pura traslazione ben disaccoppiati nelle due direzioni principali ortogonali. E’ possibile quindi effettuare analisi separate nelle due direzioni principali (ip. Azioni non contemporanee in due direzioni ortogonali dell’edificio)

•compattezza & simmetria•evitare rientranze•evitare grossi fori (determinano sezioni deboli nell’impalcato)•evitare rapporti elevati fra i lati della pianta (D/B)•evitare presenza di elementi molto più rigidi degli altri (per es. travi a ginocchio)•evitare elementi non strutturali molto più rigidi•distribuzione simmetrica dei tompagni•posizione baricentrica delle scale


REGOLARITA’ IN ELEVAZIONE comporta:il primo modo di vibrare della struttura è prevalente, e la forma del primo modo in ciascuna direzione può essere assunta con buona approssimazione di tipo lineare (intermedia tra deformata tipo mensola e deformata shear-type). Irregolarità in elevazione possono determinare variazioni consistenti da tale forma.

•evitare rientranze e/o sporgenze improvvise•evitare brusche variazioni di sezione degli elementi strutturali•evitare interruzioni di elementi non strutturali molto rigidi•EVITARE BRUSCHE VARIAZIONI DI MASSA E/O RIGIDEZZA


CRITERI PER L’INSERIMENTO DEI TELAI PIANIGli insiemi dei telai piani disposti lungo ciascuna delle direzioni principali, dovranno quindi:•dar luogo a rigidezze laterali confrontabili per l’edificio•dar luogo ad una distribuzione di elementi resistenti alle forze orizzontali che siano sollecitati in maniera quanto più uniforme possibile•dar luogo in ciascuna direzione ad una distribuzione simmetrica di elementi resistenti alle azioni orizzontali; in generale occorre rendere coincidenti le posizioni del baricentro delle rigidezze (determinato dalla distribuzione in pianta dei telai) e del baricentro delle masse (dipendente dalla forma geometrica dell’impalcato): in tal modo l’edificio sotto le azioni orizzontali trasla senza significative rotazioni

(*)T.Paulay & M.J.N. Priestley: Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings. 1992. John Wiley & Sons.


Soluzione ottimale

La soluzione strutturale ottimale per soddisfare talirequisiti consisterebbe in una disposizione di pilastri adinterasse costante, tutti di sezione uguale epreferibilmente quadrata (che dà luogo ad inerziauguale nelle due direzioni principali) collegati inentrambe le direzioni da travi tutte uguali (tutteemergenti o tutte a spessore, di sezione uguale)

1. pilastri asse forte-travi emergenti;

2. pilastri asse forte-travi a spessore;

3. pilastri asse debole-travi emergente;

4. pilastri asse debole-travi a spessore.

rigidezza

Nel caso reale si hanno pilastri rettangolari e travi emergenti e a spessore


Alcuni criteri da tener presente nell’impostazione della carpenteria:•Contenere le luci massime delle travi, dei solai e degli sbalzi: limitando l’effetto dei carichi verticali, si compensa l’incremento delle sollecitazioni sulle travi dovuto al sisma.•Evitare disuniformità di sollecitazioni per carico verticale sui pilastri (essenzialmente sforzo assiale), cercando di avere aree di influenza simili: in tal modo si evita la necessità di avere sezioni molto differenti, con conseguenti concentrazioni di sollecitazioni sismiche sui pilastri di sezione (e quindi rigidezza) maggiore.•Avere, nei limiti dei vincoli architettonici presenti, rigidezze uniformi in entrambe le direzioni e distribuite con sufficiente regolarità in pianta: a tal fine, per un più razionale sfruttamento delle capacità resistenti, è conveniente avere pilastri organizzati per il 50% con asse forte in una direzione e per il restante 50% nella direzione ortogonale.•Nell’organizzare la disposizione delle travi in pianta occorre, possibilmente, disporre sul bordo travi emergenti che producono un benefico effetto cerchiante.•Inserire pilastri di dimensioni confrontabili (30x60, 40x80): hanno rigidezze confrontabili: la ripartizione delle forze orizzontali deve essere quanto più uniforme possibile.•Avere il blocco scala in posizione centrale.•Evitare elementi molto più rigidi degli altri: per esempio, campate molto corte(*), pilastri di sezione molto allungata(**), scala con trave a ginocchio(***).


Alcuni criteri da tener presente nell’impostazione della carpenteria:

•Evitare per la struttura della scala l’impiego di travi a ginocchio: la presenza di travi a ginocchio determina un notevole irrigidimento localizzato nella struttura, inducendo, in zona sismica, una serie di effetti sfavorevoli sulla struttura intelaiata •Definizione dell’orditura dei solai: va definita in maniera da non sovraccaricare elementi poco resistenti (travi a spessore). Ridurre al necessario i cambi di orditura, che comportano un onere economico (non si possono sfruttare le armature provenienti dalle campate adiacenti) e statico (campate isolate: travi semplicemente appoggiate: Mmax=qL2/8, fmax= 5/384·ql4/EI).•Evitare campate corte nei solai: si possono avere momenti negativi in campata, determinando un comportamento statico sfavorevole.•La soletta dei solai, che ha la funzione di ripartire le azioni orizzontali tra i vari telai (nell’ipotesi, da verificare successivamente, di rigidezza molto elevata nel proprio piano) deve avere spessore non minore di 4.00 cm; se nell’impalcato esistono fori di dimensioni notevoli, che determinano zone di debolezza nell’impalcato, lo spessore dovrà essere incrementato di conseguenza, e si dovrà prestare particolare cura ai particolari costruttivi nelle zone circostanti i fori.


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