Approccio concettuale alla Progettazione degli Edifici Alti · AZIONE DEL VENTO: Il vento è...

Approccio concettuale alla

Progettazione degli Edifici Alti Seminario a cura del Prof. Franco Mola

Politecnico di Milano

Giornata I-II

09-11 Ottobre 2012

Aula N.1.6

Aula De Donato

Politecnico di Milano

Introduzione all’ Approccio concettuale nella

Progettazione degli Edifici Alti

Prof. Franco Mola

Professore Ordinario di ‘Costruzioni in cemento armato e cemento armato

precompresso - Dipartimento di Ingegneria Strutturale - Politecnico di Milano

Analisi, Progetto, Ricerca: interazioni e ambiti

• Tecnica delle costruzioni Progetto Strutturale (struttura quale organo portante della costruzione)

Materiali: acciaio, calcestruzzo

• Ricerca sperimentale,

teorica, Analisi Costruzioni in calcestruzzo armato e a struttura metallica

PROGETTO STRUTTURALE E

MISURA DELLA SICUREZZA (Analisi probabilistica)

Non-linearità Stato limite ultimo Accoppiamento acciaio-

calcestruzzo

Fessurazione, deformabilità, Stato limite di esercizio Fen. statici acuiti dalle

viscosità deformazioni (Eff. II Ordine)

Azioni statiche, dinamiche,

Stati coattivi

Documenti Normativi

La forma del diagramma di Navier e le strutture

PROBLEMATICHE DI INTERESSE NEGLI EDIFICI ALTI

• L’approccio concettuale moderno applicato alla progettazione degli edifici alti:

Storia e sviluppo

Il presente: esempi nel panorama italiano contemporaneo

Potenzialità di sviluppo futuro: verso nuovi equilibri

• Le azioni: statiche, dinamiche, geometriche

• I materiali innovativi: nuovi calcestruzzi ad alte prestazioni, scc…

• L’utilizzo del calcestruzzo e dell’acciaio

• Aspetti peculiari della reologia del calcestruzzo:

Effetti a lungo termine

Accorciamento delle colonne

• La modellazione, l’affidabilità dei codici di calcolo, l’interpretazione dei risultati

• Il comfort e la vita d’esercizio: problemi di dinamica e vibrazione, vento, facciate

• La fase di costruzione: tempi e gestione del cantiere, l’utilizzo di nuove tecnologie

• Nuovi strumenti per la verifica e la validazione: il collaudo dinamico

• …..

LA PRIMA N.Y. ERA (1890-1928)

“EPPURE E’ POSSIBILE”, GLI ANNI PIONIERISTICI

LA SECONDA N.Y. ERA (1929-1937)

“CONCORDIA DISCORS”, GLI ANNI IRRIPETIBILI

IL DOPO GUERRA E LE “SCATOLE DI VETRO” (1950-1965)

“IL MINIMALISMO”, DOPO GLI ANNI DELLA TEMPESTA

FAZLUR KHAN

L’AVANZAMENTO DELLA CONCEZIONE STRUTTURALE

IL POLO SI SPOSTA AD EST

“UNO SCENARIO IN CONTINUA EVOLUZIONE”

IL SALTO VERSO I 1000m

LO SCENARIO ITALIANO

Torre Galfa Grattacielo Pirelli Torre Velasca

LA RECENTE ESPERIENZA MILANESE

I Poli degli edifici alti: Palazzo Lombardia


I Poli degli edifici alti: Progetto Porta Nuova-Varesine


I Poli degli edifici alti: City Life

Torre Banca Intesa - Torino

LA RISPOSTA TORINESE

Torre Regione Piemonte - Torino

LA RISPOSTA TORINESE

IL SALTO VERSO I 1000m


LE AZIONI

DECRETO MINISTERIALE del 14 Gennaio 2008

CIRCOLARE MINISTERIALE n. 617 del 2 febbraio 2009

EUROCODICI:

- EUROCODICE 0, Azioni sulle costruzioni;

- EUROCODICE 2, Costruzioni in Calcestruzzo Armato;

- EUROCODICE 3, Costruzioni in Acciaio

NORMATIVE DI RIFERIMENTO

STATO LIMITE: Condizione superata la quale l’opera non

soddisfa più le esigenze per le quali è stata

progettata.

REQUISITI DELL’OPERA:

- Sicurezza nei confronti di Stati Limiti Ultimi;

- Sicurezza nei confronti di Stati Limite di Esercizio;

- Robustezza nei confronti di azioni eccezionali.

METODO SEMIPROBABILISTICO AGLI STATI LIMITE: La sicurezza

strutturale deve essere verificata tramite confronto tra la resistenza e

l’effetto delle azioni

Rd Ed

NTC 2008: Cap.2 – Sicurezza e Prestazioni Attese

VITA NOMINALE: Numero di anni nel quale la struttura deve

poter essere usata per lo scopo al quale è

destinata, funzione del tipo di costruzione.

CLASSI D’USO: Suddivisione delle costruzioni in quattro classi,

di importanza crescente, in funzione delle

conseguenze di interruzione di operatività o di

eventuale collasso in presenza di azioni sismiche


PERIODO DI RIFERIMENTO PER L’AZIONE SISMICA:

Periodo mediante il quale si valutano le azioni sismiche su ciascuna costruzione,

ricavato dal prodotto tra la vita nominale ed il coefficiente d’uso

VR = VN CU

Classe d’uso I: Costruzioni con presenza occasionale di persone, edifici agricoli

Classe d’uso II: Costruzioni il cui uso preveda normali affollamenti, senza contenuti

pericolosi per l’ambiente e senza funzioni pubbliche e sociali essenziali

Classe d’uso III: Costruzioni il cui uso preveda affollamenti significativi. Industrie con

attività pericolose per l’ambiente. Reti viarie extraurbane non ricadenti in Classe IV

Classe d’uso IV: Costruzioni con funzioni pubbliche o strategiche importanti, anche con

riferimento alla gestione della protezione civile in caso di calamità

NTC 2008: Cap.2 – Sicurezza e Prestazioni Attes

CLASSIFICAZIONE DELLE AZIONI:

SECONDO IL MODO DI ESPLICARSI: dirette, indirette, degrado

SECONDO LA RISPOSTA STRUTTURALE: statiche, pseudostatiche,

dinamiche

SECONDO LA VARIAZIONE DELLA LORO INTENSITA’ NEL TEMPO:

- Permanenti (G), agiscono durante tutta la vita nominale

della costruzione;

- Variabili (Q), agiscono con valori istantanei e possono

essere sia di lunga che di breve durata;

- Eccezionali (A), come incendi, esplosioni, urti ed impatti;

- Sismiche (E).


COMBINAZIONI DELLE AZIONI:

Combinazione fondamentale (SLU):

γG1· G1 + γG2 · G2 + γP · P + γQ1 · Qk1 + Σ γQi · ψ0i · Qki

Combinazione caratteristica rara (SLE irreversibili, TA):

G1 + G2 + P + Qk1 + Σ ψ0i · Qki

Combinazione frequente (SLE reversibili):

G1 + G2 + P + ψ11 · Qk1 + Σ ψ2i · Qki

Combinazione quasi permanente (SLE lungo termine):

G1 + G2 + P + Σ ψ2i · Qki

Combinazione sismica (SLU e SLE):

E + G1 + G2 + P + Σ ψ2i · Qki

Combinazione eccezionale (SLU con azione eccezionale Ad ):

G1 + G2 + P + Ad + Σ ψ2i · Qki



Nelle combinazioni per SLE si omettono i carichi Qkj e G2 che danno un

contributo favorevole ai fini delle verifiche.

Valori dei coefficienti di combinazione:



Nelle verifiche agli SLU si distinguono lo SL di equilibrio come corpo rigido

EQU, lo SL di resistenza della struttura compresi gli elementi di fondazione

STR e lo SL di resistenza del terreno GEO.

Valori dei coefficienti parziali di sicurezza:

Il coefficiente parziale per la precompressione si assume pari a γP = 1


PESI PROPRI DEI

MATERIALI

STRUTTURALI:

Tabella 3.1.I della

normativa

NTC 2008: Cap.3 – Azioni sulle Costruzioni

CARICHI PERMANENTI NON STRUTTURALI:

Sono i carichi non removibili durante il normale esercizio della costruzione. I

tramezzi e gli impianti leggeri di edifici per abitazione ed uffici possono

assumersi come carichi equivalenti distribuiti g2 se i solai hanno

un’adeguata capacità di ripartizione trasversale.

Elementi divisori interni:

definito G2 il peso proprio per unità di lunghezza degli elementi divisori

interni.


CARICHI VARIABILI:

Sono i carichi legati alla destinazione d’uso dell’opera e possono essere:

- carichi verticali uniformemente distribuiti qk [kN/m2];

- carichi verticali concentrati Qk [kN];

- carichi orizzontali lineari Hk [kN/m].


CARICHI VARIABILI:


AZIONE DEL VENTO: Il vento è essenziale sia a livello globale,

azione sollecitante l’intero edificio, sia a livello locale, azione

sollecitante le strutture di facciata.

AZIONE DEL SISMA: Il sisma è essenziale negli aspetti

interessanti la capacità portante e la integrità.


AZIONE DEL VENTO:

La velocità di riferimento del vento vb è il valore caratteristico della velocità del

vento:

vb = vb,0 per as ≤ a0

vb = vb,0 + ka (as – a0) per a0 < as ≤ 1500 m


AZIONE DEL VENTO:

La pressione del vento p, azione statica agente normalmente alla superficie

della costruzione:

p = qb ce cp cd

qb = 1/2 v2b , pressione cinetica di riferimento

= 1.25 kg/m3, densità dell’aria

ce = coefficiente di esposizione

cp = coefficiente di forma, funzione del tipo e della geometria della costruzione

e del suo orientamento rispetto alla direzione del vento; in condizioni standard è

assunto pari ad 1

cd = coefficiente dinamico, che considera gli effetti riduttivi della non

contemporaneità delle massime pressioni locali e gli effetti amplificativi dovuti

alle vibrazioni strutturali; può essere assunto cautelativamente pari ad 1, per

edifici di forma regolare con H < 80m e capannoni industriali


AZIONE DEL VENTO:

Il coefficiente di esposizione ce dipende dall’altezza z sul suolo del punto

considerato, dalla topografia e dalla categoria di esposizione del sito. Per

altezze sul suolo non maggiori di z = 200m:

ce (z) = kr2 ct ln (z/z0) [7+ ct ln (z/z0)] per z ≥ zmin

ce (z) = ce (zmin) per z < zmin


Coefficiente di esposizione: ce (z) = kr2 ct ln (z/z0) [7+ ct ln (z/z0)] per z ≥ zmin

ce (z) = ce (zmin) per z < zmin

Coefficiente di topografia ct posto generalmente = 1


AZIONE DEL VENTO:

Per costruzioni di forma o tipologia inusuale, oppure di grande altezza o

lunghezza, o di rilevante snellezza o leggerezza, o di notevole flessibilità e ridotte

capacità dissipative, il vento può dar luogo ad effetti la cui valutazione richiede

l’uso di metodologie di calcolo e sperimentali adeguate allo stato dell’arte e che

tengano conto della dinamica del sistema

… PROVE IN GALLERIA DEL VENTO


I dati delle prove in galleria del vento

• Le pressioni sono state ricavate considerando un’analisi statistica sulle letture effettuate

alle prese di pressione posizionate in posizioni note e con scansione fitta e regolare

sulle superfici del modello di prova.

• Le misure in galleria sono state effettuate su tavola girevole per 60 diverse direzioni di

provenienza del vento.

• Le letture a ciascuna presa sono state condotte considerando un tempo di acquisizione

corrispondente a 10 min al vero, ovvero 112 sec nella scala dei tempi, e per ciascun

angolo di esposizione.

In totale si contano 10200 valori di

acquisizione per ciascuna presa e

per ciascun angolo di esposizione.

I valori di misura sono stati utilizzati

per determinare i coefficienti di

pressione corrispondenti al picco

massimo, al picco minimo e al valor

medio. Tali valori sono stati mediati

sul tempo di 5s ed elaborati

considerando la direzionalità del

vento della zona di Torino per ottenere

i valori di progetto.

I dati delle prove in galleria del vento

Il valore massimo di

pressione risulta in

corrispondenza della

quota pari a 195,14m.

In questa situazione la depressione massima

risulta pari a -2,27 kPa sulla prima presa della

facciata est

GDVsud = -2,27 kPa per una velocità di 23,6 m/s

Viene assunto quale valore caratteristico del

carico il valore maggiore fra quello analitico e

quello sperimentale Qvk = 2.4 kPa

AZIONE DEL SISMA: si definisce a partire dalla pericolosità sismica di

base del sito, tabellata nella normativa in base alle coordinate di latitudine e

longitudine


Definiti i seguenti valori, ad esempio:

Vita nominale (3) 𝑽𝑵 = 𝟏𝟎𝟎 𝒂𝒏𝒏𝒊 Classe d’suo (IV) 𝑪𝑼 = 𝟐 Periodo di riferimento 𝑽𝑹 = 𝑽𝑵 ∙ 𝑪𝑼 = 𝟐𝟎𝟎 𝒂𝒏𝒏𝒊

La normativa fornisce una serie di parametri che descrivono la

pericolosità sismica del sito in condizioni ideali, cioè senza tenere

in conto le specifiche locali della zona; questi valori sono forniti per

differenti periodi di ritorno dell’evento sismico e per i 4 Stati Limite

previsti dalla normativa.

AZIONE DEL SISMA:

Stati Limite di Esercizio

- Stato Limite di Operatività (SLO): a seguito del terremoto la costruzione nel suo

complesso, includendo gli elementi strutturali, quelli non strutturali, le apparecchiature

rilevanti alla sua funzione, non deve subire danni ed interruzioni d’uso significativi;

- Stato Limite di Danno (SLD): a seguito del terremoto la costruzione nel suo

complesso, subisce danni tali da non mettere a rischio gli utenti e da non

compromettere significativamente la capacità di resistenza e di rigidezza nei confronti

delle azioni verticali ed orizzontali, mantenendosi immediatamente utilizzabile pur

nell’interruzione d’uso da parte delle apparecchiature;


AZIONE DEL SISMA:

Stati Limite Ultimi

- Stato Limite di salvaguardia della Vita (SLV): a seguito del terremoto la costruzione

subisce rotture e crolli dei componenti non strutturali ed impiantistici e significativi

danni dei componenti strutturali cui si associa una perdita significativa di rigidezza nei

confronti delle azioni orizzontali; la costruzione conserva invece una parte della

resistenza e rigidezza per azioni verticali e un margine di sicurezza nei confronti del

collasso per azioni sismiche orizzontali;

- Stato Limite di prevenzione del Collasso (SLC): a seguito del terremoto la

costruzione subisce gravi rotture e crolli dei componenti non strutturali ed impiantistici

e danni molto gravi dei componenti strutturali; la costruzione conserva ancora un

margine di sicurezza per azioni verticali ed un esiguo margine di sicurezza nei

confronti del collasso per azioni orizzontali.


AZIONE DEL SISMA:

ag Accelerazione massima orizzontale del sito, espressa in rapporto con l’accelerazione di gravità;

F0 valore massimo del fattore di amplificazione dello spettro in accelerazione orizzontale;

TC* periodo di inizio del tratto a velocità costante sullo spettro in accelerazione orizzontale;

TR periodo di ritorno per la definizione dell’azione sismica;

PVR probabilità di superamento nel periodo di riferimento 𝑉𝑅



𝑆 = 𝑆𝑆 ∙ 𝑆𝑇 coefficiente che tiene

conto della categoria di

sottosuolo e delle condizioni

topografiche;

𝜂 = 1 per smorzamento 𝜉 = 5%;

Spettro di risposta elastico in accelerazione per la componente orizzontale


La normativa prevede di considerare degli spettri di progetto ridotti rispetto agli

spettri di risposta elastici. Per gli Stati limite di Esercizio (SLD e SLV), lo spettro di

progetto di tutte le componenti è lo spettro elastico corrispondente, senza quindi

applicare alcuna riduzione.

Per le analisi agli Stati Limite Ultimi (solo SLV nel nostro caso), lo spettro di progetto

si ottiene riducendo le ordinate dello spettro di risposta elastica, sostituendo al

parametro il rapporto 1/q; q è il fattore di struttura. Deve comunque essere garantita

un’ordinata spettrale superiore a 0.2ag.

AZIONE DEL SISMA:

Costruzioni in calcestruzzo


AZIONE DEL SISMA: Costruzioni in acciaio



αuα1 = 1.1

Human Comfort

Diagrammi per la valutazione delle

prestazioni degli edifici in termini

di comfort

Human Comfort

Misurazioni ambientali registrate il 5 Marzo 2010 per la misura dell’accelerazione

massima del vento sul nucleo, raffrontate alla massima velocità del vento registrata

durante la prova nella città di Milano, pari a 45 m/s, equivalente a p = 1266 N/m2

Human Comfort

Diagrammi per la valutazione delle

prestazioni degli edifici in termini

di comfort

AZIONE DELLA NEVE: praticamente trascurabile a livello globale.

Può essere significativa a livello locale

Il carico provocato dalla neve qs sulle coperture si valuta come:

qs = i qsk Ce Ct

i = coefficiente di forma della copertura

qsk = valore caratteristico di riferimento del carico di neve al suolo

Ce = coefficiente di esposizione, funzione delle caratteristiche dell’area in cui sorge

l’opera; se non diversamente indicato si assume Ce = 1

Ct = coefficiente termico, considera la riduzione del carico a causa dello

scioglimento della neve causata dalla perdita di calore della costruzione; in

assenza di uno studio specifico si assume Ct = 1

Il carico agisce in direzione verticale e lo si riferisce alla proiezione orizzontale

della superficie della copertura


Valore caratteristico qsk:

Coefficiente di forma i:

Si assume che la neve non sia impedita di scivolare. Se l’estremità della falda

termina con un parapetto il coefficiente di forma non può MAI essere assunto

inferiore a 0.8, indipendentemente dall’angolo formato dalla falda con

l’orizzontale


L’UTILIZZO DEI MATERIALI E LE

FRONTIERE DELLA RICERCA E

DELL’APPLICAZIONE


GLI EDIFICI ALTI: OBIETTIVI DELLA PROGETTAZIONE E UTILIZZO DEI

MATERIALI DA COSTRUZIONE

Acciaio strutturale Calcestruzzo armato

L’acciaio strutturale può essere il componente principale dell’ossatura portante ma non dell’intero complesso

strutturale, mentre il calcestruzzo armato può essere l’unico materiale costituente l’organismo strutturale.

Costi/ Benefici Allocazione di risorse/Perseguimento di obiettivi

Obiettivi della progettazione ed esecuzione degli edifici alti

• Controllo del comportamento strutturale, resistenza, durabilità

• Sviluppo di tecniche costruttive più efficienti ed affidabili

• Migliore gestione dei tempi di costruzione

• Livelli estetici ed architettonici associati a forme di elevata complessità

Allocazione delle risorse

• Scelta di materiale basata sulle prestazioni e sui relativi costi

• Sviluppo della ricerca di base ed applicata per la produzione di nuovi materiali

• Il progetto del materiale quale atto sinergico fra tecnologi e strutturisti

• Impiego di maggiori risorse finanziarie

• Modalità di controllo della qualità di produzione del materiale e della sua posa in opera

I due materiali base nella costruzione di edifici alti

LO SVILUPPO DELL’UTILIZZO DEL CALCESTRUZZO NEGLI EDIFICI ALTI

• Le necessità costruttive ed economiche moderne hanno generato un processo impetuoso di

avanzamento della tecnologia del calcestruzzo, contestualmente alla formulazione di

documenti normativi che hanno recepito i risultati anche più recenti della ricerca di base.

• La progettazione delle strutture in calcestruzzo armato è compito non semplice e pone ai

progettisti una sfida di non immediata soluzione che richiede un sensibile sforzo di

approfondimento culturale.

• Allo stato attuale, il problema tecnologico ha portato alla messa a punto di calcestruzzi

prestazionali, mentre il problema normativo ha trovato una sistemazione nel documento

Eurocodice 2 (EC2) e nelle Norme Tecniche (NTC), che recepiscono le prescrizioni di EC2,

assumendolo quale documento di riferimento.

LO SVILUPPO DELL’UTILIZZO DEL CALCESTRUZZO NEGLI EDIFICI ALTI

Altezze di

pompaggio del

calcestruzzo

raggiunte nei più

moderni edifici alti

IL CALCESTRUZZO PRESTAZIONALE

• DEFINIZIONE ACI: Calcestruzzo prodotto con appropriati materiali combinati

secondo un determinato mix design e opportunamente mescolato, trasportato, messo

in opera, compattato e maturato in modo tale da ottenere un’eccellente prestazione

nella struttura in cui deve essere inserito, nell’ambiente in cui deve rimanere esposto

e in grado di sopportare i carichi cui deve essere soggetto per tutta la durata della

sua vita utile

• Le prestazionalità di base del calcestruzzo riguardano essenzialmente:

• la resistenza (calcestruzzi ad alta resistenza, HSC)

• la durabilità (calcestruzzi ad alte prestazioni, HPC)

• la messa in opera (calcestruzzi ad elevata lavorabilità ed autocompattanti, SCC)

• Le prime due prerogative riguardano il calcestruzzo indurito mentre la

terza riguarda il calcestruzzo fresco.

L’alta resistenza in termini di efficienza statica

• Efficienza statica del materiale

Efficienza statica di una colonna

1

2

75

3

112, 5

3.6

~4.5

h0 (km)

fck (MPa) 25 50 90

2.8

70

1.8

45

NC HSC

4.6 NTC

c

ck0

p

fh

a) Fase di esercizio

c

*

k

m

col

3*

k

m

colc

m

colc

m

col

*

ksk

p

qλ

A

Aβ

edificiodimverticale/totaleazioneq

1βλ1hAphAph1βAqN

rapporto tra area d’impalcato insistente su una colonna

e l’area media della colonna

Limite

per

acciaio

S355H


Efficienza statica di una colonna (continua)

colck21cnsecolckcRk Afkkαee1ρα1AfαN

kk

k

c

se

c

QG

G1

E

Eα

NTC)(EC2;0.45α

in prima approssimazione e=15

0.05heA

we

e

e1

1k

A

Aρρα1k

min*

*

n

n

2

c

ssse1

Nello stato limite di tensione in esercizio si ha:

m

col

col3

321c0

colck21c

m

colc

A

Ak;

1-βλ1

kkkαhh

Afkkα1βλ1hAp


Efficienza statica di una colonna (continua)

Valori indice per edifici ‘medio alti’ (h<250m) con nuclei controventanti e colonne circolari

0.45k1.65k0.12λ0.33e

e15α3%ρ c3

n

es

1-β0.121

h0.81

1-β0.121

1.33

1.65

100

31510.45

hh 00

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 25 50 75

h (k

m)

Beta

h0=1

h0=1.8

h0=2.8

h0=3.6


Gli effetti prodotti da un incremento di resistenza

1. A parità di :

• Un incremento di h0 comporta un aumento di hmax

2. A parità di h:

• Un incremento di h0 comporta un aumento di

• A parità di A si ha una diminuzione di Acol(m)=A/

• A parità di Acol(m) si ha un incremento di A= Acol

(m)

• Nel primo caso si ha una diminuzione del consumo di materiale nelle colonne

• Nel secondo, a parità di consumo del materiale si ha un incremento di volumetria

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 25 50 75

h (k

m)

Beta

h0=1

h0=1.8

h0=2.8

h0=3.6

h


La durabilità

Secondo EC2 e DM Rapportata alla resistenza del calcestruzzo,

allo spessore di copriferro e all’aggressività

ambientale; vengono distinte situazioni tipiche

(tempo di vita 50 anni) e particolari (tempo di

vita 100 anni)

Ricerca Messa a punto di calcestruzzi durabili.

Individuazione di modelli teorici di degrado.

Definizione della sicurezza strutturale

mediante analisi probabilistica.

FATTORI CHE GOVERNANO L’INCREMENTO DI RESISTENZA

Diminuzione della porosità totale

Diversa distribuzione dei pori (riduzione della dimensione

media e di quella massima)

Migliore qualità dei prodotti di idratazione

Modifica della zona di transizione pasta-aggregato

Uso di cementi di elevata resistenza e qualità

Uso di polimeri superfluidificanti (riduzione rapporto acqua /

cemento)

Attenta selezione degli aggregati e della curva granulometrica

Uso di aggiunte di materiale “fine” (microsilice, loppa,

metacaolino, ceneri volanti, calcare)


La messa in opera

La scoperta e l’utilizzo del calcestruzzo autocompattante (SCC)

Attualmente non presente nei documenti EC2 ed NTC.

Ricerca

Le proprietà chimico-fisico-meccaniche e le applicazioni

strutturali del calcestruzzo SCC

La formulazione di calcestruzzo SCC caratterizzato da ulteriori

prerequisiti: ritiro ridotto, espansione

FATTORI CHE GOVERNANO L’AUTOCOMPATTABILITÀ

Filling ability Passing ability Stability

Capacità del calcestruzzo di fluire attraverso spazi ristretti senza bloccarsi o segregarsi

Capacità del calcestruzzo di fluire e riempire completamente gli spazi dentro i casseri sotto solo il proprio peso

Capacità del calcestruzzo di rimanere omogeneo durante il trasporto e la messa in opera

ALTRI ESEMPI DI PREREQUISITI SPECIFICI

• Calibrazione della resistenza

• Rapido indurimento e basso calore di idratazione

• Bassa deformazione viscosa

• Basso ritiro

• Rapido sviluppo di resistenza

• Elevata durabilità

Esempi di requisiti prestazionali negli edifici alti

La risposta: calcestruzzi prestazionali

• Autocompattanti

• Fibrorinforzati

• Alta lavorabilità

• A ritiro controllato

• Espansivi

• Alta resilienza

CLASSIFICAZIONE DEL CALCESTRUZZO: RESISTENZA

D.M. 14/1/2008

Tabella 4.1.I – Classi di resistenza

CLASSE DI

RESISTENZA

C8/10

C12/15

C16/20

C20/25

C25/30

C28/35

C 32/40

C35/45

C40/50

C45/55

C50/60

C55/67

C60/75

C70/85

C80/95

C90/105

Strutture non armate o

debolmente armate

Strutture semplicemente armate

Strutture presollecitate

Prequalifica

Autorizzazione STC

I VANTAGGI DELL’UTILIZZO DEL CALCESTRUZZO NEGLI EDIFICI ALTI

Costruzione e tecnologia • Velocità di realizzazione (1 piano ogni 3-5 giorni)

• Possibilità di utilizzare colonne in calcestruzzo con travi d’impalcato in acciaio

• costi ridotti di circa 1/5 rispetto all’uso di colonne in acciaio

• maggiore robustezza globale

• adattabile a diverse forme architettoniche

• Nuovi calcestruzzi ad alta sostenibilità ambientale, in cui il cemento è sostituito in parte con ceneri volanti, fumi di

silice

• Solai in getto pieno non estradossati: enorme semplificazione impiantistica e costruttiva, riduzione degli interpiani

• Nuovi sistemi di casseratura veloci e performanti

• Sistemi di pompaggio potenziati ed efficienti anche su grandi altezze

• Calcestruzzi con prestazioni particolari (soprattutto SCC): possibilità di aumentare il contenuto di armatura e di

utilizzare barre manicottate anche in getti ristretti

• Utilizzo di razionali arrangiamenti di armatura, fabbricati con maggiore accuratezza e consistenza, gabbie più

facili e veloci da montare

Ma soprattutto • Il prezzo del materiale calcestruzzo, inclusa la sua posa in opera, è relativamente basso.

• L’approvvigionamento e la posa in opera dell’armatura è il fattore più costoso del costruire in

calcestruzzo, seguito dai costi di casseratura, mentre solo al terzo posto c’è il costo del calcestruzzo

Il moderno processo costruttivo di un edificio alto in calcestruzzo

GLI ALTRI VANTAGGI DELL’UTILIZZO DEL CALCESTRUZZO

• Utilizzo, comfort, ambiente: • Elevata restistenza e durabilità

• Versatilità

• Bassi costi di manutenzione

• Bassi costi di produzione

• Resistenza al fuoco

• Alta efficienza nel sistema di produzione (l’energia necessaria per produrre una tonnellata di calcestruzzo è pari a 1.4 GJ/t

rispetto a 30 GJ/t per l’acciaio e 2GJ/t per il legno)

• Eccellente massa termica (buone proprietà di isolamento)

• produzione ed uso essenzialmente ‘locali’ (no trasporto)

• Effetto ‘Albedo’ (buone proprietà di rifrazione solare, ridotti consumi di condizionamento)

STRUTTURE COMPLEMENTARI IN ACCIAIO STRUTTURALE

Palazzo Lombardia: il ‘Velario’

Palazzo Lombardia: la copertura

della Piazza ‘Città di Lombardia’

COLONNE DI TIPO COMPOSTO ACCIAIO-CALCESTRUZZO E IMPIEGO

DELL’ACCIAIO PER RAGIONI ESTETICHE ED ARCHITETTONICHE

Sede Regione Piemonte: piante e prospetti tipo

Sede Regione Piemonte: pianta

solaio tipo

Sede Regione

Piemonte:

colonna tipo

COLONNE IN ACCIAIO STRUTTURALE PER RAGIONI ESTETICHE ED

ARCHITETTONICHE

Sede Banca San Paolo Torino:

prospetto architettonico

Sede Banca San

Paolo Torino:

pianta piano tipo

Sede Banca San Paolo

Torino: analisi su sez.

colonna tipo

UTILIZZO INTEGRATO DELL’ACCIAIO STRUTTURALE PER LE STRUTTURE

PORTANTI E A FINI ESTETICO-ARCHITETTONICI

HSBC: façade HSBC: Interior

Hong Kong and Shanghai Bank di

Norman Foster (‘Robot Building’)

Conceptual design

LA ROBUSTEZZA STRUTTURALE

Tall buildings, modern construction engineering

o Tall buildings are composed by structural elements arranged in complex and delicate multifunctional systems satisfying prescribed performance levels

o Basic aspects regarding the behaviour of such systems concern:

o capacity

o durability

o robustness

Vitruvius: Firmitas, Utilitas, Venustas

Modern construction engineering

o Capacity Structural Safety (Firmitas)

o Durability Structural Service Life (Utilitas)

o Robustness Imperfections, inaccuracies, uncertainties

(Venustas)

• A reliable structural design is the result of a rational process of harmonization, governed by a conceptual approach

The approach to structural design

o To reach a satisfactory level of capacity and durability, Codes define convenient paths based on limit states design.

o In Europe this procedure is defined on the basis of a Probabilistic or a Semi-probabilistic approach, according to the concept of ‘Performance Based Design’

Designing for capacity

𝑷 𝑹 < 𝑺 = 𝑷𝒇 ≤ 𝑷 𝒂 𝒇𝒔(𝒙)∞

−∞

∙ 𝑭𝑹 𝒙 ∙ 𝒅𝒙 = 𝑷𝒇

𝒁 = 𝑹 − 𝑺 𝒁𝒎 = 𝑹𝒎 − 𝑺𝒎 𝝈𝒁𝟐 = 𝝈𝑹

𝟐 + 𝝈𝑺𝟐

𝑷𝒇 = 𝑭𝑼(−𝜷)

𝑼 < −𝒁𝒎𝝈𝒁= −𝜷

𝑼 =𝒁 − 𝒁𝒎𝝈𝒁

𝜷 =𝒁𝒎𝝈𝒛=𝜸𝟎 − 𝟏

𝜸𝟎𝟐 ∙ 𝒄𝑹𝟐 + 𝒄𝑺

𝟐

Probabilistic approach


𝑷𝒇 = 𝑭𝑼(−𝜷)

Probabilistic approach: calibration of the safety index

Ultimate Limit States

= 3.8; Pf = 10-510-4

Service Limit States

= 2.5; Pf = 10-310-2


𝒇𝒔

∞

𝑺𝒅

𝒙 ∙ 𝒅𝒙 = 𝑷 𝑺 > 𝑺𝒅 = 𝑷𝑺𝒅

𝒇𝑹

𝑹𝒅

−∞

𝒙 ∙ 𝒅𝒙 = 𝑷 𝑹 ≤ 𝑹𝒅 = 𝑷𝑹𝒅

𝑹𝒅 ≥ 𝑺𝒅

𝑹𝒅 = 𝑹𝒇𝒄𝒌𝜸𝒄;𝒇𝒚𝒌

𝜸𝒔; 𝑪𝑹

𝑺𝒅 = 𝑺 𝜸𝒇𝒊 ∙ 𝝍𝟎𝒊 ∙ 𝑨𝒌𝒊 ; 𝑪𝑺

𝑺𝒅 = 𝑺 𝜸𝒇𝒊 ∙ 𝝍𝝀𝒊 ∙ 𝑨𝒌𝒊; 𝑪𝑺

Semi-Probabilistic approach

Designing for durability

General principles


aP

t0 t1 tSL t

fP t fR, fS fR, fS fR, fS

fP t

Probabilistic approach

𝑷𝒇 𝒕 = 𝑭𝑹(𝒕, 𝒙) ∙∞

−∞

𝒇𝑺(𝒕, 𝒙) ∙ 𝒅𝒙 ≤ 𝑷𝒂 𝑷𝒇 𝒕𝑺𝑳 = 𝑷𝒂


Semi-Probabilistic approach

𝑹𝒅 ≥ 𝑺𝒅

t0 t1 tSL t

Rd

Rd, Sd

Rd Rd

Sd

Sd

Sd

fR fR

fR

fS fS

fS


Model for corrosion induced by carbonation: Probabilistic

approach

t0 t1 tSL t

fP t 𝒇𝒙𝑪(𝒕𝟎)

c

f 0P t f 1P t f aP P

𝒙𝑪 𝒕 = 𝑾(𝒕) ∙ 𝒌 ∙ 𝒕

𝒇𝒙𝑪(𝒕𝟏) 𝒇𝒙𝑪(𝒕𝑺𝑳)


Model for corrosion induced by carbonation:

Semiprobabilistic approach

tSL t

xCk(tSL)

cmax-c xCk(tSL)•f

Designing for robustness

o The structural capability in withstanding perturbations with restricted and local damaging avoiding catastrophic consequences

o The structural capability in guaranteeing high reliability consequent to the presence of a large number of redundant elements or restraints which can be totally exploited by virtue of an elevate grade of structural ductility

o The presence of different paths for transferring the actions which can be independently activated with everyone of them able to guarantee structural stability

o High reliability systems

o Redundancy

o Absence of brittle chains

Robustness

o Conceptual approach aiming at ensuring the conceived structural systems a good level of robustness represents a basic way of proceeding in modern structural engineering

o When prerequisites like capacity and durability are involved, the Codes have carried out procedures to evaluate structural safety based on the probabilistic and semiprobabilistic concepts of limit state design, thus defining the fundamentals of ‘performance based design’

o Regarding robustness, no analytical evaluation can be suggested, so that the Codes only recommend that this fundamental prerequisite be carefully taken into account in the design phase

o This can be conveniently achieved by means of a general holistic procedure based on the conceptual approach to structural design



o Conceptual design and robustness are strictly connected, they define a unique holistic approach aiming at conceiving sound and reliable systems

Conceptual Design

Case Study 1 – Tall building foundations

Preliminary design

o Design of the foundation mat of a fifty stories tall building

o The dimension of the mat are (50 x 50) m, with depth ranging from 2.5 m to 5 m.

o In the preliminary design phase the foundation was conceived as a plate resting on an elastic soil consolidated by means of jet-grouting columns

o A careful investigation about the characteristics of the soil pointed out the presence of some sub-horizontal layers of clay disposed at the interior of the soil mass, of granular type.

o The possible effects the clay layers could generate were the magnification of the foundation settlements and the presence of local defects in the jet-grouting columns

Case Study 1 – Tall building foundations

Modified design and soil stratigraphy

o Design of the foundation mat of a fifty stories tall building

o The consequences of local inclusions and imperfections in the jet grouting columns could have a marked negative impact on the structural behaviour of the building.

o Based on these evaluations, a modified foundation system was designed, maintaining the jet-grouting only to form a barrier against water, introducing reinforced concrete bored piles having length 50 m, collaborating with the soil in order to reduce the settlements.

o In this way the non homogeneous layers of soil were bypassed and the distribution of settlements, evaluated by means of specific analytical models, became more reliable.

Case Study 2 – Interaction between high-rise and low-rise

buildings

Transverse section Induced displacements

o Static interaction between a r.c. building 205 m tall and a surrounding lowrise r.c. building

o According to the original workprogramme, the low rise building, which was initially assumed with isolated foundation bases for each column, was to be constructed first.

o The analysis of the settlements induced by the construction of the tall building pointed out the possibility of developing severe imposed displacements and rotations at the column bases.

o Furthermore the effects of the settlements induced by the tall building was to significantly modify the distribution of the soil parameters in the surroundings of the foundation mat

Case Study 2 – Interaction between high-rise and low-rise

buildings

Layout of the modified foundation and related displacements

o Static interaction between a r.c. building 205 m tall and a surrounding lowrise r.c. building

o In order to improve the structural behaviour the column bases near the tall building foundation were connected by a r.c. plate 1.5 m thick

o In this way the settlements induced by the foundation mat were only slightly reduced, anyhow the presence of the connection plate was able to guarantee a better performance of the low rise structures, mitigating the effects generated by the mechanical non-homogeneity of the soil, significantly increasing the robustness of the low rise building structures.

Case Study 3 – Roof steel trusses

o Roofing structure for the central plaza in the Palazzo Lombardia Complex in Milan

o The structure is composed by a primary one consisting of a steel tube truss. The triangular zones extending between the truss elements are covered by means of inflated ETFE cushions

o The presence of the cushions introduces a marked discrimination in terms of structural safety because their behaviour is not easily predictable and also depends on the proper functioning of the inflating apparatus

o The structural system supported by the steel truss has an inadequate level of robustness as a failure of the inflating apparatus can generate the failure of the cushions to which the sudden fall of a large quantity of snow can be consequent.

Regione Lombardia roof steel truss

Case Study 3 – Roof steel trusses

o Roofing structure for the central plaza in the Palazzo Lombardia Complex in Milan

o A very simple and effective way to improve the robustness of the roof consists in disposing small steel wires below the cushions, extending between two steel tubes.

o In this way the cushions can be sustained avoiding the snow fall.

o This simple device, not affecting the architectural aspect of the roof and of low cost allows to dramatically increase the structural robustness eliminating the severe consequences that could arise in the case of an inadequate behaviour of the inflating apparatus.

Case Study 4 – Prestressed slabs with unbonded cables

o Concrete slab prestressed by means of internal unbonded cables

o This type of slab is very efficient in the service stage, but requires some care with respect ultimate limit state of bending.

o Owing to the absence of bonding between the concrete and the cable, at ultimate the postensioning force does not vary in a significant extent.

o This fact clearly points out the basic role that the ordinary reinforcement assumes with regard to structural robustness.

o Sectional analyses emphasize the small grade of robustness which may be present in a section: without ordinary steel

Case Study 4 – Prestressed slabs with unbonded cables

o Concrete slab prestressed by means of internal unbonded cables, effect of ordinary steel

Diagrams (2), (3)

Diagrams (1), (3), (4)

An outstanding case of structural failure

Il caso esemplare del World Trade Center di New York

Approccio concettuale alla Progettazione degli Edifici Alti · AZIONE DEL VENTO: Il vento è...

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